基于污泥固化穩定化處理技術的重金屬污染河道底泥處置路線

羅 剛，漆磊廷，段騰騰，耿 震

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

2016年國務院頒布實施了《關于印發水污染防治行動計劃的通知》(“水十條”)，明確指出2020年底前地級以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內，到2030年，全國城市建成區黑臭水體總體得到消除。全國各地黑臭河道整治工作隨之如火如荼地開展。河道底泥作為黑臭河道的“源”和“匯”，“匯”集了排放到河道中的初雨污染、生活污水和部分工業廢水中的大量污染物沉積，而隨著控源截污工程的實施和河道底泥污染濃度飽和后還會向水體釋放污染物成為污染“源”，故河道底泥的處置是黑臭河道治理工作中的重要一環。

目前開展黑臭河道整治的城市均面臨著體量巨大的河道底泥處置壓力。因為河道底泥含水率一般在90%-99%之間，含水率高，自重大，導致河道底泥處置難度大、成本高。上海市自2000年以來相繼開展了“萬河整治”、“近郊六鎮黑臭河道整治”工程，進行了大范圍的中小河道整治，全市每年疏浚河道底泥總量為3 000萬～4 000萬m3[1]。而廣州市內部現有230多條河道，需要清理底泥總計約700多萬m2[2]。

同時，我國城內大部分河道還存在河道底泥重金屬污染嚴重的現象，李繼周等[3]對南京城區8條典型黑臭河道底泥污染特征調查發現底泥重金屬污染嚴重，84.2%的河道具有高潛在生態風險。余世清等[4]對杭州城區34條河道底泥重金屬含量檢測表明，其中危害程度很強的河道4條，危害強的8條，中等的16條，輕微6條。上海作為老工業城市河道底泥重金屬污染同樣較為嚴重，抽取的4條河道重金屬潛在生態風險指數（RI）顯示4條河道沉積物重金屬污染均為中等[5]。由于河道底泥成分復雜，重金屬以吸附/絡合等方式積累在河道底泥中，處置難度大、代價高，不處置或處置不當均存在重金屬污染轉移再釋放的風險，故河道底泥二次污染的風險問題突出。

因此，如何低廉高效地對重金屬污染河道底泥處理和處置，實現河道底泥減量化、無害化、穩定化、資源化是擺在城市黑臭河道治理面前的重要難題。

1 河道底泥的處置方法

目前河道底泥處置方法主要有異位處理和原位修復技術。異位處理法包括填埋、焚燒和綜合利用。

填埋是目前國內外常用的方法，其優點是投資少、見效快，但是底泥填埋需要大面積的場地和運輸費用，對含有重金屬污染底泥的脫水、防滲處理及填埋要求更高。焚燒是傳統污泥處置最徹底的處理方法，其最大的優點是可以快速并最大程度地實現污泥減容。與傳統污泥相比重金屬污染河道底泥中有機物含量較低，直接影響其燃燒熱值，焚燒效果較差，需要增加輔助燃料改善燃燒質量，焚燒時動力消耗較大，成本較高。同時焚燒后的殘渣仍為有害物質，還需進行最終處置和運輸。綜合利用主要包括堆肥和建材利用。堆肥是一種較好的底泥處置方法，但是河道底泥中有機物含量低，重金屬污染底泥中的重金屬離子等有毒有害物質難降解。利用底泥替代部分黏土制造磚或陶瓷等建材是一種廢物利用的方法，但是建材利用對底泥的預處理要求較高，重金屬污染的底泥需除臭除毒處理方可用來制造建材。

原位修復技術包括化學修復、生物修復和原位穩定化。生物化學修復是指在不破壞河道底泥條件下投加親合性微生物或化學藥劑，優點在于工程實施中較為便利，不會產生二次污染，但是生物修復技術對環境要求苛刻，同時周期長見效慢，化學修復易破壞水生態系統。原位穩定化則是使用化學藥劑或使用水泥、生石灰等進行原位封裝，此法一般效率較低。原位修復存在增加河床高度，使水體庫容變小，削弱河道的行洪能力，不適用城內河道治理。

