河湖底泥的來源、性質和處理處置技術
——與污水廠污泥的比較

段妮娜，王磊磊，朱 勇，楊 雪

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

污泥是由水和污水處理過程所產生的固體沉淀物質。由于各類污泥的性質變化較大，分類是非常必要的，污泥處理和處置也是不盡相同的。根據其來源，可以劃分為：（1）市政污泥，也叫污水廠污泥，主要指污水處理廠的初沉污泥和剩余污泥混合物，這是數量最大的一類污泥。此外，自來水廠的污泥也來自市政設施，可以歸入這一類。（2）管網污泥，來自排水收集系統的污泥，通常指排水管道養護中疏通清撈上來的沉積物。（3）工業污泥，工業廢水處理站產生的污泥，一般無機污泥較多，含有生產廢水中的化學成分，屬于危廢類。（4）河湖底泥，江河、湖泊的淤泥，通常來自疏浚工程。

隨著我國城鎮化水平的不斷提高，污水處理設施建設得到了高速發展，污水廠污泥產量逐年升高。2015年，污水廠污泥產量已高達4 300萬t（以含水率80%計）。與此同時，我國河湖眾多，在許多經濟發達、人口密集地區，工農業生產等人類活動導致河湖受到不同程度的污染，大量污染物在底泥中富集造成底泥的嚴重污染。底泥疏浚是目前國內外治理污染河湖的主要措施[1]，隨著近年來黑臭水體治理力度的加強，底泥疏浚技術的應用也逐漸增多。底泥來自疏浚工程，產生集中，量大。疏浚底泥與污水廠污泥本質上是水體或污水中污染物的富集體，若不能合理處理處置，節能減排目標將大打折扣。“十二五”以來，污泥處理處置逐漸受到重視，尤其是污水處理廠污泥，其產生過程、性質和污染特點、主要處理處置方式和資源化技術已得到環境領域相關科研技術人員的系統和深入認知。相對而言，關于河湖底泥產生、性質和處理處置措施的相關信息僅局限于從事河湖處理活動的小眾科研技術人員，未形成廣泛認知。而河湖底泥與污水廠污泥在產生、性質和處理處置方式上雖然不同但有相似相通之處，本文將以污水廠污泥為對比，介紹河湖底泥的來源、性質和處理處置技術，以期通過比較深化讀者對河湖底泥的認識。文中關于河湖底泥的描述和數據主要來自城市污染河道或湖泊。

1 底泥的產生、組成和性質

1.1 底泥的產生

河湖底泥是黏土、泥沙、有機質和各種礦物的混合物，是無機固體和有機質的混合物經長時間物理、化學和生物作用，轉化并沉積于水體底部而形成的。其中，無機固體和有機質來源于土壤侵蝕、動植物機體分解、地表徑流、大氣沉降、污水廠出水和溢流的污水或廢水。“土壤侵蝕”和“動植物機體分解”可以看做與人類活動無關的因素，“地表徑流”和“大氣沉降”則體現了自然和人類活動的共同作用，而“污水廠出水”和“溢流的污水或廢水”則完全屬于人類活動導致的污染輸入。污水廠污泥是污水中原有的懸浮顆粒、生物處理產生的微生物菌膠團，以及吸附的部分污染物組成的，是固體顆粒、病原體及溶解性污染物等經過物理、化學和生物處理后形成的固體沉淀。其中，固體顆粒、病原體及溶解性污染物來源于生活污水和部分初期雨水。可見，底泥是自然和人類活動共同作用產生的，底泥性質與所在地理區域密切相關，底泥污染狀況與河道污染狀況密切相關，人類因素的影響越大，其污染程度也越大；而污水廠污泥則是采用排水系統和污水處理工藝人為收集和處理污水形成的產物，幾乎不受自然因素的影響。

1.2 底泥的組成和性質

在宏觀組成上，底泥和污泥均由水和固體部分構成，而固體部分均可分為無機和有機兩部分。疏浚底泥的含水率通常較高，80%~98%，脫水性能與底泥污染程度、有機質含量等因素相關，通常優于污水廠污泥，可通過文獻中關于底泥和污水廠污泥的比阻數據大致體現出來（見表1）；污水廠濃縮污泥含水率通常為97%~99%，脫水后含水率將至75%~80%左右（底泥和污水廠污泥采用不同方式脫水后的含水率見表2）。固體部分，底泥的有機質含量遠低于污泥，通常為3%~15%，通常含有腐殖質、蛋白質、脂肪、多糖，難降解有機污染物、持久性有機污染物等；污水廠污泥的有機質含量較高，通常為30%~60%，通常含有蛋白質、脂肪、多糖，少量腐殖質,糖醛酸,核酸，難降解有機污染物、持久性有機污染物等。底泥中無機質含量較高，主要組成物質為土壤的原生礦物、粘土礦物、金屬氧化物、氫氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽、硫化物、鹵化物等；污水廠污泥中無機物的主要組成物質為泥沙、金屬化合物、粘土礦物等。

