河道底泥处置与资源化利用的研究进展

李 彪 华绍广 裴德健 李书钦

（1 中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司 安徽马鞍山 243071 2 国家金属矿山固体废物处理与处置工程技术研究中心 安徽马鞍山 243071）

引言

河流作为水的承载体，承担着自然界的水循环，同时也伴随着人类文明的发源。而随着经济和社会的快速发展，工业和城镇化建设的加快，随之而来的水污染也愈加明显。大量的工业废水和生活污水排入河流，其中夹带的污染物和泥沙会沉积在河底形成底泥。随着时间的推移，河床上沉积了Cr、Cd、Pb 等危害严重的金属离子及富含N、P 的污染物，而这些污染物在水生环境改变时会再次进入上覆水，危害水体，成为水体的内源污染，并且底泥中有机污染物被厌氧微生物分解使得河水变为黑臭水体[1]。

河道底泥中的主要污染源有营养物质、重金属以及有机物：底泥中N、P 等营养物质部分被水生植物吸收利用，剩余部分则会进入上覆水使得水体富营养化，形成水华现象，威胁生态系统[2]；河道中常见的重金属有Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、As、Ni 和Hg 等，在自然和人类活动影响下，多种重金属进入水体，经过长期的累积，使得底泥中重金属污染更为复杂，而底泥中的重金属又会在某些情况下重新进入水中，形成二次污染，并会通过食物链进入生物体内，损害生物健康，进而威胁生态的安全；底泥中难降解的有机污染物有石油烃、多环芳烃、农药、塑化剂等,这些有机污染物主要来源于化工生产、化石燃烧、农业生产等[3]，对水生生物及周围生态危害严重，并可通过物质循环进而危害到整个生物圈。因此，河道底泥的处置与资源化利用迫在眉睫。本文对河道底泥处置与资源化利用进行了总结，如图1所示，并对河道底泥的利用进行了展望。

图1 河道底泥处置及资源化利用

1 河道底泥的处置技术

根据河道底泥处理位置的不同，河道底泥的处置方式分为原位处理技术和异位处理技术。原位处理技术是指在原位就地通过多种技术手段处理底泥，以减少其危害。异位处理技术是通过疏浚清淤，将底泥挖出来转移到特定场所进行后续无害化处理[4]。

1.1 原位处理技术

1.1.1 底泥覆盖技术

底泥覆盖技术是利用沙砾、淤泥、沸石、砾石等物质组成封盖，将底泥与水体隔离，进而阻断污染物向水体的迁移。通过底泥覆盖技术，将含有污染物的底泥封存起来，避免了水体对底泥的扰动，同时也抑制了底泥中污染物的释放。利用底泥覆盖技术可有效阻断底泥中的污染物，而且能有效抑制底泥中重金属和有机污染物在水体中的迁移和扩散。此技术在污染严重且流量较小的水体中应用较广[5]。

在底泥原位处置技术中，底泥覆盖技术阻断了底泥污染物的释放，但是在施工中会对水体造成一定扰动，影响水生环境，而且覆盖层处于水流中，其时效性难以保证，一旦覆盖层失效，底泥中的污染物则会继续危害水体。

1.1.2 化学修复技术

化学修复是利用添加剂能与底泥中污染物发生反应，从而实现河流的净化处理。原位化学钝化技术是利用加入的钝化剂，通过吸附、沉淀的作用，降低污染物浓度，从而实现水体修复，常用的化学试剂有硝酸钙、氧化钙、聚合氯化铝、氯化铁、硫酸铁等[6]。虽然化学修复技术效果显著，有较高的水体净化效率，但在试剂选择及添加量上要注意，不适宜的试剂或添加量都会对水生生物造成毒害，引起水生环境的动荡，甚至对人体造成严重危害，因此化学修复技术的应用受到地域的限制。

