河道底泥处理及资源化利用研究进展*

林映津 曾小妹 谢贻冬 苏文勋毕佛春

(1.华川技术有限公司，福建 福州 350008； 2、福建省湖库流域生态修复工程研究中心，福建 福州 350008)

随着社会经济的快速发展和城镇化建设步伐的加快，大量工业、农业废水和生活污水等排入河流、湖泊、水库、沟渠等水体，造成河、湖等水体环境出现严重污染。对此，我国先后出台“水十条” 和 《重点流域水污染防治规划》 等一系列政策，加大河流及湖泊的水生态环境整治。

作为水体中各类污染的“源”与“汇”的底泥，在一定条件下，会将沉积的N、P、重金属及PAHs等污染物重新排放到水体中，对水生态环境构成严重危害，并威胁到人类日常的饮水安全等[1]。因此，对底泥的处理和处置是水生态环境整治中十分重要的一环，但目前人们在对底泥形成的内源污染方面的关注度还比较低，因此，本文从底泥的污染类型、危害及现有的修复技术和资源化利用研究等方面对泥底处理和利用进行了探讨和分析，以期为实现底泥无害化和资源化利用提供参考，减少底泥对环境的污染和对人体的危害。

1 底泥污染的类型及危害

1.1 营养物质

经过大气沉降、雨水冲刷、污水排放、渗漏等各种途径进入水体的N、P等营养物质，虽然可被水生动植物吸收一部分，但是剩下的另一部分将沉积到底泥中，并可作为内源污染重新释放到上覆水中，造成水体的富营养化[2]，使有害藻类大量繁殖，甚至发生水华事件，严重威胁河湖生态健康和人类健康。

1.2 重金属

在人为因素和自然因素影响下，被排入水体中的As、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、 Cr等重金属通过吸附解吸、絮凝聚沉、氧化还原等反应进入底泥中[9]，并与水相保持动态平衡。然而，当底栖生物或水环境参数等因素发生变化，底泥中的重金属将被释放出来，重新进入水体，造成二次污染[3]。而重金属在水体中某些微生物的作用下，可转化为毒性更强的金属化合物，同时容易沿食物链转移和富集，产生放大作用，从而产生生态风险并威胁人类健康。

1.3 有机污染物

有机污染物在底泥中通常以难降解的有机物形式存在，包括石油烃、多氯联苯、多环芳烃及有机氯农药等物质，它们对污染具有很大的释放和迁移能力。有机物不仅能够长期残留于底泥层或释放进入上覆水体，对水生生物产生毒害作用，而且对水体或底泥中的一些重金属等有毒害污染物具有吸附和络合作用，从而加剧污染物毒性和环境迁移行为[4]。此外，有机物的矿化需要消耗大量氧气，而且这一过程将释放出大量的氨氮、硫化氢、腐殖质、甲烷等物质，从而进一步加剧水质的恶化。

2 常见的污染底泥修复技术

目前，国内外常见的污染底泥修复技术主要可分为“原位修复”和“异位修复”两大类。

2.1 原位修复技术

原位修复技术是指在不对污染底泥做移除的条件下，对其进行处理，从而降低底泥对水体的污染，具体可分为原位物理修复技术、原位化学修复技术及原位生物修复技术。

2.1.1 原位物理修复技术

常见的原位物理修复技术主要有底泥覆盖技术和底泥表层曝气技术。表层曝气技术是利用各种曝气装置增加上覆水体中溶解氧的含量，提高底泥-水界面的氧化还原电位等理化环境，从而改变原有的氧化还原反应，减少污染物的释放[5]。此外，水体溶解氧的提高能够为好氧微生物的生长、繁殖提供有利条件，加速硝化等好氧生化反应，从而促进污染物的分解和有机物的矿化作用，减少厌氧产物的生成。

底泥覆盖技术则是利用沸石、砾石、河沙、改性材料等物质，将底泥与上覆水体隔离开，从而阻止氮、磷等各种污染物向水体释放。由于底泥覆盖技术操作较为简单，因此被各国广泛应用于河道治理，但是该技术将增加底泥的厚度，减小河道或湖库的水体容量，并且存在覆盖层被破坏时，原有的污染会继续向水体中释放等问题。

