河湖底泥的来源、性质和处理处置技术——与污水厂污泥的比较

段妮娜，王磊磊，朱 勇，杨 雪

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

污泥是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质。由于各类污泥的性质变化较大，分类是非常必要的，污泥处理和处置也是不尽相同的。根据其来源，可以划分为：（1）市政污泥，也叫污水厂污泥，主要指污水处理厂的初沉污泥和剩余污泥混合物，这是数量最大的一类污泥。此外，自来水厂的污泥也来自市政设施，可以归入这一类。（2）管网污泥，来自排水收集系统的污泥，通常指排水管道养护中疏通清捞上来的沉积物。（3）工业污泥，工业废水处理站产生的污泥，一般无机污泥较多，含有生产废水中的化学成分，属于危废类。（4）河湖底泥，江河、湖泊的淤泥，通常来自疏浚工程。

随着我国城镇化水平的不断提高，污水处理设施建设得到了高速发展，污水厂污泥产量逐年升高。2015年，污水厂污泥产量已高达4 300万t（以含水率80%计）。与此同时，我国河湖众多，在许多经济发达、人口密集地区，工农业生产等人类活动导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严重污染。底泥疏浚是目前国内外治理污染河湖的主要措施[1]，随着近年来黑臭水体治理力度的加强，底泥疏浚技术的应用也逐渐增多。底泥来自疏浚工程，产生集中，量大。疏浚底泥与污水厂污泥本质上是水体或污水中污染物的富集体，若不能合理处理处置，节能减排目标将大打折扣。“十二五”以来，污泥处理处置逐渐受到重视，尤其是污水处理厂污泥，其产生过程、性质和污染特点、主要处理处置方式和资源化技术已得到环境领域相关科研技术人员的系统和深入认知。相对而言，关于河湖底泥产生、性质和处理处置措施的相关信息仅局限于从事河湖处理活动的小众科研技术人员，未形成广泛认知。而河湖底泥与污水厂污泥在产生、性质和处理处置方式上虽然不同但有相似相通之处，本文将以污水厂污泥为对比，介绍河湖底泥的来源、性质和处理处置技术，以期通过比较深化读者对河湖底泥的认识。文中关于河湖底泥的描述和数据主要来自城市污染河道或湖泊。

1 底泥的产生、组成和性质

1.1 底泥的产生

河湖底泥是黏土、泥沙、有机质和各种矿物的混合物，是无机固体和有机质的混合物经长时间物理、化学和生物作用，转化并沉积于水体底部而形成的。其中，无机固体和有机质来源于土壤侵蚀、动植物机体分解、地表径流、大气沉降、污水厂出水和溢流的污水或废水。“土壤侵蚀”和“动植物机体分解”可以看做与人类活动无关的因素，“地表径流”和“大气沉降”则体现了自然和人类活动的共同作用，而“污水厂出水”和“溢流的污水或废水”则完全属于人类活动导致的污染输入。污水厂污泥是污水中原有的悬浮颗粒、生物处理产生的微生物菌胶团，以及吸附的部分污染物组成的，是固体颗粒、病原体及溶解性污染物等经过物理、化学和生物处理后形成的固体沉淀。其中，固体颗粒、病原体及溶解性污染物来源于生活污水和部分初期雨水。可见，底泥是自然和人类活动共同作用产生的，底泥性质与所在地理区域密切相关，底泥污染状况与河道污染状况密切相关，人类因素的影响越大，其污染程度也越大；而污水厂污泥则是采用排水系统和污水处理工艺人为收集和处理污水形成的产物，几乎不受自然因素的影响。

1.2 底泥的组成和性质

在宏观组成上，底泥和污泥均由水和固体部分构成，而固体部分均可分为无机和有机两部分。疏浚底泥的含水率通常较高，80%~98%，脱水性能与底泥污染程度、有机质含量等因素相关，通常优于污水厂污泥，可通过文献中关于底泥和污水厂污泥的比阻数据大致体现出来（见表1）；污水厂浓缩污泥含水率通常为97%~99%，脱水后含水率将至75%~80%左右（底泥和污水厂污泥采用不同方式脱水后的含水率见表2）。固体部分，底泥的有机质含量远低于污泥，通常为3%~15%，通常含有腐殖质、蛋白质、脂肪、多糖，难降解有机污染物、持久性有机污染物等；污水厂污泥的有机质含量较高，通常为30%~60%，通常含有蛋白质、脂肪、多糖，少量腐殖质,糖醛酸,核酸，难降解有机污染物、持久性有机污染物等。底泥中无机质含量较高，主要组成物质为土壤的原生矿物、粘土矿物、金属氧化物、氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐、硫化物、卤化物等；污水厂污泥中无机物的主要组成物质为泥沙、金属化合物、粘土矿物等。

