河道底泥中的重金属分析及其制砖研究

贾伟东， 殷娇娇

（1.南京佳的建筑设计事务所有限公司， 江苏 南京 210000；2.南京中创水务集团股份有限公司， 江苏 南京210000）

0 引言

城市河道是一个城市水环境的重要组成部分，对城市的环境及气候调节有着不可或缺的作用。然而近年来，随着社会的经济发展，越来越多的工业、农业以及生活污水不断排入城市河道中，给城市河道水环境造成了巨大的威胁。针对河道底部淤泥进行清理，是目前恢复黑臭河道水环境较为理想的处理方法。河道底泥是粘土，泥沙，有机物和各种矿物质经物理、化学、生物、水力输送等作用下在河道底部淤积的沉积物[1-3]。河底底泥中的主要污染物包括：①重金属污染如 Cu，Pb，Ni，Cr等；②氮磷有机化合物；③有机污染物等，其中重金属污染最为严重[4-5]。

底泥不恰当的处理会导致重金属等污染物重新进入水体造成二次污染，针对清出底泥如何处理成为了一大难题。河道底泥中的污染物主要包括：重金属如Cu，Pb，Ni，Cr等；氮磷有机物；持久性污染物等。目前针对底泥的处理方法有：①充分利用底泥中的有机物及养分，运用于农田、林地、市政绿化等；②将底泥进行固化做填方材料；③将底泥制备建筑材料等[6]。

充分利用底泥中的砂土、泥沙等组成部分，将底泥制作砖块是实现底泥资源化的一种处理方法[7]。但是目前针对底泥直接进行制砖研究相对缺乏，并且底泥在制砖后重金属并没有能够完全去除，充分考虑环境许可容量下的底泥制砖研究更是少之又少。因此针对南方3条河道底泥中的重金属进行分析，同时结合环境标准，探究环境许可容量下的底泥烧结砖的制备，为经济、环保地处理河道底泥提供借鉴。

1 实验材料及方法

1.1 河道水样及底泥采集

水样及河底底泥取自南方某城市A，B，C 3条城市河道，河道基本情况见表1。所取底泥放置室温干燥，去除大量杂质块后，人工破碎，用0.85 mm尼龙筛进行筛分后混匀备用。

表1 南方某城市3条河道基本情况

1.2 水样及底泥中的重金属分析

本次实验充分考虑底泥中重金属在制砖后对环境的作用，因此本次实验选取Cu，Pb，Cr，Ni 4类底泥中对环境污染影响较大的常见金属作为研究对象。底泥中的重金属分析借鉴SONG[8]的方法，并根据实验条件进行改进。将备用底泥研磨后过0.098 mm尼龙筛，称取样品于消解罐后加入HNO3与HClO4，摇匀拧紧至180℃烘箱中加热3 h。将溶液取出，移至聚四氟乙烯烧杯中并加入HF后送至加热蒸发，待烧杯中溶液剩下约3 mL时将温度调至190℃将杯中液体缓缓蒸发至近干，后定溶于50 mL容量瓶中，并加入HNO3保持溶液5%酸度。将消解液送采用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）进行金属测定。同时采用Tessier五步提取法对底泥中的重金属形态进行分析[9]。

1.3 底泥砖样制备与性能检测

本次底泥砖的采用底泥砖与辅料混合进行制备，底泥掺杂量根据3处河道底泥各自的环境许可容量。根据资料发现采用页岩搭配煤矸石的方法，可以充分利用页岩的固性与煤矸石的热值，并且一定程度上可以解决煤矸石不及时处理造成二次污染的问题[10]。因此在本次实验中，我们采用页岩与煤矸石作为制砖辅料与河道底泥混掺制砖。本次实验主要制砖步骤主要分为：①砖坯制作；②陈化干燥；③高温焙烧。实验砖坯尺寸统一压制为10cm×6cm×2cm（长×宽×高）。砖坯成型后放置室温下陈化1 d，并在陈化过程中每2 h对砖坯进行翻面，保证陈化均匀。陈化后的砖坯送至砖窑中焙烧。砖坯在砖窑中总时间为50 h，其中高温焙烧时间为4 h，焙烧温度为960℃。焙烧后的底泥砖在室温下静置1 d后待检。本次实验针对底泥砖的强度进行检测，强度检测采用时代试金集团有限公司微机控制电液式水泥压力试验机，型号为YAW-300B，实验级别为一级。

