河湖生态清淤及淤泥固化一体化技术应用研究

唐雨卉，程润喜，徐 杨

（1.皖江工学院，安徽 马鞍山 243000；2.路德环境科技股份有限公司，武汉 430000；3.金陵科技学院，南京 211169）

0 引言

淤泥在静水或者缓慢水流环境中沉积，并经生物化学作用形成，是天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5 的黏性土[1]。降雨径流携带了大量的泥土杂物以及生活垃圾，随着水动力条件逐渐降低，一些重量较大的悬浮物逐渐沉入河道和湖泊底部，日积月累形成大量的水下沉积物，这就是淤泥。一方面，淤泥淤积河道、湖底，抬高河床，甚至影响河流、湖泊和港口等水利工程的蓄水防洪、航行运输等功能；另一方面，淤泥会对河（湖）水造二次污染，恶化水质，严重影响周边居民的生活。

据统计，全球每年有数十亿立方米淤泥需要处理[2]。我国湖泊河道的淤泥量每年高达7000 万m3，加上城市下水道疏浚淤泥，每年的淤泥量超过1 亿m3[3]，有的河道淤积深度达1～2 m，需定期进行疏竣。1998 年，上海市张家浜河道开始分段整治，历时4 年，疏浚河道，营造更加和谐、生态的水环境；2020年，江苏省泰州市城区河道清淤某标段项目采用生态清淤、淤泥固化技术进行治理，促进了城市河道水环境的恢复[4]。2022 年，山西省临汾市全面启动汾河河道清淤工作，对洪峰过境后遗留在河道内的沉积物和淤泥进行大规模疏浚清淤工作，改善城市水系生态环境，提高河道行洪排涝能力；2023年，浙江省宁波市海曙区对5 条城区河道实施清淤疏浚工作，总长约7.78 km，改善城市水环境质量，打造良好生态环境。

天然状态淤泥含水量高，力学性质差，无侧限抗压强度小于50 kPa，含有大量有机质及污染物，在工程上不能直接利用。如何有效处理及利用淤泥对环境保护及生态修复具有特别重要的意义。

1 淤泥资源化处理理念

河湖淤泥处理方法较多，主要有投海法、卫生填埋法、焚烧法、污泥堆肥法、厌氧消化法、干化资源法[5]。其中投海法、卫生填埋法、焚烧法容易产生二次污染；污泥堆肥法需要占用大面积土地；厌氧消化法、干化资源法虽然能杀死病原体，但是能耗大、成本高。填埋、倾倒等传统淤泥处理处置方式不仅成本高，且对周边环境造成污染等问题[6]。

目前，淤泥资源化理念得到广泛认可。在淤泥中掺入固化材料，通过搅拌混合使固化材料和淤泥发生物理化学反应，从而改善淤泥性质，使其成为可利用的资源[7]。张志勇等人认为，疏浚淤泥最好的处理方法是将其转化为土工或建筑材料进行再生利用[8]；欧美国家也提出了采用固化处理淤泥的方法，且将固化处理后的淤泥用于建筑工程中，如用于填筑路基、制作砖块等建筑材料。淤泥固化逐渐成为有效处置大量淤泥的首选方法[9]。

对淤泥的资源化处理基本分三个阶段进行。一是脱水处理，即通过压缩、排水等方法减小疏浚淤泥体积，易于后续处理；二是固化处理，即利用固化剂与土粒在水环境下发生物理化学反应，增强土颗粒之间的胶结强度，对污染成分进行无害化处理；三是资源化处理，即脱水、固化处理后的污泥变为可以利用的资源。淤泥固化是资源化处理的关键环节。

2 淤泥固化处理技术

国内外淤泥固化的处理方法主要有物理脱水法、高温烧结法、化学固化法等。物理方法可以降低底泥中的含水率，但不能有效去除底泥中的重金属等污染物；高温烧结需要长距离运输淤泥至固定工厂内进行，化学方法是向淤泥中添加固化剂，可有效清除底泥中的污染物，该方法简单易行，应用广泛。

固化剂的种类较多，常用的有水泥、石灰、矿渣等，近年来许多学者开始研发新型的环保固化剂，以实现资源高效利用和绿色低碳发展。

2.1 以水泥作为单一固化材料

国内外学者以水泥为固化剂，分别研究了水泥掺量以及固化淤泥含水率与淤泥固化土强度的相关性。

（1）水泥掺量对固化土强度的影响。谢珂等[10]对淤泥固化土进行无侧限抗压强度以及微观特性进行实验研究，结果表明，水泥掺量达到10%时，淤泥固化土强度可达到136.5 kPa。胡中威[11]以武汉东湖淤泥为实验对象，水泥掺量超过6%后，CBR（加州承载比）增长效果显著，水泥掺量的增加对东湖水泥改性淤泥固化土的强度有很大积极影响。实验表明，水泥掺量对固化土的无侧限抗压强度影响最大，且随着水泥掺量的增加，强度显著增加[12-13]。