表1 文献中部分底泥和污泥样品的比阻值比较

表2 底泥和污水厂污泥脱水后的含水率 %

从元素组成上来看（见表3），C、H、O、N和S是构成有机物的5种主要元素,污泥中这5种元素的含量决定了其有机质含量和燃烧特性，对污泥处理处置方式的选择有一定意义。底泥中有机元素C、H、O、N和S占干基的总比例远低于污水厂污泥，表3中底泥样品的有机元素含量为13%，而污水厂污泥中这一比例为高于50%，这与底泥和污水厂污泥干基有机质比例特征是一致的。在燃烧中,C和H提供了主要的燃烧热,这两种元素的含量与污泥热值有密切联系。表3中可以看出，该底泥样品中C和H的含量均为表中污水厂污泥的五分之一。因此，从有机质利用的角度来说，污水厂污泥相比底泥更具资源化能源化利用优势。

表3 底泥和污水厂污泥干基中元素质量百分比 %

底泥虽然有机质含量少，但其无机质的矿物组成和性质较接近黏土。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O和K2O均在粘土矿物化学组分之内。其中SiO2与Al2O3含量之比约为4，与蒙脱石的矿物化学组成相似。与污水厂污泥相比，底泥具备替代粘土作为原料进行资源化利用的潜在优势（见表4）。

从营养元素含量来看，底泥的N、P含量远低于污水厂污泥，其富营养程度与所在水体的富营养污染密切相关，因此不同水体底泥中营养元素含量差别较大；而污水厂污泥是一种高有机质、高氮、高磷,而相对低钾的物料，有机质和主要养分含量通常达到一般土壤的10倍以上。底泥和污水厂污泥中营养元素含量对比见表5。

涉及到具体的组成物质，腐殖质是比较能反映底泥或污泥有机质的物理-化学-生物转化过程的物质，故以腐殖质特征为例进行比较说明。有机质的腐殖化程度与腐殖化时间和微生物活动密切相关，相同区域的底泥和污水厂污泥，底泥和污水厂污泥，污染物来源较一致，有部分同源有机质，故两者的腐殖化过程具有一定相似性；在腐殖化过程中，由于污水厂处理污水的工艺和时间与河湖水自然净化过程存在差异，从而引起腐殖化时间和有机质在腐殖化过程中对氧的获得难度的差异。因此，底泥和污泥在腐殖质的官能团特征方面会有一定的对比规律。例如，波兰学者Polak对同一地区某河湖底泥与污水厂污泥的腐殖酸进行了提取，并比较了其光谱和物化特性[22]。红外光谱结果显示，主吸收位置相似，主要分布在频率为3 400 cm-1（氢氧键O-H），3 000~3 100 cm-1（不饱和芳环C-H伸缩振动），2 900 cm-1（脂肪链C-H伸缩振动），1 625 cm-1（COO-对称伸缩振动），1 540 cm-1（C=N，酰胺Ⅱ带伸缩振动），1 030 cm-1（芳香族醚或or the硅氧Si-O键伸缩振动），500 cm-1（Si-O-Si弯曲振动），但官能团吸收强度不同（见图1）。说明两者含有的主官能团是基本相同，但整体含量和某些种类有差异。在频率1 250 cm-1（酰胺基或醚）、1 440 cm-1（CH3,酚类的OH,COO-或邻二取代的芳香环）和1 720 cm-1（羧酸的C=O），污水厂污泥的吸收峰明显较高，而底泥则峰值较低或没有吸收峰，表明底泥腐殖化过程中氧的参与较少。

表4 底泥和污水厂污泥干基矿物组成对比 %

表5 底泥和污水厂污泥营养元素的含量 g/kg/%

图1 同一地区底泥和污水厂污泥的腐殖酸红外光谱

底泥中的污染物也体现了类似的特点，即与污水厂污泥种类相似，含量较低。以重金属和持久性有机污染物为例，底泥的重金属污染状况与流域的人口、经济、工业、矿业等情况密切相关，样品间差异较大[23]。整体上，重金属含量低于污水厂污泥，土地利用的风险较小。污泥中的重金属占干基0.5%～2.0%，某些达到4.0%。Zn，Cd，Hg，Cu，Ni超标较严重[15,24]。对于持久性有机污染物如多环芳烃（PAH），多氯联苯（PCB），溴系阻燃剂，内分泌干扰素等，持久性有机污染物主要来源于化工生产中氯化过程排放的废水和废气、杀虫剂等农药的农业污染、有机氯垃圾的焚烧,含PCB的垃圾等不恰当的处理处置。对比污水厂污泥中和河湖底泥中的持久性有机污染物含量，发现污水厂污泥中的PAH、酚类内分泌干扰素含量均比底泥高一个数量级[25,26,27]。底泥中持久性有机污染物主要来自污水/污泥处理系统的出水，其余多来自面源污染。