1.4 数据分析

上述分析均进行3次重复，并且每8个测定样品间采用标准样检测结果，保证测定精度。本次实验采用SPSS19.0进行数据分析和统计，并且采用单因素方差分析进行差异检测。

2 结果与讨论

2.1 河道底泥中的重金属及其形态分析

2.1.1 河道底泥中的重金属分析

本次实验针对南方某市3条河道底泥中的4类常见污染重金属质量比进行研究，调查的底泥重金属质量比结果见表2。

表2 南方某城市3条河道底泥中的重金属质量比

由表2可以看出，3条河道中的Pb质量比在199.65～229.7之间，均低于《农用污泥中污染物控制标准》中不同pH值下的限制质量比。而3条河道对应底泥中的Cu，Ni及Cr质量比分别在600.5～951.8，315.4～1 421.6，1 489.5～6 999.1之间，均高于不同pH值下的污染物控制标准质量比。并且3条河道底泥中的重金属均超过该地的土壤平均值。据现有资料发现，河道底泥中的重金属含量受到河流水质、排入河道污水种类、河水流速以及清淤频率等因素的影响，其中排入河道污水种类对河道底泥中的重金属含量影响较大[11]。化工、冶金、电镀等行业污水是河道底泥中 Cu，Pb，Ni，Cr重金属的主要来源，这类污水进入河道后，重金属在水力作用下沉积于底泥中，最终造成了河道底泥中的重金属累积。因此直接针对河道沿岸工业污水排放进行严格限制是降低河道底泥重金属含量较为有效的方法。

同时由表2还可以发现，除Pb外其余3类重金属质量比，均出现大于环境容量限值的现象。因此为了保证不产生二次污染，在底泥资源化制砖前需要对底泥中的重金属进行严格控制。

2.1.2 河道底泥中的重金属形态分析

河道底泥中的重金属形态会影响重金属在底泥资源化中的环境作用、元素迁移转化能力及生物累积毒性。根据研究，我们将重金属的化学形态分为3类：①有效态，其中包括金属的可交换态及碳酸盐态，会被当地环境植物所吸收；②潜在利用态，其中包括金属的Fe，Mn化物结合态和有机结合态，会在一定条件下转化为有效态；③不可利用态，即残渣态，几乎没有生物利用性[12]。本次实验的河道底泥重金属形态分布结果见图1。

图1 城市河道底泥中的重金属形态分布

由图1可以看出，Cu，Pb及Cr金属在3条河道底泥中主要以潜在利用态与不可利用态为主，虽然部分金属均以潜在利用态的形式出现，但是当金属所处环境发生改变时，潜在利用态的金属会被转化为有效态金属，易于被生物吸收利用，因此此类金属的环境安全性不可忽略。由图1可发现，在A河道底泥中的Ni金属的有效态比例超过了60%，具有极强直接生物有效性，并且在B，C河道底泥中，Ni金属的有效态与潜在利用态比例之和均超过了60%，也会潜在造成环境二次污染，因此Ni金属在底泥制砖过程中需要严格控制。

2.2 环境许可容量下的底泥制砖利用量分析

为了避免底泥中的重金属在制砖资源化后对环境造成二次污染，我们借鉴污水处理厂污泥制砖的环境容量要求[13]，并且结合污泥制砖混掺比小于10%制砖标准，对底泥中的重金属含量进行限制，确定环境许可容量下的底泥掺杂比例（X）。具体计算方式如下：

