生態(tài)綜合整治中內(nèi)河底泥的再生技術(shù)路徑

曾海波

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

河湖庫底泥的減量化、無害化、資源化以及高效化再生處治事關(guān)全球生態(tài)環(huán)境。然而，目前世界范圍特別是發(fā)展中國家生態(tài)環(huán)保形勢依然嚴(yán)峻。城市以及工業(yè)的發(fā)展使得內(nèi)河流域受耗氧有機(jī)物、氮磷等營養(yǎng)元素污染日趨嚴(yán)重，甚至部分流域存在重金屬污染，并且成為氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的蓄積庫，水體自然生態(tài)平衡遭到破壞。現(xiàn)有河道底泥治理措施包含疏浚、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)技術(shù)等。然而，疏浚工程作為主要治理方案，雖然可以改善河流水質(zhì)，但清淤后的疏浚底泥大多采用堆放、吹填等常規(guī)處置方法，進(jìn)而導(dǎo)致不少生態(tài)破壞或環(huán)境污染問題。為解決疏浚底泥帶來的環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)底泥高效的資源化處理，論文系統(tǒng)歸納了近年來學(xué)者或相關(guān)從業(yè)者對疏浚底泥再生利用路徑中就地處理、土地利用、建材制備和路基填筑四大方面的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為城市內(nèi)河流域生態(tài)綜合整治中內(nèi)河底泥的再生利用提供技術(shù)支持。

1 就地處理

“ISER河道疏浚底泥制備生態(tài)護(hù)岸技術(shù)(In-Situ River Ecological Remediation,ISER)”是將底泥疏浚后直接以生態(tài)護(hù)坡、護(hù)岸的形式進(jìn)行處理，作為一種底泥原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)，其在河道、岸線治理工程中，具有成本低、處理速度快、對環(huán)境友好等特點(diǎn)[1]。王天馳[2]在伊通河長春市區(qū)段設(shè)立的疏浚底泥就地處理系統(tǒng)工作原理如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)行5個月后檢測表明，系統(tǒng)對底泥中氮、磷等元素處理能力較好，河柳生長狀況良好，相較填埋方式，每處理1 m3底泥約節(jié)省27.5%成本。上海崇明區(qū)ISER型示范工程[1]采用固結(jié)劑、秸稈粉、樹脂粉處理后的疏浚底泥滿足生態(tài)護(hù)岸材料目標(biāo)強(qiáng)度、密度、孔隙率等參數(shù)。該工程施工前和竣工一年后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，河道沿岸生態(tài)和水質(zhì)狀況恢復(fù)良好。

2 土地利用

土地利用是將疏浚底泥應(yīng)用于土壤中，具體包括農(nóng)業(yè)、園林及土地修復(fù)等場景。底泥中不僅氮、磷含量豐富，且富有腐殖質(zhì)，在供肥保肥的同時，可以改良土壤特性，是具有極大潛力的底泥處置方式。但是，近年來我國部分河湖底泥重金屬污染問題受到關(guān)注，因此底泥的土地利用需考慮到重金屬種類及含量對土壤、動植物、食物鏈污染的潛在可能性，必要時進(jìn)行重金屬處治。

2.1 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

薄錄吉[3]和楊丹[4,5]分析了不同比例的底泥添加對水稻、玉米和油菜生長效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，底泥能明顯提高土壤中的有效養(yǎng)分，但疏浚底泥的過量摻入反而影響了農(nóng)作物生長，故需要嚴(yán)格控制底泥用量或?qū)Φ啄噙M(jìn)行去重金屬處理后用于農(nóng)田。朱本岳[6]則將底泥以25%的質(zhì)量比摻入化肥中制備復(fù)混肥用于農(nóng)田，種植的蔬菜總量與采用進(jìn)口復(fù)合肥的蔬菜產(chǎn)量差異不大，但成本可降低19%。其中，不同肥料處理的蔬菜產(chǎn)量見表1。

表1 不同肥料處理的蔬菜產(chǎn)量

2.2 園林利用

底泥的施用促進(jìn)了黑麥草和紫花苜蓿[7]的發(fā)芽率，有利于廣玉蘭樹[8]的生長，提高了園林的觀賞價值。同時，植物對底泥中的重金屬有一定的富集作用[9]，故一般不會造成園林土壤的重金屬污染，不同植物及植物部位對底泥重金屬吸收能力見圖2。同時，園林綠化植物不會進(jìn)入食物鏈，因此也不易帶來食物鏈污染的危害。

2.3 土地修復(fù)

河湖底泥可作為人造土壤修復(fù)嚴(yán)重擾動的土地，通過改善土地中的養(yǎng)分，促進(jìn)植物生長的同時避免水土流失問題[10,11]。其中，河湖底泥制備人造土壤方式見表2。

