坪山河河道淤泥资源化利用探索

聂怀军 ，王 浩 ，牛存稳 ，江 东 ，贾仰文 ，李岚峰 ，陈 松

（1.佛山水木金谷环境科技有限公司，528225，佛山；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京；3.水安全与水科学协同创新中心，210098， 南京； 4.中建水务环保有限公司，100037，北京）

一、坪山河老河道淤泥资源化处置需求

坪山河位于深圳市东北部坪山区，干流全长24.7 km，从西南至东北纵贯坪山区全境，在深圳市境内流域面积为129.4 km2。 老河道位于坪山河干流中下游，西起墩子河河口，东至狮子岭，河道全长3.42 km。 由于城市化进程加快， 河道两岸盲目开发，河岸的填土、堆土没有采取任何水土保持措施，出现了水土流失现象，泥沙被冲入河道，使河水含沙量增加，导致坪山河流域河道淤积量相应增加，河道黑臭严重，急需开展清淤整治工作。

为探索河道淤泥资源化利用，遵循减量化、 无害化和资源化原则，在坪山河开展了河道淤泥制免烧砌块技术研究，工艺流程如图1 所示。 淤泥免烧砌块经过质量与环境安全评估后在坪山河湿地公园铺装应用。

二、淤泥无害化处理方案

开发淤泥中重金属“钝化稳定—混凝土固封”处理技术，实现坪山河淤泥的安全资源化利用。 针对坪山河淤泥中砷离子和铜离子含量较高的情况，开发“钝化稳定—混凝土固封”双重钝化—固封技术无害化处理淤泥，将可溶出的砷、铜离子转化为不可溶出的稳定态，确保免烧砌块的环境安全性。

1.坪山河淤泥样品取样和检测

在全河段范围内布置10 个采样点，采集淤泥样品10 份，进行淤泥中重金属浸出检测和淤泥主要矿物成分分析。

采样完成后对淤泥样品进行检测， 检测方法参照深圳市地方标准《河湖污泥处理厂产出物处置技术规范》（SZDB/Z 236—2017），检测结果数据见表1。分析检测数据可知，所有淤泥样品浸出液中重金属浓度低于国家标准《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）中重金属浓度限值，因此不属于危险废物，可按照一般淤泥进行处置。 但是需要注意的是部分淤泥样品中砷离子和铜离子含量较高，需要对这两种重金属离子进行钝化稳定处理。

2.淤泥无害化处理工艺

第一步选用生石灰、氯化铁对淤泥进行沉淀化稳定处理。 通过生石灰调节泥浆pH 到10.5 左右， 利用水中O2将 AsO33-氧化成 AsO43-， 并且促使Cu2+在碱性环境下沉淀；再利用FeCl3电离出的 Fe3+离子， 与 AsO43-生成FeAsO4沉淀。 反应方程式如下：第二步通过水泥固封重金属离子。 在资源化环节，分散的淤泥颗粒被水泥包裹，水泥利用淤泥中的水分开始水化反应生成C-S-H 凝胶，CS-H 凝胶通过包裹、吸附、层间置换方式二次固封重金属离子。

图1 淤泥资源化利用工艺流程图

表1 淤泥中重金属离子检测结果 （单位：mg/L）

3.淤泥免烧砌块中重金属浸出检测

将经 “钝化稳定—混凝土固封”技术处理后制得的淤泥免烧砌块，检测其浸出液中污染含量， 结果见表2中免烧砌块A 与免烧砌块B 数据。更进一步，为了验证淤泥免烧的长期环境安全性，将同批次生产的淤泥免烧砌块室外露天外置两年后，再检测淤泥免烧砌块中重金属离子浸出情况，检测结果见表2 中免烧砌块2C 与免烧砌块 2D 数据。 对照表 1 和表 2 可以得出：经“钝化稳定—混凝土固封”技术处理后，淤泥中砷、铜离子被很好地稳定固封，淤泥免烧砌块浸出液中重金属离子指标达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水限值要求。 而在露天放置两年后，免烧砌块浸出液中重金属污染物浓度没有发生明显变化，证明淤泥免烧砌块长期环境安全性可靠。

三、淤泥免烧砌块试验研究

1.淤泥免烧砌块配方优化

坪山河淤泥制砌块试验前， 对坪山河脱水淤泥的矿物成分进行检测，分析方法参照 《土壤和沉积物无机元素的测定波长色散X 射线荧光光谱法》（HJ780—2015）中规定的方法。淤泥成分检测结果见表3， 结果显示：4 个脱水淤泥样品中无机矿物占比基本在90%以上， 主要成分为 SiO2、Al2O3，有机质含量在10%以内。 坪山河淤泥超过80%的成分为SiO2和Al2O3，其可以在水泥的碱性环境下被激发生成胶凝产物，通过胶结产生力学强度，因此可以用于免烧结制砌块。

综合考虑了淤泥成分分析结果、淤泥含水率和建材强度需求，设计了5 组坪山河淤泥制砌块实验配方，具体配方见表4。 实验中用于测试的淤泥免烧砌块规格为200 mm×100 mm×60 mm。 淤泥抗折强度、抗压强度等采用国标《混凝土路面砖》（GB/T28635—2012）中的规定检验方法。

从淤泥免烧砌块强度与淤泥掺量关系图上可以发现，在一定范围内（0～350kg/m3）随着脱水淤泥掺量增加，淤泥免烧砌块强度不仅不会降低， 反而会有所增加。 当淤泥的掺量在350～500 kg/m3时，随着脱水淤泥掺量继续增加，淤泥免烧砌块强度缓慢降低。当淤泥的掺量超过500 kg/m3时，随着淤泥继续增加，免烧砌块强度急剧降低。因此， 综合考虑到淤泥免烧砌块的强度和淤泥资源化利用效率， 在后续的研究与生产中均选用配方2 （脱水淤泥掺量 500 kg/m3）。

