浅析河湖生态清淤及淤泥固化技术的研究与运用

陶琛杰顾晓惠周 健

（1.无锡市水利工程基建工程质量监督站，江苏无锡 214023；2.江苏东方生态清淤工程有限公司，江苏无锡 214125；3.江苏省水利工程科技咨询有限公司，江苏南京 210029）

1 河湖生态清淤与淤泥固化的作用

生态清淤（又称：环保清淤）旨在为改善河湖的生态环境，利用生态清淤机械设备清除河湖水体中含有污染物的底泥，通过阻断污染源以减少水体的污染而采取的人为措施。生态清淤相对传统清淤有更高的要求，即：需尽量避免搅动污染底泥和造成细分子颗粒物质的扩散。

由于河湖生态疏浚过程中会产生大量的污染底泥，而对污染底泥传统的处理方法是寻找大面积的连片土地修建排泥堆场，采用简单堆放、自然干化的原始方法固结后再利用。但是，一般污染底泥属高有机质、高含水量的粉质粘土，单靠自然干化固结需要长达5～10年时间，甚至更长，势必造成对土地资源的长时间占用，不利于土地资源的及时开发利用及其景观修复。特别是我国东部沿海人口密集、经济发达地区，这一矛盾尤为突出。此外，采用排泥堆场处理污染底泥的方法还存在着一定的环境和安全隐患，由于堆场中底泥裸露，与周围环境直接接触，如果排泥堆场余水处理不达标，将会对周边水体造成二次污染。同时，由于河湖疏浚底泥是一种高含水量的工程垃圾，其颗粒细小，有机质含量高，处于流动状态，几乎没有强度，不能直接为工程所用。故淤泥固化技术近年来广泛运用于污染土的处理和处置，面对河湖生态疏浚工程产生的大量底泥，通过固化处理后有效转化为工程性质良好的工程用土，致使其淤泥向稳定化、减量化、无害化和资源化利用的方向发展。

2 河湖生态清淤与淤泥固化的主要特点

2.1 河湖生态清淤的特点

河湖生态清淤的主要特点表现为：一是为了防止疏浚底泥过程中污染底泥的扩散，需对传统挖泥船进行改造，开发出新型的环保型绞刀头和防污屏等环保设备。二是在疏浚船上配置全球定位仪、污染监视仪器，以提高疏浚精度，也可尽量避免欠挖与超挖的现象存在。同时，为避免对环境产生二次污染，需对其输、排系统进行改造，以减少输、排泥过程中的泄漏。三是在生态清淤的基础上，通过多种措施兼顾修复水生态系统的更高目标，即通过一系列的有效措施将河湖底泥中的有害化学物质、细菌毒素和营养盐从河湖底层抽取出来，以减少河湖底泥污染，防止这些有害物质对河湖水体产生污染，影响水体。故生态清淤不仅要求将河湖底部的淤泥及有害物质有效清除，还要求在修复底泥的同时为恢复河湖的生态环境创造有利条件，改善河湖的水生态环境，维持人类生产、生活、生态环境的动态平衡。

2.2 淤泥固化的主要特点

由于河湖疏浚后的底泥呈带水的粒状，其结构疏松，含水率高。底泥的传统处理方式主要有：堆肥、填埋、焚烧利用、制造建筑材料等。国外发达国家较重视对环保清淤后的淤泥进行脱水处理，脱水方式主要有：固化处理、分组压榨脱水、移动式连续脱水、高压脱水等。将生态清淤的底泥固化处理后作为填土材料使用的研究最早于国外，如：日本富山港疏浚填海工程和新加坡“长基”国际机场第二跑道工程等。我国在这方面的应用则刚刚起步，在深圳盐田港区三期工程进行了现场试验研究，并取得了一定的效果。当今，河湖底泥的资源化利用已成为疏浚领域内关注的热点。淤泥固化技术不仅可解决工程用土资源匮乏之虞，同时对河湖的环境保护和实现环境友好型社会有着积极的实用型意义。