相比以上技術，異位固化、穩定化技術則是通過向疏浚底泥中加入特殊的化學物質固化并穩定底泥中的重金屬和其他污染物，降低重金屬和其他污染物在環境中的釋放析出。固化主要是向底泥中投加固化劑將底泥變成不可流動固體的物化反應過程，穩定化則是通過向底泥中添加化學物質將污染物變成低毒性和低遷移性物質的化學過程。固化和穩定化可作為一個連續過程技術運用，亦可根據工程需要單獨使用某一技術，主要取決于加入的化學物質及其影響因素。

2 河道底泥固化/穩定化技術

2.1 固化技術

常規的固化技術包括水泥、石灰和玻璃化等，但最常用的方法還是水泥固化技術。其主要機理包括重金屬同氫氧根離子或硅酸鹽結合成含鈣的水化反應、重金屬被水化硅酸鈣粒子吸附的碳酸化反應或重金屬通過離子交換的方式進入水化產物晶體結構中的離子交換反應[6]。用水泥處理底泥效果較好，但仍存在著固化效率低、對個別元素穩定化不佳的問題。因此添加其他材料輔助或共同固化的改進技術不斷發展，如用水泥固化時輔以碳酸鈉和二氧化碳后底泥中Pb、Zn、Ni析出明顯減少[7]。賈曉蕾等[8]和喬秀臣等[9]在使用不同比例的粉煤灰與水泥共同固化底泥中的重金屬時發現Cd、Pb和Zn的浸出濃度均低于GB5085.3-2007中規定的限值。但常規的固化手段不僅會導致底泥容量增加，同時存在對部分重金屬固化效果差的問題。

2.2 穩定化技術

按使用穩定劑分類目前穩定化技術主要包括無機物混合穩定化及有機物穩定化。

利用重金屬在中堿性環境會產生沉淀的特性，氧化鈣和碳酸鈣等作為廉價易得的無機物都可以提高底泥pH值使重金屬以沉淀形式穩定存在，有效減少了重金屬的釋放[10]。周雪飛等[11]發現底泥中加入氧化鈣和二氧化鈣后pH值明顯升高，Zn、Cd、Ni三種重金屬的遷移速度隨之變緩，但是其他研究表明石灰無法固化Pb、Cr一類重金屬。磷酸鹽類化合物是典型的無機重金屬穩定劑之一，能夠有效降低重金屬污染物的生物危害性和毒性。研究者用水鐵礦和磷灰石作為穩定劑添加到污染底泥中，結果顯示底泥的生物危害性和毒性降低，底泥中Pb、Cu、Zn、Cd等基本以氧化物結合態和殘渣態穩定存在[12]。有機物穩定化目前應用雖然較少，但是相關研究已經很多，主要是利用有機螯合劑與重金屬發生螯合作用形成形態穩定的難溶性螯合物[13]。黃鴿等[14]通過向底泥中分別添加殼聚糖、單寧酸和羥基磷灰石以穩定化其中的Pb、Cu、Zn和Cd，研究發現三種添加劑都有不錯的穩定化效果，其中羥基磷灰石效果最佳。穩定化技術實施后存在底泥仍為流塑態問題，故主要在原位修復時采用。

表1為固化與穩定化技術比較表。

表1 固化與穩定化技術比較表

2.3 固化穩定化技術

固化穩定化技術，顧名思義是將底泥固定化和穩定化，是在固定化過程時輔以穩定化技術，揚長避短。王川等[15]使用DTCR與水泥聯合固化穩定化重金屬污染底泥時發現，水泥水化包容重金屬的同時DTCR與重金屬發生交聯反應形成穩定的重金屬螯合物。使用水泥、粉煤灰配合有機硫穩定劑DTCR進行固化穩定化污染底泥中重金屬，添加DTCR后浸出濃度對比不添加的明顯降低，用粉煤灰替代部分水泥發現添加粉煤灰后固化抗壓強度增強[16]。