1.1.3 生物修复技术

生物修复是指通过水生植物或微生物富集底泥中污染物，从而达到净化水体的效果。生物修复技术包括微生物修复技术和植物修复技术，微生物修复技术利用微生物菌或微生物电化学系统，来吸收降解污染物，净化水体，添加的微生物有好氧型、厌氧型、兼性型等菌种。植物修复技术是利用水生植物吸收和富集某些化学元素，依靠植物直接吸收和降解底泥中污染物，同时植物与微生物的共生关系，对污染物的降解也十分有效[5]。例如芦苇根系分泌物改善了根际周围的环境，促进微生物对有色溶解性有机质的吸收降解，降解后的低分子有色溶解性有机质又可以被芦苇吸收利用，从而实现了有色溶解性有机质的净化[7]。

生物修复技术去除污染物过程相对安全，不过所采用的水生植物和微生物对水生环境存在的入侵性需要预先确定，防止对当地水生态造成破坏，所以生物修复的应用范围也受到地域限制。

1.2 异位处理技术

异位处理技术主要是指疏浚技术及疏浚后底泥的处理技术。通过机械方式移除河流湖泊底泥，再对疏浚底泥进行处理，以减少底泥中污染物。

底泥异位处理中，早期的填埋处理应用十分广泛，据调查统计，我国卫生填埋处理技术的应用比国外广泛，占31.03%，而在2005 年时欧盟各国只占17%。填埋处理技术对于底泥脱水技术和填埋场防渗层的要求较高[8]。填埋技术又分为直接填埋和处理后填埋，直接填埋后的河道底泥随着时间逐渐地稳定化，然而这段时间将达到几十年，所以填埋场区域的污染是持续性的。处理后填埋会将疏浚的底泥通过化学或生物方法处理，达到填埋要求，而由于不同区域的河道底泥性质不尽相同，即使同一河道，其上游和下游底泥中的污染物含量也是不同的，这就导致了填埋前的处理需要耗费大量的人力、物力，而且处理后底泥重金属的固化稳定性也难以保证，所以填埋方式处理河道底泥的环境风险依然存在。

2 河道底泥的资源化利用

2.1 土壤增肥与修复

土壤增肥与修复主要将底泥应用于农林、园林绿化和金属矿物废弃土地等方面，不仅能够合理利用其中丰富的N、P 等生物所需物质，解决底泥处置问题，而且可以缓解我国土壤资源紧缺问题，实现疏浚底泥的减量化和资源化。

在满足《土壤环境质量标准》（GB 15618-1995）和《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284-84）下，疏浚底泥可以用于土壤增肥与修复。杨星等[9]研发了一套底泥无害化处理技术，将脱水后的黑臭水体底泥与辅料和菌剂混合进行兼氧发酵，发酵后的腐熟料添加当地禽畜粪便堆肥产物，用来制作园林绿化的肥料，堆肥后的养分提升约30%，含水率降至22.12%。杨丹等[10]以贵阳市南明河底泥为原料，研究了不同添加量疏浚底泥对土地质量的影响，结果表明，河道底泥的掺入能改善土壤的持水性，提高土壤养分，但底泥和土壤混合比例达到1:1 时，全量Cd 含量超过了标准，有效态Cd 含量也很高，土壤微生物量减少。

在底泥土壤增肥与修复中，重金属和有毒有机物的残留限制了其应用范围，所以其在园林绿化中应用较多，而且利用底泥去除重金属的时效性需要进一步探究。虽然底泥的掺入能改善土壤质量，但需要注意掺量，因此底泥用于土壤增肥应根据不同地域底泥自身特性和土壤性质选择合理方式。

2.2 工程应用

通过改良底泥含水量高、强度低的性质,使其适合于工程要求。固化处理后的疏浚底泥，可代替砂石和土料使用。与一般的土料相比,固化土具有不产生固结沉降、强度高、透水性小等优点，除可以免去进行碾压、地基处理外,有时还可达到普通土砂所达不到的工程效果[11]。处理后的底泥主要应用在路面工程、堤防工程及市政绿化工程等。