3 河湖生态清淤效果判别和淤泥固化机理的分析

3.1 生态清淤效果的判别

生态疏浚被广泛应用于河湖水体的排污治理中。判别河湖底泥生态疏浚工程效果的标准：一是河湖底泥中的污染物、有害物质和营养盐是否彻底清除，这是判断河湖底泥生态疏浚效果的基础标准；二是水体中悬浮物上有害物质是否为最少，若仍有较多的污染物和有害物质依附在水体中的悬浮颗粒上，将会对环境造成很大破坏，说明水体的生态环境并没有彻底恢复正常；三是疏浚出的河湖底泥中所含污染物、有害物质的浓度要高，在生态疏浚工程实施中，通常考虑一定的经济因素，在疏浚过程中对底泥中有害物质浓度高的污染物进行集中清除，既可减少疏浚时间，又能节省了费用；四是疏浚方位准确、面积小，以不破坏水底生态环境为前提［1］。目前，对生态疏浚效果的研究主要集中在河口、港湾的疏浚对环境的影响及底泥的再悬浮，对湖泊水生态系统影响的研究尚未多见。国内的生态疏浚是近10年发展起来的控制湖泊富营养化的措施，对其工程效果的系统研究开展较少。故目前对河湖清淤工程实践效果的评判也只能停留在上述四个方面。

3.2 淤泥固化机理的分析

淤泥固化机理的分析主要集中在：一是基于水分转化模型机理分析；二是基于骨架构建模型机理分析［1］。

3.2.1 基于水分转化模型机理分析

该理论认为：通过在底泥中掺入水泥（石灰）类固化材料，进行混合搅拌，即通过对底泥固化过程中水分转换原理进行分析。该机理为：底泥在没有掺入固化材料时，底泥中的水分可分为矿物水、结合水和自由水3个部分，当掺入固化材料并发生水化反应后，发生变化的只是孔隙中的自由水，这部分自由水一部分因固化材料释放热量而被蒸发到空气中，一部分转换到水化产物中。同时该机理还表明：一是固化底泥的破坏模式由塑性向脆性转化，固化底泥的脆性与结合水的量有关，由塑性向脆性转化的转折点出现在消化产物中的结合水量增长率开始减少的点上。二是固化底泥的无侧限抗压强度、变形系数、屈服应力和粘聚力都与水化产物中的矿物水水量和结合水水量有关，且随两者的增加而增加。则固化底泥的破坏应变、变形系数、初始孔隙比都将随着水化产物中矿物水和结合水水量的增加而呈递减趋势。

3.2.2 基于骨架构建模型机理分析

该理论认为：固化是通过对底泥的骨架起到一定的支撑效应和填充效应。其中，骨架支撑效应是指固化材料中的硅酸钙类、铝酸钙类和铁铝酸钙类等与水发生相应的水解和水化反应后，部分与周围土颗粒结合后形成骨架，部分则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，也参与形成一定量的骨架。而固化对底泥的填充效应，则表现为固化材料在水化反应产生胶体形成骨架的同时，随着水化反应的进一步深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换所需量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，这些结晶产物的产生，对底泥间的大量孔隙起到填充作用。

3.3 淤泥固化技术的运用

由于疏浚出的底泥具有颗粒细、容量轻、有机质含量高、含水率高等特点，若仅依靠堆场自然蒸发、渗透等自然干化措施，往往需要很长时间才能完成相应的固结。因此，淤泥处置与资源化利用的关键是如何有效地解决好淤泥的脱水问题，通过采取人为措施加速降低其含水量，提高强度。同时，由于淤泥往往存在一定程度的污染，故对淤泥中含有的各种重金属（如铅、镉、汞、锌等）和有机污染物须进行有效处理。目前，淤泥脱水主要措施有：物理方法、化学方法或复合干化法，在具体的底泥清淤工程中，应根据当地实际情况选择相应的底泥处置方式［2］。