綜上所述，固化穩定化技術處理重金屬污染河道底泥效果較好，底泥中重金屬穩定浸出風險小，同時可有效實現底泥的減量和強度的提高，優勢明顯。

3 河道底泥固化穩定化工藝影響要素及調整

河道底泥固化穩定技術處理運用適當不僅可以實現底泥的減容減量，同時可以避免二次污染。在實際工程中，為了更加經濟可行應從以下要素進行固化穩定化工藝優化。

3.1 底泥含水率對固化劑、穩定劑添加量及添加時序的影響

河道底泥含水率較高，受清淤方式的影響一般在95%～99%之間，導致河道底泥量大且不便運輸，添加時序的選擇直接決定了固化劑、穩定劑添加量進而影響工程成本。根據污泥的這一特性應合理選擇河道底泥的疏浚方式，然后就近進行脫水實現減量化處理，脫水至含水率80%～90%左右呈半流塑態。既保證了后續固化劑、穩定劑與底泥拌和均勻性和易操作性又降低了其添加量。

3.2 底泥中重金屬污染程度及類別對固化劑、穩定劑種類選擇和比例的影響

由于河道外部環境的不同，受重金屬污染的程度等級亦不同，即使程度一致也存在受污染重金屬的類別不一致，如受電子、五金廠污染河道底泥中銅、鎘、鋅、鉻等污染可能比較突出，鄒凱旋等[17]對深圳某工業區重金屬污泥處理時發現采用水泥穩定化工藝時添加量8%最佳，石灰穩定化工藝時添加量2%最佳，石灰粉煤灰穩定化工藝時10%石灰+10%粉煤灰最佳，而石灰穩定化時鉻的浸出濃度相對較大，需輔以FeSO4·7H2O。而制革廢水污染的河道底泥可能鉻等影響更明顯，徐娜等[18]通過氧化鈣、人造沸石和硅酸鈉對污泥中鉻的穩定化作用對比發現，氧化鈣的穩定效果最好，氧化鈣與制革污泥的質量比為0.15～0.2。所以不同河道的底泥應根據其污染程度進行分析試驗選擇添加何種固化劑、穩定劑，優化添加量，得到最優配方。

3.3 底泥中有機質含量對固化穩定化效果和底泥力學性能的影響

河道底泥中有機質含量雖然較低，但是底泥中重金屬和有機質等污染物易發生吸附、絡合等作用形成有機結合態，影響固化穩定化效果和重金屬的穩定性。同時土的液、塑限會隨著有機質含量的增加而增大，底泥中的有機質會減緩水化產物的生成，因而對固化的強度造成影響。YANG等[19]在對幾種不同有機質含量的軟土中分別加入石膏和SN-210A復合添加劑發現，當水泥摻加量為15%時加入水泥量3%的石膏后水泥土的強度提高了1.5～2.2倍，當水泥摻加量為12%時加入水泥量1.5%的SN-210A復合添加劑后水泥土的強度提高了2～3倍。

3.4 處置后污泥的用途對固化劑、穩定劑種類和添加量的影響

經固化穩定化處理的底泥可實現多目標利用途徑：園林綠化種植用土、道路回填工程用土、建材制磚用土及生態修復材料用土。不同的用途對處理后底泥的環境安全要求，以及要達到的物理、化學性能指標也不同。因此固化劑、穩定劑種類和添加量要根據用途的需要進行優化。

綜上所述，在實際工程中，應首先對河道底泥特性及各種污染物的含量及形態等進行分析，并根據項目的特點制定底泥的最終處置方式，以確保資源化過程中取得最優配方。在此基礎上制定基于固化穩定技術處理重金屬污染河道底泥的方案和參數設置（見圖1）。

圖1 基于固化穩定化技術重金屬污染河道底泥處置技術路線圖

4 結語

城市黑臭河道的治理迫在眉睫，重金屬污染河道底泥處理已成為黑臭河道治理中無法回避的重大難題。針對城市河道底泥量大、含水率高、重金屬污染嚴重等特性，通過對固化穩定化技術在城市重金屬污染河道底泥適用性及優勢分析，探究工程運用影響因素，從工程應用角度提出基于固化穩定化技術的城市重金屬污染河道底泥處置全流程技術路線：預處理—脫水—固化穩定化—脫水—資源化利用，實現底泥處置減量化、無害化、穩定化、資源化，為環境可持續發展提供一種可行性技術模式。