式中：L为金属制砖环境容量限值，见表2；W为河道底泥中的重金属平均质量比。

对比河道底泥金属质量比与环境容量质量比我们发现，各河道底泥中的Ni，Cr金属均超过环境容许质量比，而Cu金属仅B河底泥超过环境容许质量比，并且Pb金属均低于环境容许质量比。因此针对超出环境容量质量比金属我们进行计算，结果见表3。

表3 环境许可条件下底泥制砖添加比例

由表3可以看出，在各河道底泥金属中，Ni金属在环境容量下的掺杂比最低，这是因为底泥中的Ni质量比远大于环境许可容量。并且在污泥制砖过程中，Ni的潜在利用态会在高温条件下发生转化，对环境造成威胁。因此根据充分考虑金属形态与最低环境允许掺杂量原则，A，B，C河道底泥环境许可容量掺杂比分别为6.33%，2.54%，1.4%。

2.3 不同底泥砖的抗压强度对比

根据环境许可容量下的底泥掺杂量，我们将底泥与辅料混合进行底泥砖制备。本次实验采用2种混掺方式：混掺1将页岩煤矸石混料作为辅料；混掺2将页岩分作为辅料。同时我们选择城市当地普通砖块与踏脚砖块作为对比。具体实验结果见图2。

图2 不同砖样的抗压强度对比

由图2可以看出，在混掺1的条件下，A河道底泥砖的抗压强度仅为踏脚砖块强度的50%、普通砖块的25%，而B底泥砖与C底泥砖强度均高于踏脚砖的强度。在混掺2的条件下，A河道底泥砖的抗压强度高于踏脚砖强度，而B，C河道底泥砖的强度均达到普通砖块强度。B，C河道底泥受到底泥中高重金属质量比的限制，因此环境许可下的混掺量较低，而A河道底泥中金属质量比较低，因而环境许可掺杂量较大，降低了底泥砖的强度。但是相比于页岩与煤矸石混料，页岩混料拥有更强的粘结度，在与底泥混合后会与底泥紧密结合[14]，从而提高了底泥砖的抗压强度，使A河道底泥砖达到踏脚砖块的抗压强度。因此根据实验我们发现，在低底泥掺杂量下，采用页岩与煤矸石混料作为辅料可以保证底泥砖的强度与实用价值；而在相对较高的底泥掺杂量下，采用页岩作为辅料可以提高底泥砖的强度，提高底泥砖的使用价值。

2.4 环境容量底泥砖的经济及环境效益分析

传统针对底泥的快捷处理方法是就地填埋，但底泥中的重金属成分会对土壤环境造成污染。将河道底泥作为材料制砖一方面降低了河道的污染，同时另一方面实现了河道底泥的资源化，创造了底泥的使用价值。同时本次底泥砖制作充分考虑底泥中的重金属的环境许可容量，大大降低了底泥重金属的二次污染。并且低底泥掺杂比的底泥砖还可以采用煤矸石作为混料，一定程度上降低了煤矸石的处理费用，避免了煤矸石堆放的二次污染。因此将河道底泥在环境许可容量下进行制砖具有极高的经济效益与环境效益。

3 结 论

（1）不同河道底泥中的重金属质量比与形态各异，直接针对河道沿岸工业污水排放进行严格限制是降低河道底泥重金属含量较为有效的方法。

（2）根据3条河道的底泥环境许可容量分析，Ni金属对底泥掺杂量起主要限制作用，并且3条河道的底泥中的Ni金属以潜在利用态与有效态为主，因此建议将Ni作为该地入河污水水质的主要考察指标。

（3）采用页岩与煤矸石混料作为辅料可以保证在低底泥掺杂量底泥砖的强度，而采用页岩作为辅料可以提高较高底泥掺杂量底泥砖的强度，保证底泥砖的使用价值。

（4）将河道底泥，在环境容量控制制作底泥砖具有极高的经济效益与环境效益。