物理处置法。即通过蒸发、渗透等作用，利用自然沉降、人工机械强化等物理措施降低淤泥的含水量，去除淤泥中多余的自由水，如：传统的堆场干化和人工强化措施堆场排水、低位真空预压法、加热处理、抛填处理和机械脱水固结等，均是利用物理原理脱水。实践表明，物理处理方法并不能去除污泥中的污染物质，所以对于具有高污染性的疏浚淤泥，物理脱水固结后，仍需进行污染源处理。

化学处置法。即通过向淤泥中添加固化材料，经化学反应使其形成稳定的固化物。固化后的产物具有较高的强度和较低的透水性，能够封闭重金属类的污染物和控制生物化学反应物滋生的条件，最大程度地防止淤泥的二次污染。淤泥化学固化反应过程主要有水解和酸性反应、水化作用、碳酸化作用等。利用该技术处理后的淤泥具有强度可控、施工简便迅速等优点，可使废弃淤泥变为再生工程用土资源。

复合干化法。即将淤泥固化与余水处理融为一体的技术方法，通过在疏浚管道中添加高性能强氧化疏水剂与疏浚底泥电荷中和，实现毛细管水的分子级分离。复合干化法可以较为显著地缩短疏浚排泥场的施工工期，但该技术属于新型技术，固化成本高，现有的工程实践经验少，且施工不确定因素较多。

4 常见的生态清淤技术关键点

4.1 生态清淤机械设备的主要性能

目前，生态清淤的施工机械设备主要有：旋挖式河道清淤船、新型多功能挖泥船和生态环保清淤船［3］，其相应的性能分别表现为：

（1）旋挖式河道清淤船。即生态环保绞吸式清淤船，该船主要功能是通过搅动河底表面20～40 cm的淤泥层，然后由污泥泵直接输送到污泥水池。其特点是体积小，功效高，性价比高，较适应城市中小河湖的生态环保清淤。

（2）新型多功能挖泥船。该船为多功能挖泥船，通过更换不同的施工设备（环保螺旋绞刀、吸泥头、铲斗和耙具）实现环保绞吸施工，完成吸泥、反铲挖泥及水下垃圾收集。不同施工设备更换简便，挖泥施工摆动区域较大，能满足多种清淤施工方式的要求。此外，螺旋绞刀本身对淤泥扰动小，绞刀周围还可再加上防护罩，通过调整绞刀角度可对河道边坡进行施工。

（3）生态环保清淤船。是一种多功能环保绞吸船，以淤泥绞吸为主，集反铲清淤、抓斗清淤、耙子清理河道垃圾，打桩作业，清理水面油污等多种功能于一体，且各功能在施工作业时可互相转换，具有机动灵活和应用范围广的特性，特别适合于城市内陆河湖水环境的综合治理。

4.2 生态清淤的技术关键点

一是要在截住外污染源（包括点源和面源污染）的基础上进行。二是 在确定生态清淤的地点和范围时，应优先考虑河湖水体污染淤积严重区、重要城市的供水水源地取水口和重点风景旅游区以及对河湖水生态影响较大的湖区（包括鱼类繁殖场和水生植物基因库）等，同时，清淤时需考虑设置200～300 m疏浚安全范围。三是确定底泥薄层的精确疏浚深度，对底泥疏浚深度需进行多参数（包括：湖体水文特征、底泥分布状况和土工特征、底泥土壤水运动特点、营养盐含量和垂直分布特性、释放系数、沉水植物种属类型、生物学特性和根系分布等）的综合分析与评估。应严格控制疏浚深度误差不大于10 cm，疏浚底泥扩散距离不大于0.5 m，并为后续动植物介入创造必要的生态环境条件。由于河湖沉水植物分布水深一般在0.8～1.8 m，因此，生态疏浚要控制疏浚后新形成的底泥表面高程，并由湖区向湖岸形成一定的缓坡状，为沉水植物修复繁衍创造湖底基质条件。四是选择生态疏浚设备时，应首先考虑采用环保无扰动型挖泥船，选择疏浚设备依据的主要参数为：底泥密度小于1.8 g/cm2时可考虑采用环保绞吸式疏浚船；底泥密度大于1.8 g/cm2时可考虑采用环保斗轮式疏浚船。生态清淤疏浚为薄层精确疏浚，要求超疏深度不大于10 cm，底泥扩散距离不大于0.5 m，表面平整度好，不漏疏或形成沟坎。五是划定好相应的水生物种区，当已确定的疏浚区域较大时，应考虑专门划定一定面积的水生物种保护基因库区，底泥疏浚完成后，以保护区物种基因库为基点，力求在较短时间内使疏浚区域内物种得以恢复和繁衍。六是选定适宜河湖底泥疏浚期，生态疏浚作业的最佳疏浚期为冬初至春末，此时开展疏浚可做到省费高效，并可最大限度地去除水体中的营养物质［4］。

