河道底泥輕質建材化利用和效用分析

蔡 壯

（北京市密云區潮白河道管理所，北京市 101500）

0 引言

河道底泥是水體中的泥沙、礦物和有機質經過一系列反應而形成的。在工業污染加劇的背景下，工農業污染物流入河內最終沉積到底泥中，導致重金屬污染嚴重，進而影響地下水、森林和土壤等生態系統，如來自采礦業的Sb、As、Mn、Pb以及來自農業生產的Co、Zn、Cd和Cu。同時也危害河道中的生物，進入到食物鏈系統中。傳統就地堆置或填埋會導致重金屬繼續沉淀，還會以硫化物等形式進入到環境中，繼續造成污染。因此，河道底泥的資源化利用勢在必行，如結合粉煤灰使用碳酸鈣技術制作覆蓋材料。但是傳統底泥利用方法耗費巨大的人力物力，且不能保證有效防止污染，探索一種無污染的高效利用方法成為必然選擇。

1 河道底泥的資源化利用技術概述

1.1 河道底泥的常見處置方法

1.1.1 上覆水曝氣技術。通過充氧，改善水質，對氧化硫化物的去除率高達90%，也有一定的吸附態氨氮功能。

1.1.2 覆蓋技術。在底泥上覆蓋隔絕材料，吸附重金屬，如使用天然富含鈣的黏土礦物、生物炭、脫堿赤泥、粉煤灰等。

1.1.3 電動力學技術。通過直流電場驅動陰陽離子向陰極和陽極遷移，主要用于去除重金屬。

1.1.4 生物修復技術。培植水生植物，實現除臭和去除重金屬，如荷花、睡蓮等。馴化土著微生物，如使用沸石去除氨氮磷等有機質。

1.1.5 異位修復技術，進行疏浚脫水，將底泥從河道中清出。

1.2 河道底泥資源化利用的技術

1.2.1 農林利用。鑒于底泥中含大量有機質，施用在農田中，可以提升土壤肥力，但是容易造成重金屬污染，也容易造成土壤氮、磷的過度堆積。不過，如果利用得當，底泥中的一些金屬元素也可以促進作物生長。為解決這一問題，一般可進行好氧堆肥處理，將底泥中的污染物分解，降低重金屬遷移。

1.2.2 填方材料。用于路基填筑、筑堤護岸和回填工程等。如加入煤灰粉等固化劑用于堤防建設，但需要灑水養護。對輕污染底泥進行處理能夠用于路面土方工程。在一些強度不高的填方工程中，也可利用固化底泥進行回填，實現資源節約。

1.2.3 建筑材料。這是當前利用的重點方向，如混凝土骨料、陶粒、底泥磚、泡沫混凝土等。硅酸鹽水泥和熱處理底泥能夠制備新型水泥，但是養護期更長。與鋼渣和適量爐渣結合，在高溫條件可以燒結成輕質骨料，重金屬含量也大大降低。底泥摻70%左右，可以制作陶粒，有固化重金屬的作用。底泥也可以燒制黏土磚，在15%左右效果好，適當配比，壓強度能達到30 MPa。85%底泥加入玻璃粉等改性劑，也能制作出強度較好的磚。河道底泥還可以制備多孔凈水材料，用于生物濾池，鹽去除率較高。此外，底泥在填充墻、生產保溫板、現場澆筑外墻等生產方面也有應用。

2 河道底泥制備輕質建材的工藝技術

2.1 河道底泥制備輕質建材的可行性分析

全球范圍內，每年產生數億噸河道底泥，堆放和土地利用處理方式容易造成二次污染，因此將其制備成建筑材料就是一個很好的選擇。但是傳統高溫燒結方式能耗巨大，制備鋪路磚、填充塊等方式添加比例低，不足以消納巨大存量。因此，探索輕質建材的利用途徑成為必然選擇。泡沫混凝土等輕質材料具有多孔、質輕、低能耗和良好的保溫隔熱性能等優勢，與河道底泥的微孔特性相符合，具有加工優勢，既能實現大量消納底泥，又能減少河砂過度開采。

2.2 工藝材料

選擇大量堆積的河道底泥，含水率為70%，風干后將其破碎為2 mm左右的顆粒。其中含量以SiO2和Al2O3為主，也含有Cr、Cd、Cu和Zn等成分。購買普通硅酸鹽水泥、高效減水劑、發泡劑等材料。