近年来，国内也有出现一些如原位洗脱技术、电动力学技术等较新的原位物理修复技术。原位洗脱技术是利用设备首先隔离被污染的水域，并扰动其底泥，然后将释放入水体的污染物抽走处理，处理后的水再度释放回原水体中，而被扰动翻洗的泥沙也将重新形成新的底泥覆盖层。李国宏等[6]研究表明，该技术应用于河道底泥的修复具有显著的水质改善效果。电动力学技术则是在污染底泥中施加电场，在电场的作用下，带电荷的离子(如Mn2+等金属离子)可以定向移动，从而聚集到电极附近，定期清理电极附近的底泥即可，该技术可有效降低底泥中重金属的含量，尤其适用于重金属污染的底泥处理，具有快速、高效、价低等特点。

2.1.2 原位化学修复技术

原位化学修复技术是向水体底部加入化学制剂，对底泥中的污染物进行转化或者固定，从而降低其扩散迁移能力和毒性。根据投入化学物质的作用和性质，可将该技术分为氧化还原技术、化学钝化技术和微电解技术。

化学钝化技术常用的钝化剂有铝盐、钙盐、铁盐，通过絮凝、吸附、沉淀等作用，将污染物禁固在底泥中，从而抑制氮、磷等污染物质的释放，净化水体。

微电解技术又称铁碳内电解技术，该技术利用Fe和C材料或其复合材料在水体中发生电化学反应，形成原电池，在微电场的作用下，新生态的Fe2+和H+可与多种底泥中的污染物质，特别是一些难降解的有机物发生氧化还原，使其产生断链、脱色等反应，并能够通过静电吸附作用与污染物结合形成絮凝体，将其除去[8]。

虽然化学修复技术有较高的水体净化效率，但在投加试剂及其用量上需慎重，不恰当的试剂或药量都可能对水生态环境造成不利影响，导致水生动植物死亡，甚至威胁到人类健康，因此从保护水生态安全的角度，化学修复技术具有较大的应用局限性。

2.1.3 原位生物修复技术

原位生物修复技术是利用人工栽培的水生植物或向水体中投加一些微生物来降解水体和底泥中的污染物质，其主要原理是利用水生植物或微生物的生长代谢活动，吸收、降解并转化氮、磷、重金属、有机物等污染物质，改善水体的理化环境因子，抑制有害藻类及微生物的繁殖，并促进有益微生物的生长繁殖，从而进一步促进污染物的降解和转化[9]。

水生植物修复技术通常以沉水植物和挺水植物的发达根系代谢降解或富集底泥中的污染物质，同时也为其他水生生物生长繁殖提供庇护场所，有利于水下良性环境的构建，加速水体或底泥污染物的降解转化。

微生物修复技术则是向水体中投加具有高效降解污染物作用的一些微生物，对底泥中的污染物进行降解和转化，从而改善水体或底泥的理化环境，达到净化水体的目的。

2.2 异位修复技术

异位修复技术是指利用物理机械的方法，将底泥从河道或湖库中移除，也叫底泥疏浚。底泥疏浚包括普通疏浚和环保疏浚，与原位修复技术相比，两种底泥疏浚方法都能够克服受河道或者湖库环境限制的缺点，其中环保疏浚能够综合考虑水体面临的生态环境问题，采用环保方式，避免或降低二次污染，因此在国内外被普遍采用。但由于在底泥疏浚过程中产生大量含水率高、成分复杂的底泥，将给生态环境带来严重的二次污染，因此对其进行资源化利用十分有必要。目前，常见的资源化利用包括土地利用、材料化利用、填方筑基、能源化利用及分级资源化利用等。

2.2.1 土地利用

土地利用是指将底泥应用于农业田土、林地建造、园林绿化、湿地建设以及被严重扰动过的土地修复等方面，不仅能够充分利用底泥中富含的氮、磷等营养盐，降低底泥处理的费用，而且可以缓解我国土壤资源紧缺问题，实现疏浚土的资源化和减量化。

胡育峰[10]对官厅水库的底泥作为植物培植土的可行性进行了研究，发现通过处理，原状土壤的有机质含量提高，有效补充了植物生长所需的营养物质，培育的不同种类植物生长状况良好。杨丹等[11]利用南明河水口寺河段河道疏浚底泥进行盆栽玉米试验，发现以适当比例添加疏浚底泥，能显著提高土壤养分含量,促进植物生长。

虽然底泥的土地利用具有较好的效益，但是薄录吉等人[12]对苏南村镇河道底泥的农田利用研究发现，底泥种植的水稻株高、穗数、生物量和籽粒产量均低于普通土壤，并且该底泥种植的稻米重金属复合目标风险系数值>1，表明食用该类稻米存在健康风险。因此，底泥的土地利用应根据不同底泥自带污染成分的复杂性、施用地点的土壤本底值及其他自然条件等因素确定合理的方式，以避免不恰当的土地利用带来适得其反的效果。