5 存在的问题和建议

5.1 存在问题

河湖生态清淤见效快，并能够增加河湖水体容量和提高河湖过水能力及挟沙率等优点，但也存在不足，使其大规模推广受到限制：一是不仅底泥疏浚费用高，且底泥疏浚后的后续资源化利用费用也相当高，从而限制了河湖底泥疏浚技术的有效开展。二是河湖底泥生态清淤的精度和准确度要求较高，河湖底泥生态清淤属于精密的薄层疏浚，主要是挖走底层表面的污染物和部分过渡层的沉积物，疏挖不当会导致底质中原有生态系统的破坏，从而使水质更加恶化。三是河湖底泥生态清淤产生的淤泥还需进一步处理，疏浚的底泥若处理不当将可能再次污染水体。目前，提倡生态疏浚与资源化利用相结合，但在对底泥进行资源化利用的同时也须考虑如何有效去除底泥中污染物质。四是目前国内几乎所有的清淤工程都没有开展清淤区水体生态系统重建的影响研究，特别是对底栖生物的影响等研究在国内外仍是一片空白，因此，需要建立必要的生态风险评价指标与评价方法，用来定量分析清淤工程对生态环境的影响程度。

5.2 几点建议

（1）国内外都将河湖底泥生态清淤作为治理河湖富营养化的一项主要措施，但河湖底泥自身对水体富营养化影响的程度以及底泥疏浚后对消除河湖水体富营养化程度如何，至今在学术界尚有争议。因此，河湖底泥生态清淤作为湖泊富营养化内源治理的一种措施，不仅需从理论上进一步研究和丰富，而且在实践上应慎用，只能将其作为修复水生态系统、改善水质的一种辅助和补充方法。

（2）河湖底泥生态清淤是一项集工程、环境、生态等为一体的修复技术，涉及到众多的学科领域，生态清淤实施过程中对河湖底泥疏浚的精度和疏浚设备的要求严格，与普通的工程疏浚有相当大的差别。在具体地实施前期工作中，需多学科联动，多部门配合，方能将河湖底泥疏浚所产生的负面效应降至最低层面。

（3）河湖底泥生态疏浚完成前后，如何有效地开展对底泥污染物和河湖水体的监测、分析和评价，以便通过河湖底泥疏浚前后水体环境的对比，对河湖底泥疏浚的效果进行评判，最终衡量河湖底泥疏浚的实际生态环境效果，是需要进一步研究的课题。

［1］ 张天翔，王仲旭，毛应淮.城市河流治理技术研究进展［J］.中国环境管理干部学院学报，2007，17（2）：73-75.

［2］ 曹承进，陈振楼，王军，等.城市黑臭河道底泥生态疏浚技术进展［J］.华东师范大学（自然科学版），2011，1:32-42.

［3］ 倪福生.国内外疏浚设备发展综述［J］.河海大学常州分校学报，2004，18（1）：1-9.

［4］ 刘国锋，张志勇，刘海琴，等.底泥疏浚对竺山湖底栖生物群落结构变化及水质影响［J］.环境科学，2010，31（11）：2645-2650.