Yoobanpot 等[12]研究表明，添加10%粉煤灰和7.5%水泥能够有效稳定化底泥，作为路面材料表现出最佳性能，而且经济性相比于常规泥土材料提高了1.5倍。然而也有研究[13]指出粉煤灰的添加量增加到15%时，底泥依然表现出最佳性能。河道底泥除了应用在道路工程中，还可以用于制备生态护岸等筑堤工程。田旭等[14]在上海崇明区向化镇利用ISER 技术建造了生态护岸，该护岸以当地河道的疏浚底泥为原料，加入适量添加剂，建造了约1.6km 的护岸，使用1 年后，效果如图2 所示。河岸植被覆盖度提高，边坡的水土保持能力提升，而且水质改善明显，水体透明度上升75%，总氮和总氨含量下降12%左右，重金属含量符合V 类以上水质标准，通过崇明区示范工程验收，实现了疏浚底泥无害化和资源化利用，同时避免了环境污染。顾向阳等[15]在上海崇明区港沿镇60m 河道，基于固化和稳定化的底泥，建造了生态护岸，在90d 内护岸的平均抗剪切强度为310.9kPa，浸出毒性符合《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3-2007）的III 类水标准，河水pH 稳定在弱碱性，周围生态逐渐恢复，效果如图3 所示。

图2 崇明区向化镇生态护岸施工前后对比图[16]

图3 崇明区港沿镇生态护岸施工前后对比图[15]

处理后的疏浚底泥作为路基材料或修建生态护岸具有良好的应用前景，但需要对疏浚底泥进行脱水、稳定化等预处理工作，所以处理成本会增加，而且其中的重金属或有机污染物稳定性能否长久有效还需要深入研究，此外底泥中无机盐含量也需要监测，以避免周围土地的盐渍化。

2.3 建材化利用

河道底泥在建筑材料生产中可以代替天然粘土材料生产瓷砖、陶粒等[16][17][18]，在此过程中，有机污染物会分解掉，其挥发有利于形成多孔建筑材料，而底泥中的碳质会强化还原效果，降低烧结温度，同时底泥所含的重金属会被固化稳定。章泓立[19]以河道底泥和城镇污泥为原料在高温下进行小试，在1175℃下，原料配比以河道底泥：粘土：废弃泥浆：污水污泥为47:17:16:20烧制的陶粒，各项性能指标最好；同时中试实验在1200℃下，以河道底泥：印染污泥：桑田地腐殖土为40:47:13 的配比烧制的陶粒筒压强度达到1.3MPa，且企业的制备成本节省近50%。Xu Y 等[20]评估了使用城市河道底泥作为生产高绝缘砖主要原材料的可行性，实验结果表明，以底泥烧制的砖形成了高孔结构，所以其导热系数要比粘土砖下降约40%，并且在1050℃下烧制的添加50%城市河道底泥的砖块表现出更优良的特性，符合GB 5101-2003 对普通砖块的要求，且不会产生二次污染。

结语

目前已对河道底泥进行了大量的研究工作，对于底泥的特性也研究得十分清楚。河道底泥含水率高，并混有有机污染物及重金属离子，针对这些特点，学者们也提出了相应的解决措施，如加入絮凝剂提高其脱水能力、煅烧去除有机物等。

底泥异位处理中最常用填埋和焚烧两种原始方法，虽然这两种处理方式操作简单，投入资金相对少，但对环境的二次污染十分严重，例如填埋后底泥中所含污染物的渗出，焚烧则会产生二噁英等有害气体，这违背了环保要求，并且造成了资源的浪费。相比来说，对于底泥的建材化利用是行之有效的方式，通过烧结去除了有机物，并且稳定固化了重金属，在有效利用底泥的同时还节约了砖、陶瓷材料、水泥等建筑材料的制造成本。由于底泥成分复杂，并且存在地域差异，所以河道底泥的利用要针对所处地区的底泥特性，结合当地发展特色来选择合理的利用方式，保护当地生态环境的同时促进地区经济发展。