表1 文獻中部分底泥和污泥樣品的比阻值比較

表2 底泥和污水廠污泥脫水后的含水率 %

從元素組成上來看（見表3），C、H、O、N和S是構成有機物的5種主要元素,污泥中這5種元素的含量決定了其有機質含量和燃燒特性，對污泥處理處置方式的選擇有一定意義。底泥中有機元素C、H、O、N和S占干基的總比例遠低于污水廠污泥，表3中底泥樣品的有機元素含量為13%，而污水廠污泥中這一比例為高于50%，這與底泥和污水廠污泥干基有機質比例特征是一致的。在燃燒中,C和H提供了主要的燃燒熱,這兩種元素的含量與污泥熱值有密切聯系。表3中可以看出，該底泥樣品中C和H的含量均為表中污水廠污泥的五分之一。因此，從有機質利用的角度來說，污水廠污泥相比底泥更具資源化能源化利用優勢。

表3 底泥和污水廠污泥干基中元素質量百分比 %

底泥雖然有機質含量少，但其無機質的礦物組成和性質較接近黏土。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O和K2O均在粘土礦物化學組分之內。其中SiO2與Al2O3含量之比約為4，與蒙脫石的礦物化學組成相似。與污水廠污泥相比，底泥具備替代粘土作為原料進行資源化利用的潛在優勢（見表4）。

從營養元素含量來看，底泥的N、P含量遠低于污水廠污泥，其富營養程度與所在水體的富營養污染密切相關，因此不同水體底泥中營養元素含量差別較大；而污水廠污泥是一種高有機質、高氮、高磷,而相對低鉀的物料，有機質和主要養分含量通常達到一般土壤的10倍以上。底泥和污水廠污泥中營養元素含量對比見表5。

涉及到具體的組成物質，腐殖質是比較能反映底泥或污泥有機質的物理-化學-生物轉化過程的物質，故以腐殖質特征為例進行比較說明。有機質的腐殖化程度與腐殖化時間和微生物活動密切相關，相同區域的底泥和污水廠污泥，底泥和污水廠污泥，污染物來源較一致，有部分同源有機質，故兩者的腐殖化過程具有一定相似性；在腐殖化過程中，由于污水廠處理污水的工藝和時間與河湖水自然凈化過程存在差異，從而引起腐殖化時間和有機質在腐殖化過程中對氧的獲得難度的差異。因此，底泥和污泥在腐殖質的官能團特征方面會有一定的對比規律。例如，波蘭學者Polak對同一地區某河湖底泥與污水廠污泥的腐殖酸進行了提取，并比較了其光譜和物化特性[22]。紅外光譜結果顯示，主吸收位置相似，主要分布在頻率為3 400 cm-1（氫氧鍵O-H），3 000~3 100 cm-1（不飽和芳環C-H伸縮振動），2 900 cm-1（脂肪鏈C-H伸縮振動），1 625 cm-1（COO-對稱伸縮振動），1 540 cm-1（C=N，酰胺Ⅱ帶伸縮振動），1 030 cm-1（芳香族醚或or the硅氧Si-O鍵伸縮振動），500 cm-1（Si-O-Si彎曲振動），但官能團吸收強度不同（見圖1）。說明兩者含有的主官能團是基本相同，但整體含量和某些種類有差異。在頻率1 250 cm-1（酰胺基或醚）、1 440 cm-1（CH3,酚類的OH,COO-或鄰二取代的芳香環）和1 720 cm-1（羧酸的C=O），污水廠污泥的吸收峰明顯較高，而底泥則峰值較低或沒有吸收峰，表明底泥腐殖化過程中氧的參與較少。