2.2.2 材料化利用

底泥中含有与黏土相似的一些矿物成分，可替代黏土制造水泥、砖、陶瓷、固化玻璃等建筑材料，此外，利用底泥制作活性炭等吸附性材料也是近年发展起来的一项新技术，底泥的材料化利用是一种变废为宝的资源化处理方法，并解决了底泥的二次污染问题，是一条可持续发展的新路。

2.2.2.1 制造水泥

由于底泥的灰分化学性质与黏土十分相似，因此可利用其灰分化成分代替黏土作为生产水泥的原料。水泥窑的高温能将污泥燃烧，并通过一系列物化反应，使重金属等污染物固化在水泥熟料的晶格中，实现底泥的安全处理和资源化利用。 杨磊等[13]利用苏州河底泥进行水泥熟料生产研究，该底泥所含的有机污染物和重金属污染物在水泥生产和使用中均不产生二次污染，并且符合相关标准规定。

2.2.2.2 制砖

底泥中含有大量有机物，在烧结过程中会分解并产生微孔，从而降低体积密度，提高透气性能，是制作环保砖的良好材料。目前，底泥制砖技术在国内外已得到了较好的应用，该技术融入了传统的制砖技术，主要以底泥为主要原料， 从底泥干燥工艺、 混合料配合比等方面入手，生产新型环保砖。相关的试验研究表明，这种砖不会对环境产生危害，并具有较高的实用性。陈丽等人[14]利用温瑞塘河的底泥进行制砖实验研究，发现该底泥在资源化制砖后毒性大大降低，制备的底泥砖在使用中对环境危害小，基本无毒，并且对水质具有净化作用，具有良好的生态效益和经济效益。

2.2.3 填方筑基

在一定条件下，利用石膏、水泥等固化材料对底泥进行处理，可将其固化，并且形成的固化体具有固化强度好、低透水性、不轻易产生沉降等优点。此外，还可利用轻量化及固化技术开发可再生土木工程材料，不仅可以解决环境污染问题，而且可以解决工程施工中土石等资源匮乏的问题，兼具良好的生态环境效益、经济效益、社会效益。经过固化改良后的底泥可用于堤防筑造及其加固工程、填土工程及道路路基等填方工程。武博然等[15]利用嘉兴市某20 km河道底泥进行固化改性和资源化利用，发现经固化处理后的底泥无侧限抗压强度可达209.56 kPa，液限<50%，塑性指数为15.67，金属浸出浓度< GB3838-2002中Ⅱ类水体相关限值，符合路基回填用土的性能要求。朱伟等[16]利用深圳盐田港中港区10号纳泥塘的疏浚底泥进行固化，并用于填海工程，不仅降低了底泥造成的环境污染，而且大大节省了填海所需的土石资源，具有巨大的生态环境效益及经济、社会效益。

2.2.4 分级资源化利用

近年来，也有出现了一些分级资源化利用的方法，该方法以有机物或重金属含量为主要指标，先将疏浚的底泥进行多级筛分处理，然后再将分级处理后的底泥进一步资源化利用，从而实现底泥治理的减量化和资源化目标。目前，国内外均开展了一些分级资源化的相关研究，万金柱等[17]利用美国Triflo公司的DSS2000R一体式底泥脱水干化机对广州峨眉沙岛的淤泥进行处理，使污泥含水率降低至60%，并从中分离出不同大小的颗粒用于材料化利用和填方筑基，不仅降低了固化泥块二次污染的风险，而且也降低了处理费用。此外，美国达纳森公司也研发出了一套IMS清淤泥浆脱水装置，马涛等[18]也提出了类似的污泥一体化综合处理装置及工艺，可实现疏浚底泥中砂砾等物质的回收及脱水底泥的资源化利用。

3 结束语

随着人们对生态环境保护的日益重视，河道及湖库治理技术快速推进，河湖底泥的处理处置技术也随之不断发展，其中，底泥环保疏浚及其资源化利用得到了较大发展，特别是底泥的建材化利用和填方筑基不仅能够带来生态环境效益，而且还具有较好的经济效益、社会效益，而近年来新兴的分级资源化利用技术则在对底泥先进行分级处理后进一步利用，不仅可以避免传统底泥处理产生的高能耗、二次污染风险大等问题，而且还可以大大降低处理费用，具有较好的应用前景。但底泥的资源化利用仍然有较多的技术难题需攻克，其资源化利用的具体方法也须根据底泥污染程度及类别等实际情况科学分析与选择，以达到较好的处理效果。