（2）淤泥含水率对固化土强度的影响。丁建文[14]以水泥作为固化剂材料，发现淤泥固化土的无侧限抗压强度和含水率呈反比例关系，张春雷[15]认为淤泥的无侧限抗压强度与含水率呈幂函数关系。Miura 等[16]研究了水灰比对固化淤泥力学特性的影响，发现水灰比是分析高含水率固化淤泥力学和变形特性的结构参数。李亚飞[17]将专用液体固化剂和一定量水泥混合，实验表明，固化淤泥土制样含水率范围在20%～30%成型效果较好，当含水率达到25%时，制样成型效果好，最大无侧限抗压强度为809 kPa。

淤泥固化土强度随着水泥掺量的增加而增大，当固化淤泥土样含水率达到最优时，可以得到最大无侧限抗压强度。以水泥作为单一固化剂，方法简单，固化效果好，但是造价较高。研究人员尝试将工业废渣，如矿渣、废石膏甚至废弃的混凝土等加入水泥固化剂中，形成复合固化材料，用来提高固化淤泥土的力学性能，同时实现节能减排。

2.2 基于水泥的复合固化材料

（1）复合固化材料对固化土强度的影响。冯忠明[18]以水泥+粉煤灰+少量磷石膏的复合固化材料与水泥单一固化材料作比较试验，当所用固化材料质量一定时，前者比后者所处理的固化土的强度更高。刘启运[19]将水泥+矿粉+粉煤灰+石灰+石膏等材料按一定配比混合搅拌制成固化剂，固化剂与淤泥之间发生物理、化学作用，使流塑状淤泥逐渐变为具有满足强度要求的基础。李广金[20]取贵州省遵义市某河道淤泥分别以水泥+粉煤灰和水泥+高炉矿粉为固化剂，研究表明，水泥+粉煤灰及水泥+高炉矿粉的加入，对于不同龄期的固化淤泥均有增强作用。

（2）CSFG[9]（cement-slag-flyash-gypsum）是一种以水泥、矿渣、粉煤灰和石膏按一定比例混合而成的新型复合固化剂，其中石膏可以有效激发、促进水化物的生成；矿渣与粉煤灰共掺时，形成粉煤灰水化产物与矿渣活化凝胶。粉煤灰和矿渣有效改善了水泥固化淤泥的水稳定性，使得固化淤泥的无侧限抗压强度得以显著提高。

（3）我国每年产生超2 亿吨的废旧混凝土，带来了严峻的环境污染问题。陈家乐[21]以温州市区淤泥为对象，研究利用采用废旧混凝土颗粒料+水泥疏浚淤泥的方法，实验表明，固化淤泥的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增大而增大，当废旧混凝土颗粒料含量达到某一值（最优值）时，固化淤泥土可以得到最大强度值。

（4）复合固化材料用量对固化土强度的影响。Lang 等[22]研究了水泥和钢渣粉混合固化的淤泥强度变化特征及其微观机理，结果表明，当钢渣粉掺量为5%～10%时，固化淤泥的无侧限强度提高最显著；对于含腐殖酸的固化淤泥，采用15%～20%钢渣粉作为水泥固化剂的外加剂是最好的选择。汪吉青[23]采用石灰+垃圾炉渣混合的固化剂处理淤泥，石灰的掺量比例固定为6%，在实验室试验中，垃圾炉渣的用量分别为12%、24%和48%，通过对最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR 值等进行试验分析，发现垃圾炉渣用量为48%时可以得到理想的固化效果。魏雁冰[24]对某河道淤泥固化研究表明，4%水泥掺量+4%粉煤灰掺量为最优的固化剂配比。

由于不同河道、湖泊淤泥成因、成分等方面的差异，复合固化材料的选择及用量也存在差异，必须通过实验制定清淤方案。

3 生态清淤及淤泥固化一体化技术

传统的淤泥固化法常采用或基于水泥作为固化剂，能源消耗大、环境污染严重。而且利用固化剂处理后的淤泥固化土虽然能够满足强度要求，但仍存在脆性破坏、水稳性差等缺陷，难以满足复杂应力环境下长期的变形和稳定要求[25]。对于高有机质含量和高含水率淤泥，常用固化剂固化效果差[6]。近年来许多学者开始研发新型的环境友好型固化剂用于生态清淤，以实现资源高效利用和绿色低碳发展。

淤泥固化一体化技术采用环保型固化剂及先进工艺，固化剂对高含水率淤泥需具有快速固化的效果，固化土重金属元素及有害物质不超标，水稳性好，可以进一步加工利用，具备快速固化、环境友好、再生利用、工艺简单的特点。

JCW 软土固化剂利用低品位工业废渣为主要原材料制备，是一种环境友好型功能性材料，其在工程指标性能、稳定性、环境影响等方面均优于水泥类和石灰类固化剂。泉州城市河道淤泥疏浚固化实验中，当有机质含量为8%，固化剂干掺量为10%时，固化土28 d 无侧限抗压强度达到502 kPa以上，可用作工程回填材料[26]。