2.3 制備工藝

調整干物質，包括水泥和煤灰粉等?？刂扑媳葹?.45，以450轉/min的速度攪拌，1 min后加入高效減水劑，以改善其可加工性。1 min后將1∶45的蛋白質發泡劑水溶液泡沫與之混合。此后以300轉/min的速度繼續攪拌，25 s左右后注入磨具。靜置1天后養護4周左右，溫度在23℃左右，濕度為95%左右。以50%底泥作為最佳摻量，將泡沫摻量控制為54%、孔隙率為45%，保持流動度在240～260 mm之間。

2.4 內摻活性摻料

加入石灰、粉煤灰、微硅粉等摻料，提高建材性能。生石灰遇水反應可以吸附Na+、K+等離子，形成較大的團聚體，從而增加建材的強度。Ca（OH）2可以發生火山灰反應，從而生產水化產物。粉煤灰也能夠發揮這一作用。微硅粉既能夠填充有害孔隙，也能夠與水泥反應形成水化產物。在工藝中，為減少水泥用量，提高機械性能，可適當減少石灰和煤灰粉的比例，加入10%微硅粉，其性能最佳。

2.5 外加改性劑

加入偏硅酸鈉、水玻璃、生物炭等改性劑。水玻璃能夠提升水泥固化土的強度，偏硅酸鈉能夠改善混凝土性能，生物炭有吸附污染物的能力，改善輕質建材的相容性和孔結構，其低導熱性和材料多孔性能夠改善混凝土的熱和聲學性能，還能夠有效提升機械強度。在改性劑添加中以生物炭為主，與水及適量減水劑混合，進行攪拌，超聲溶解30 min，使之均勻分散。將生物炭的用量控制在1%之內，可采用大麥草生物炭等物質，牛糞生物炭效果更好，因此其更為輕質。同時，高溫生物炭pH值耕地含氧官能團少，孔隙結構好，更有利于水化反應。

3 河道底泥輕質化建材利用的效益分析

3.1 資源環境效益

目前，傳統建筑材料主要采用砂石，造成了大量的開采和資源環境破壞，采用河道底泥能夠實現替代作用，在經濟上也更為節約。有效地避免了土壤資源的浪費，實現了廢物利用。另一方面，底泥自身性狀優良，不但可以在一些建筑領域代替黏土，而且本身具有小孔的特征，可更好地發揮冬暖夏涼的功能，實現可持續發展和節能環保的目的。底泥輕量化建筑材料加工不僅有利于降低河道污染，而且對陸地環境污染也小于傳統混凝土加工，資源消耗潛勢低，更加節約能源。特別是對海洋河流污染改善效益最大，如果應用得當，改善效應高達40%，也抑制了土壤酸化，降低了生態污染。

3.2 重金屬去除效應

輕質化建材能更好地發揮重金屬封裝效應，減少重金屬污染，本文提出的泡沫混凝土技術，生物炭可以吸附重金屬，底泥可通過物理封裝和發生化學沉淀固定底泥。經過28天固化，重金屬浸出大大減少，比如Cu、Ni、Zn、Cd、Pb和Cr等，都遠低于原有排放量。二氧化硅中的硅能夠吸附重金屬，加入改性材料之后固化能力增強，對于降低河道重金屬污染和轉移有著重要的作用。

3.3 經濟效益

傳統加工方式土地成本、開采成本和資源成本都較高，加上運輸成本上升，微硅粉成本上升以及減水劑成本增加，材料成本將會大幅上升。同時，處理底泥又需要大量的環保投入，而變廢為寶，實現資源化利用，不僅減少河砂和黏土采集的成本，減少了水泥等材料的使用，可減少環保投入的壓力，又創造了新型建材市場的效益。河道得以疏浚的同時，城市固廢也大量削減，比如，每天制備70 m3輕型建筑材料，就可以消納30 t底泥，減少了由于建筑廢棄物處理造成的一系列經濟連鎖反應和問題。

4 結語

將河道底泥作為輕質建筑材料加以利用，有著巨大的環境效益和經濟效益.而且重金屬固化作用非常顯著，大大改善了河道污染環境，也創造了一定的經濟效益，為建筑行業低碳發展提供了思路。因此在未來的資源化利用中，應加大這方面的研究。