2 底泥的处理、处置与资源化

底泥与污水厂污泥属于同一类固体废物，其处理处置的原则同为减量化、无害化、稳定化和资源化。其处理处置技术广义上均包括原位处理和异位处理两大类。

2.1 原位处理

河湖底泥的原位处理主要包括重金属原位钝化、底泥原位覆盖、生物修复和深层曝气等技术，多用于污染较轻的水体。其中，关于原位钝化的应用性报道较少。原位覆盖、生物修复和深层曝气均有广泛应用。原位覆盖技术多采用细砂、粘土、细砂、粉煤灰、钙质膨润土等进行底泥与水体的物理阻隔。1984年华盛顿西雅图Duwamish航道覆盖沙子；1999巢湖市环城河河道疏浚后覆盖细沙。深层曝气技术的应用案例有英国泰晤士河，德国柏林河，北京清河，上海绥宁河，福州白马支河等。污水厂污泥的原位处理多为原位减量技术，利用污泥隐性增长、内源代谢、解偶联代谢和生物捕食等原理，从源头上减少污水处理过程中污泥的产量。随着近年来污水和污泥处理处置以“资源化”为指导逐渐成为趋势，污水处理过程中污染物充分富集和回收成为研究热点，“原位减量”技术工程化应用较少。

2.2 异位处理

当前，我国污水和污泥处理的主流模式还是集中式末端处理模式，即污泥产生后收集起来再进行减量化、无害化、稳定化或资源化处理处置。河湖底泥和污水厂污泥的处理处置路线见图2。

图2 河湖底泥和污水厂污泥的处理处置路线

环保疏浚则是经济有效又比较彻底的治理方式，也是河湖底泥污染治理的主流方式，我国南方地区的滇池、洱海、太湖、玄武湖、西湖，以及北方地区的官厅水库、大沽河等，均开展了环保疏浚工程。疏浚过程中必然产生大量的疏浚底泥，并且底泥含水率高，给后续处理处置带来诸多不便，因此，疏浚底泥常见处理路线的首要环节是进行脱水，将含水率降低至75%以下，实现体积减量。然后视后续处理处置工艺的选择进行一定程度的干化处理。对于污染较严重、重金属超标的底泥，通常进行重金属固化稳定化处理，或焚烧后进行相应处置。对于污染较轻的底泥，视其污染特性和泥质性质进行资源化处理或综合利用。由于底泥无机质比例较高、有机质比例较低，底泥的处理着重考虑无害化和无机质的资源化。

相比之下，污水厂污泥的有机质比例较高，因此，污水厂污泥的处理处置在考虑无害化的前提下，着重考虑其稳定化和有机质的回收利用。如图2所示，底泥和污水厂污泥的减量化和无害化处理方式相同，主要区别在于资源化处理处置方式，体现了“因质处理”。

从泥质特性和主流处置方式上来说，底泥性质与土壤较相似，污水厂污泥稳定后的组成（如腐殖质、营养元素等）和性质也具备土地利用潜力。因此，无论是河湖底泥还是污水厂污泥，土地利用都将是其重要处置方式。

3 展望与结语

随着近年来环保要求和排放标准的提高，底泥和污水厂污泥的处理处置越来越受重视。在当前资源能源紧缺、环境容量有限的大背景下，不论是河湖底泥还是污水厂污泥，以“资源化”为导向，无害化、稳定化的同时实现物质能源的最大化回收利用将是其处理处置的必由之路。河湖底泥与污水厂污泥同属于城市污泥，其来源、组成、性质和处理处置方式具有一定相似性和相关性。污水厂污泥中物质和能源的回收已得到广泛关注，开展了较系统的研究和实践。相对而言，河湖底泥的资源化处理处置尚未打开局面。针对底泥的组成和性质特点，对其综合利用技术进行标准化研究和推广，使底泥处理时有依据、有方法、可实现产业化，是实现我国污染底泥安全处理处置的必要条件。