河湖污染淤泥的现状及处理——浅析《河湖污染底泥处理技术》之要点

左晓君

(中国水利水电出版社有限公司，北京 100038)

河流湖泊在城市生活、生产、景观环境和气候的调节与改善中起了重要作用。然而，随着社会经济的发展，城市化进程的加快，大量工业废水和生活污水的排入，城市河道出现黑臭、富营养化、生物多样性锐减、生态系统单调等一系列问题；河湖水体污染还威胁到城市供水安全。

为了切实加大水污染防治力度，保障国家水安全，2015年国务院制定并发布了《水污染防治行动计划》，简称“水十条”。河湖污染底泥严重影响着城市江河湖泊的水环境、水生态；本文顺应“水十条”的要求，结合在产学研过程中的技术成果和工程实际案例，探讨河湖污染底泥的处理处置技术，以期解决河湖底泥的积蓄与严重污染问题，也为河湖污染底泥的处理提供理论基础、施工工艺、设备系统和经济分析依据。

1 河湖污染淤泥现状及其特性

1.1 河湖污染淤泥现状

我国陆地水域总面积约2667万公顷，其中江河为1200万公顷，湖泊800万公顷，人工塘库667万公顷。全国大小河流总长达43万km，流域面积在100km2以上的河流有50000多条，流域面积在1000km2以上的河流约1580条，超过10000km2的大江河有79条，长度在1000km以上的河流有20多条；最近研究统计表明，我国大于10km2的天然湖泊已经从《中国湖泊志》统计的656个减少到目前的581个，总面积从85256.94km2缩小到目前的68671.58km2。

随着经济建设的飞速发展，人类活动迁移频繁，城市化进程加快，污水排放量大幅增加，而污水的处理相对滞后，大量污水直接排放河湖，再加上雨污不分流导致河湖严重淤积和污染。根据《中国环境状况公报》的数据，我国七大水系、主要湖泊、近岸海域及部分地区的地下水受到的污染程度逐年增加，使我国的江河湖泊不堪重负。大量污染底泥形成了新的污染源，降低了河湖水体的自净能力，继而引起河湖水环境的逐渐恶化。湖泊与人类生活息息相关，特别是在东部人口稠密地区，湖泊所受的污染越来越严重，严重地影响了河湖周边人居环境和降低了人民生活质量，制约了区域经济的建设和发展。

我国七大流域中的河流由于动力条件较好，泥沙输移能力较强，加上局部河道的疏浚，内河河道淤积总体上看能够满足物质输移需求，淤积较为严重的主要出现在河道型水库和三角洲河段，诸如长江三角洲、黄河三角洲和珠江三角洲，且受到海平面和海洋气候的影响，动力条件改变，淤积加剧，淤积物受污严重。随着经济建设的飞速发展，人类活动迁移频繁，城市化进程加快，污水排放量大幅增加，大量污水直接排放湖泊，再加降雨地表产流、产沙和产污导致河湖严重淤积和污染，湖泊淤积情况不容乐观。根据《中国环境状况公报》的数据，我国主要湖泊、近岸海域的污染程度逐年增加，不堪重负，大量污染底泥形成了新的污染源，降低了河湖水体的自净能力，继而引起河湖水环境的逐渐恶化。目前我国江河、湖泊生态环境及其受污状况普遍存在着七大问题：泥沙淤积、水面退缩、富营养化、沼泽化、盐化、酸化和由此引起的生态环境恶化以及资源退缩。其中泥沙淤积、水面退缩、沼泽化属于水利生态的范畴，而盐化(重金属化)、富营养化和酸化则为生态环境内容。

受污泥沙淤积使河湖水质严重劣化，其重要原因是由于河湖中过度污染的淤泥把有毒物质溶入水体的缘故。因此，疏浚河湖受污淤泥是净化河湖水质、恢复河湖生态的重要前提。

1.2 河湖污染淤泥特性

河湖自然淤泥主要是多年沉积所致，并在污染物长期作用下发生不同程度的灾变。原始的河流淤泥按其来源可分为两大类：一类是从流域地表冲蚀而来的，另一类是从河床上冲起的，在运动过程中，二者存在着置换作用。随着社会经济建设的发展，河流淤泥的成分也逐渐改变，淤泥从流域地表冲蚀而来时所含有的污染物随城市区位、污染源种类的不同而种类各异，包括：有机无毒物如酸、碱、一般无机盐、氮、磷等植物营养物，还存在着大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质等。有机有毒物主要有苯酚、多环芬烃、PCB、有机氯农药、石油产品等。无机有毒物有重金属、砷、氰化物、氟化物等。其中，有机物和富营养化物质(氮、磷化学物)主要来自于居民生活污水、禽畜养殖废水，石油产品主要来自炼油厂、加油站废水等，重金属主要来自电镀厂、冶炼厂等，有机有毒物主要来自生活污水、化工厂和制药厂等。