2.淤泥免烧砌块抗硫酸盐侵蚀耐久性分析

通过混凝土抗硫酸盐侵蚀试验来评价坪山河淤泥免烧砌块的耐久性。 淤泥免烧砌块抗硫酸盐侵蚀试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中规定的方法进行。 淤泥免烧砌块抗硫酸盐侵蚀试验数据见表5。淤泥免烧砌块硫酸盐侵蚀后与硫酸盐侵蚀前抗压强度比为90%，超过标准规范要求，淤泥免烧砖抗硫酸盐侵蚀耐久性合格。 淤泥免烧砌块表现出的良好抗硫酸盐耐久性，可能是因为淤泥的掺入提升了免烧砌块的密实度，降低免烧砌块内部孔隙率，使得侵入免烧砌块内部硫酸盐量减少。

3.淤泥免烧砌块微观结构表征

使用扫描电镜对养护28 天后免烧砌块进行微观结构分析，可以看出，在放大1 000 倍的电镜图下， 淤泥免烧砌块断面结构致密、完整。

四、淤泥免烧砌块在坪山河整治中的应用

在坪山河整治过程中，通过将淤泥无害化处理、脱水、微颗粒分散、免烧结制砌块、 砌块资源化利用连为一个整体，实现淤泥的安全、低成本、 高效资源化利用， 全过程无废气、废水、废渣排放，经济效益和生态效益显著。

1.淤泥免烧砌块生产设备及工艺

淤泥制免烧砌块工艺中，淤泥搅拌分散设备选用LIEBHER 行星式搅拌器，搅拌器容积1.0m3；淤泥免烧砌块成型设备选用HESS 510 型成型主机，每一天两班可以生产200 m3淤泥免烧砌块， 即资源化处置80 m3脱水淤泥。

在普通混凝土免烧砌块生产过程中，需要外加一定量水为水泥的水化反应提供条件。 坪山河脱水淤泥含水率在30%～45%，在淤泥免烧砌块生产过程中，团队创造性的直接利用脱水淤泥中剩余水作为水泥水化反应的水分，利用水泥水化反应竞争夺取淤泥中的水分，实现整个生产工艺不外加任何水，有效降低淤泥混凝土砖的水灰比。 淤泥免烧砌块生产工艺全自动化，通过传输皮带将自动称量好的脱水淤泥与粗骨料输送至搅拌器内混合搅拌60 秒， 利用粗骨料之间摩擦碰撞分散脱水淤泥，再加入称量好的细骨料和水泥，混合搅拌45 秒，再经成型设备高频振动压制成型。

2.淤泥免烧砌块生产及应用情况

坪山河老河道总共8.4 万 m3水下淤泥， 清淤脱水后得到约1.6 万m3脱水泥饼。 脱水淤泥处置方案采用0.2 万m3脱水淤泥制免烧砌块和1.4万m3脱水淤泥原位制工程土两种资源化方式， 资源化生产合计0.5 万m3免烧砌块和1.4 万m3工程土，资源化生产的淤泥免烧砌块和工程土全部用于坪山河湿地公园建设。

表2 免烧砌块中重金属离子检测结果 （单位：mg/L）

表3 坪山河淤泥矿物组成分析 （单位：%）

表4 坪山河淤泥免烧砌块配方 （单位：kg/m3）

表5 免烧砌块15 次硫酸盐侵蚀循环试验结果

3.经济效益分析

通过对坪山河8.4 万 m3清淤底泥全量资源化利用，无淤泥外运，为工程节省了上千万元工程费用。 深圳辖区内淤泥外运填埋处置， 含运费淤泥处置成本不低于 400 元/m3， 坪山河1.6 万m3脱水泥饼全部填埋需要花费640 万元。 另外，将淤泥免烧砌块和工程土产品回用于坪山河建设， 节省了近500 万元材料费用， 因此淤泥资源化制免烧砌块经济效益显著。

五、总结和展望

本文通过对淤泥矿物组成分析和淤泥污染物浸出分析， 针对性开展淤泥中砷、铜重金属固封技术研究； 通过配方优化和工艺改进，优选出淤泥免烧砌块中最佳淤泥掺量；系统表征淤泥免烧砌块微观结构，并深入分析淤泥免烧砌块耐久性和环境安全性；开展坪山河淤泥制免烧砌块大规模工程应用，将淤泥免烧砌块回用到坪山河湿地公园建设。 本研究项目旨在通过淤泥制免烧砌块基础研究和工程应用，为国内外黑臭水体整治过程中淤泥的处置难题提供解决思路。 成果总结如下：

①开发了淤泥“钝化稳定—混凝土固封”无害化处理技术，创新了淤泥免烧砌块生产工艺。 本研究在生产应用中，淤泥免烧砌块中脱水淤泥的掺量达到22.7%， 免烧砌块强度达到53MPa，同时环境安全性好，具有很大的实用价值。

②通过电镜观察和抗硫酸盐侵蚀实验，验证了淤泥免烧砌块具有优良的强度和耐久性能。

③坪山区位于粤港澳大湾区核心地带，经济发达，土地资源宝贵，本项目是国内第一个成功实现规模化淤泥制免烧砌块工程案例， 经济效益和社会效益显著，具有良好的示范效果。

④淤泥制免烧砌块资源化利用，既可以节省淤泥填埋用地，为发展留出空间，又可以减少建材行业对天然砂石的消耗，降低碳排放。