表4 底泥和污水廠污泥干基礦物組成對比 %

表5 底泥和污水廠污泥營養元素的含量 g/kg/%

圖1 同一地區底泥和污水廠污泥的腐殖酸紅外光譜

底泥中的污染物也體現了類似的特點，即與污水廠污泥種類相似，含量較低。以重金屬和持久性有機污染物為例，底泥的重金屬污染狀況與流域的人口、經濟、工業、礦業等情況密切相關，樣品間差異較大[23]。整體上，重金屬含量低于污水廠污泥，土地利用的風險較小。污泥中的重金屬占干基0.5%～2.0%，某些達到4.0%。Zn，Cd，Hg，Cu，Ni超標較嚴重[15,24]。對于持久性有機污染物如多環芳烴（PAH），多氯聯苯（PCB），溴系阻燃劑，內分泌干擾素等，持久性有機污染物主要來源于化工生產中氯化過程排放的廢水和廢氣、殺蟲劑等農藥的農業污染、有機氯垃圾的焚燒,含PCB的垃圾等不恰當的處理處置。對比污水廠污泥中和河湖底泥中的持久性有機污染物含量，發現污水廠污泥中的PAH、酚類內分泌干擾素含量均比底泥高一個數量級[25,26,27]。底泥中持久性有機污染物主要來自污水/污泥處理系統的出水，其余多來自面源污染。

2 底泥的處理、處置與資源化

底泥與污水廠污泥屬于同一類固體廢物，其處理處置的原則同為減量化、無害化、穩定化和資源化。其處理處置技術廣義上均包括原位處理和異位處理兩大類。

2.1 原位處理

河湖底泥的原位處理主要包括重金屬原位鈍化、底泥原位覆蓋、生物修復和深層曝氣等技術，多用于污染較輕的水體。其中，關于原位鈍化的應用性報道較少。原位覆蓋、生物修復和深層曝氣均有廣泛應用。原位覆蓋技術多采用細砂、粘土、細砂、粉煤灰、鈣質膨潤土等進行底泥與水體的物理阻隔。1984年華盛頓西雅圖Duwamish航道覆蓋沙子；1999巢湖市環城河河道疏浚后覆蓋細沙。深層曝氣技術的應用案例有英國泰晤士河，德國柏林河，北京清河，上海綏寧河，福州白馬支河等。污水廠污泥的原位處理多為原位減量技術，利用污泥隱性增長、內源代謝、解偶聯代謝和生物捕食等原理，從源頭上減少污水處理過程中污泥的產量。隨著近年來污水和污泥處理處置以“資源化”為指導逐漸成為趨勢，污水處理過程中污染物充分富集和回收成為研究熱點，“原位減量”技術工程化應用較少。

2.2 異位處理

當前，我國污水和污泥處理的主流模式還是集中式末端處理模式，即污泥產生后收集起來再進行減量化、無害化、穩定化或資源化處理處置。河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線見圖2。

圖2 河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線

環保疏浚則是經濟有效又比較徹底的治理方式，也是河湖底泥污染治理的主流方式，我國南方地區的滇池、洱海、太湖、玄武湖、西湖，以及北方地區的官廳水庫、大沽河等，均開展了環保疏浚工程。疏浚過程中必然產生大量的疏浚底泥，并且底泥含水率高，給后續處理處置帶來諸多不便，因此，疏浚底泥常見處理路線的首要環節是進行脫水，將含水率降低至75%以下，實現體積減量。然后視后續處理處置工藝的選擇進行一定程度的干化處理。對于污染較嚴重、重金屬超標的底泥，通常進行重金屬固化穩定化處理，或焚燒后進行相應處置。對于污染較輕的底泥，視其污染特性和泥質性質進行資源化處理或綜合利用。由于底泥無機質比例較高、有機質比例較低，底泥的處理著重考慮無害化和無機質的資源化。

相比之下，污水廠污泥的有機質比例較高，因此，污水廠污泥的處理處置在考慮無害化的前提下，著重考慮其穩定化和有機質的回收利用。如圖2所示，底泥和污水廠污泥的減量化和無害化處理方式相同，主要區別在于資源化處理處置方式，體現了“因質處理”。

從泥質特性和主流處置方式上來說，底泥性質與土壤較相似，污水廠污泥穩定后的組成（如腐殖質、營養元素等）和性質也具備土地利用潛力。因此，無論是河湖底泥還是污水廠污泥，土地利用都將是其重要處置方式。

3 展望與結語

隨著近年來環保要求和排放標準的提高，底泥和污水廠污泥的處理處置越來越受重視。在當前資源能源緊缺、環境容量有限的大背景下，不論是河湖底泥還是污水廠污泥，以“資源化”為導向，無害化、穩定化的同時實現物質能源的最大化回收利用將是其處理處置的必由之路。河湖底泥與污水廠污泥同屬于城市污泥，其來源、組成、性質和處理處置方式具有一定相似性和相關性。污水廠污泥中物質和能源的回收已得到廣泛關注，開展了較系統的研究和實踐。相對而言，河湖底泥的資源化處理處置尚未打開局面。針對底泥的組成和性質特點，對其綜合利用技術進行標準化研究和推廣，使底泥處理時有依據、有方法、可實現產業化，是實現我國污染底泥安全處理處置的必要條件。