路德环境科技股份有限公司采用HEC+FSA+SHM 专利技术[27]进行生态清淤及淤泥固化一体化积累了许多成功的案例。HEC（High Strength and High Waterproof Earth Consolidator 高强高耐水土体固结剂）是一种无机水硬性胶凝材料，能将被固结材料基本单元黏结成为牢固的整体，从而产生较高强度和水稳定性，实现对有害物质的钝化和固封；FSA（Flocculating-settling Agent for Sediment 泥沙聚沉剂）为粉末状固体，是一种新型环保淤泥调理脱水专利产品，可针对不同有机质含量、颗粒粒径的淤泥、泥浆进行调理调质，快速脱水。SHM（Stabilizer for Heavy Metal 重金属稳定剂）能够实现重金属螯合的效果。利用HEC+FSA+SHM 一体化技术脱水固化后的淤泥无侧限抗压强度可达200 kPa 以上，渗透系数接近自然土，可以用于路基基层[28]，或用作砖瓦和水泥等建材的原料，经有害物钝化处理后的泥饼也可用于园林种植土。

4 武汉某湖清淤工程案例

4.1 工程概况

武汉某湖水体生态治理环保清淤工程，位于武汉市青山区湖园路。根据《2017年武汉市青山区水质环境质量状况》，该湖水质为劣V类，中度富营养状态。环保清淤总面积约为180 万m2；底泥属于有机质高液限黏土，疏浚泥浆含水率超过80%，含固率低于20%，有机质含量接近8%（如表1 所示）；颗粒极细，粒径组成如表2所示。

表1 淤泥检测结果

表2 淤泥粒径组成

采用水下环保疏浚的方式对湖区常年淤积底泥进行环保清理，通过清淤实现湖区的调蓄扩容，恢复水体V类水质，改善湖区调蓄和自然净化功能。

4.2 一体化处理工艺

湖底清淤的底泥输送至底泥处理厂处理，其工艺流程如图1所示。

图1 泥浆脱水固结一体化工艺流程图

一体化处理主要分3个阶段：

（1）沉淀浓缩。清淤泥浆通过管道输送至脱水固化场内的沉淀池进行重力筛分，将大颗粒碎石、砖块等沉淀，漂浮杂物用格栅拦截，采用机械或者人工清除。沉淀除渣后的泥浆流入调节池浓缩，调节池末端设置溢流口，利于上层清液（余水）排出，余水经处理达到地表水Ⅴ类水质要求后排至原湖水域。

（2）脱水固化。调节池内泥浆中的固体颗粒在重力作用下逐渐沉淀，向泥浆中加入适量的FSA+HEC等淤泥处理专用材料，通过泥浆搅拌机将泥浆与材料搅拌均匀。

（3）泥水分离。搅拌均匀后泥浆流入均化池进行压榨脱水，从而实现泥水分离。

泥浆经过脱水固化处理后产生脱水泥饼和压滤尾水。脱水泥饼转运至堆场堆存；压滤尾水返回调节池，经处理达标后回流至湖里。

4.3 处理效果

本工程脱水泥饼检验项目及结果如表3所示。

表3 脱水泥饼检验项目及结果表

脱水固化后含水率降至40%以下，脱水泥饼水稳定性好；7 d无侧限抗压强度超过100 kPa，可以用作堤防加固材料。

武汉某湖清淤工程对减轻城市污染物造成的湖区周边水体污染、改善水体水质、增强湖区的调蓄功能、改善城市的环境卫生面貌起到了积极作用，达到了“水清、岸绿”的治理效果，可为类似工程提供应用参考。

5 结论

由于各种自然因素和人为因素的影响，我国每年有大量的城市河道、湖泊需要疏浚清淤，淤泥资源化处理对改善城市环境、实现节能减排意义重大。

（1）传统固化以水泥为主要固化剂，该方法发展简单、成熟，固化效果也比较好，如果控制好最优掺量，可以获得较大的强度，但是造价高，对环境污染较大。基于水泥+矿渣等或水泥+废旧混凝土等复合固化材料的应用，能提高固化淤泥的无侧限抗压强度指标，但是难以满足复杂应力环境下长期的变形和稳定要求。对于高有机质含量和高含水率淤泥，常用固化剂固化效果差。

（2）生态清淤及淤泥固化一体化技术是一种环境友好型疏浚清淤方法，其专用固化剂能明显缩短高含水率淤泥固化周期，重金属稳定剂能螯合固化土重金属元素，固化土水稳性好，可以进一步加工利用。

（3）由于不同工程的差异性，淤泥成因、成分及有机质含量不同，要根据当地实际条件，因地制宜，采用合理处理方法，并通过实验确定固化剂类型和用量。在引进新技术和新方法，资源化处理淤泥的同时，要保证人类生存环境不受污染。