表2 河湖底泥制備人造土壤方式

3 建材制備

底泥的礦物成分決定了底泥可以作為部分代替建材產(chǎn)品的原材料。目前，較普遍的底泥建材化處置制備的產(chǎn)品主要包括磚、陶粒和水泥。

3.1 底泥制磚

疏浚底泥中SiO2、Al2O3等成分與制磚所需原材料化學(xué)成分基本相近，故可用于制磚[12]，而采用不同摻配材料和工藝可制得不同性質(zhì)的磚。復(fù)配材料固化底泥制磚施工工藝流程[13]如圖3所示。對底泥進(jìn)行550 ℃的煅燒預(yù)處理，然后與輔料進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)可制備透水磚[14]，所制備磚符合透水性能要求且抗壓強(qiáng)度為37.5 MPa。底泥和粉煤灰組合并采取一定的工藝可以燒制瓷質(zhì)磚[15]，當(dāng)?shù)啄鄵搅吭?5%左右，燒成溫度在1 110～1 180 ℃之間時，瓷胚的性能最好。

3.2 底泥制陶粒

疏浚底泥免燒陶粒(DSUC)可用于凈水，效果與商品燒結(jié)陶粒(CSC)相差不大[16]，但免燒陶粒技術(shù)研究較少。以底泥、造孔劑、水泥為原材料燒制的底泥陶粒可安全用于水中，且在pH=6時具有較強(qiáng)的吸附磷效果[17]；控制Al2O3摻量為8.10%，并在1 025 ℃下燒結(jié)14 min后制備的底泥陶粒具有較大的孔隙[18]，將其回填入受污河流中可為金屬元素與磷酸根離子提供更多結(jié)合通道，實(shí)現(xiàn)河道污染水體治理的同時，河床面穩(wěn)定性也有所增加。

研究表明，稻殼摻量為20%的底泥基陶粒在一定的燒結(jié)工藝下具有較強(qiáng)的吸附重金屬離子能力[19]；疏浚底泥、粉煤灰、黏土按4∶2∶4的質(zhì)量比配置后可在一定溫度和時間控制下制備出輕質(zhì)陶粒[20]；而以河道底泥、污水污泥、黏土為原材料的陶粒因燒結(jié)時間的不同可用于水處理和建筑用輕骨料兩種途徑[21]。

3.3 底泥制水泥

對含有大量無機(jī)成分且重金屬超標(biāo)的河道底泥，可利用回轉(zhuǎn)窯協(xié)同處置技術(shù)生產(chǎn)水泥熟料[22]，從而降低底泥預(yù)處理成本。水泥窯協(xié)同處置河道底泥工藝流程圖如圖4所示。

經(jīng)試驗和應(yīng)用研究，摻入量為5%時的河道疏浚底泥制備的水泥熟料質(zhì)量與原水泥無明顯差異，該工藝實(shí)現(xiàn)了60 000 m3底泥的資源化應(yīng)用。

4 路基填筑

底泥經(jīng)一定技術(shù)處置后作為路基填料，具備強(qiáng)度高、不易沉降等工程效果。絮凝劑和固化劑的復(fù)配使用[23]，使泥漿的物理力學(xué)性能得以提升，其底泥改性前后性能數(shù)據(jù)見表3。

表3 底泥改性前后性能對比

周偉[24]研究發(fā)現(xiàn)水泥的摻入可有效提高疏浚底泥強(qiáng)度，并采用20%摻量水泥基固化土作為填料用于公路路基工程，效果良好。此外，開發(fā)的改進(jìn)型CAS固化劑(MCAS)復(fù)配CaO、聚合氯酸鋁PAC和CaSO4，用于改性疏浚底泥，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及塑性指數(shù)如圖5所示[25]。圖5中MCAS材料角標(biāo)為固化劑三種原料的摩爾比(CaO∶PAC∶CaSO4)。試驗結(jié)果表明，MCAS3/1/3、MCAS3/1/4固化劑與聚丙烯酰胺復(fù)摻改性后的疏浚底泥性能滿足路基回填土相關(guān)要求。

5 結(jié) 語

在城市內(nèi)河流域綜合整治過程中，清淤是最重要且高效的一環(huán)，同時疏浚底泥的再生利用也愈加受到重視。河湖疏浚底泥中存在耗氧有機(jī)物、氮磷等營養(yǎng)要素，甚至有重金屬，而底泥的再生利用路徑也因不同區(qū)域底泥中各組分含量而異，必要時需進(jìn)行脫水減量化、無害化處理后方可進(jìn)行資源化應(yīng)用。目前，我國生態(tài)綜合整治中內(nèi)河底泥的再生利用主要路徑為就地利用、土地利用、建材制備和路基填筑四大方面。其中就地利用雖具有原位修復(fù)、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢，但受到當(dāng)?shù)氐匦蔚貏莸挠绊懀瑹o法保證底泥完全二次利用；而底泥用于建材制備、路基填筑時需根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求對底泥進(jìn)行預(yù)處理，現(xiàn)有處理技術(shù)包括固定化技術(shù)、熱處理技術(shù)、堆肥法、生物修復(fù)法、電動力學(xué)技術(shù)等；底泥性質(zhì)與土壤相似，同時富有有機(jī)質(zhì)和植物生長所需氮、磷等元素，可增強(qiáng)土壤肥力，有利于受損土地修復(fù)及植被生長，且能以最低成本實(shí)現(xiàn)底泥資源化利用，故土地利用是生態(tài)綜合整治中內(nèi)河底泥的再生利用的最佳路徑，但需要重視底泥中重金屬種類及含量。