天然湖泊淤泥含泥量多，含水率变化大，一般在45～90%，颗粒分布极其不均，平均粒径极细。淤泥成分极其复杂，无机物含量较高，二氧化硅含量小于60%，三氧化二铝15%左右，三氧化二铁8%左右，氧化钙和氧化镁不足1%；有机质含量5%～18%。但随着湖泊周围居住人口密度增大，且各种生活、工业生产排放物进入湖泊，湖泊淤泥的成分发生了较大变化，主要表现在有机污染物大量沉积和各种微生物的加速繁殖，以及多种有毒物质扩散和增长。湖泊淤泥成分已经开始趋同于污水处理厂污泥成分，且受人为因素影响越来越大。相对河流淤泥而言，湖泊淤泥含有更高的有机物，N、P、K、微量元素和各种微生物，且具有更高的污染性[4]。

河湖污染底泥是天然含水量大于液限，天然空隙比大于等于1.5的黏性土，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非匀质体，包括混入生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝固絮状各种胶体、有机质及吸附的金属元素、微生物、病菌虫卵等物质的综合固体物质。

淤泥在含水率较高的状态下，与水流具有极好的跟随性和亲和性，运动状态下，其速度接近水流。随着含水率的降低，淤泥显示出半塑性或塑性流体的特性。淤泥绝大多数采用机械疏浚、水力吹填和挖掘机清出，所形成的疏浚淤泥的工程特性各异。就机械疏浚而言，疏浚浆体黏粒含量高、含水率高、压缩性大、强度低、渗透性能差、排水固结缓慢。由于疏浚淤泥的黏粒极细且含量高，黏滞性较大，比表面积大，往往带有负电荷，会吸附带极性的水分子和水合阳离子，形成一定厚度的吸附水层，难以脱出。而水力吹填和挖掘机清出的淤泥，情况大不相同，含水率接近自然淤积淤泥，杂质多，颗粒分布广，小到微米级淤泥，大到块石，流动性极差。

2 河湖淤积对社会经济、水生态环境、人居生活的影响

2.1 河湖淤积对社会经济的影响

河湖淤泥是泥水环境的重要组成部分。泥水环境条件对区域的经济发展和生活需求的支持能力起着至关重要的作用。尤其是在城市发展进程中，城市经济发展活动与该城市泥水环境条件适配程度是其经济系统是否处于良性运作的重要指标。

泥水环境作为社会、经济系统存在和发展的基本因素，泥水环境的承载能力对本地经济建设的发展起着重要作用。由于历史的和经济建设高速发展等原因，我国的泥水环境问题日益严峻。特别是经济建设较为集中的城市如东莞、深圳、广州、上海等，经济发展正面临着一系列环境问题。据统计，我国90%以上的城市泥水环境恶化趋势严峻，其中因产能规模过大、产业结构不合理、生产布局不适当、环境保护措施不得力等引起的泥水环境问题日显突出，如城市河涌的严重淤积、水资源短缺、水污染过重、水生态平衡遭到破坏等。从而使城市的持续发展越来越受到严重阻碍，人居环境越来越受到严重威胁。

2.2 河湖受污淤泥对水生态环境的影响

河湖污染底泥的共同特点是含水量高，其含水率系随淤泥所处位置和淤积时间而异，体积庞大，不易处理。淤泥不仅含水率高而且成分复杂，内含病毒病原菌、寄生虫(卵)、重金属及其某些难降解的有机毒物，有较强的污染性。由于淤泥中存在各种各样的污染物，并与水流动力强度和水流流态有着紧密关联，作为江河湖泊内污染源，首先直接污染水体，减低水体质量；其次改观水流生态环境，恶化江河湖泊水生动植物发育环境；最后对水生生态构成威胁，影响水生生态的衍生、栖息，降低水生生命体的生态系统，减少水生生态种群，降低水体自组织修复能力。因此，对清除淤泥处置不当，极可能广泛传播污染扩散污染，对动物、人类以及环境造成较大的危害。

2.3 河湖受污淤泥对人居生活的影响

河湖淤泥污染问题对社会经济和生态环境造成重大影响的同时，对人居生活同样造成了很大的胁迫和压力。由于河湖淤积日积月累，淤积加重，极大地降低蓄洪、行洪能力，遭遇暴雨时常常发生“水浸街”的灾害，扰乱人们的正常生活，威胁居民的生命财产安全；淤泥使河湖水质逐日恶化，降低水环境容量，臭气难闻且旷日持久；有毒的污染物致使水生动植物的逐渐消亡，影响水生态系统，急剧降低了水生生物的多样性，威胁生态环境安全；淤泥中含有的石油类污染物、汞、铅、砷等有毒重金属直接或间接地危害滨水城市居民的人体健康；另外，淤泥的存在与城市优美的景观环境形成了巨大的反差，与现代化的建筑和美丽的绿化格格不入。比如广州市越秀区珠江宾馆边的沙河涌，一边是以珠江宾馆为代表的高耸入云端的鳞次栉比的楼群，一派现代国际化大都市形象；一边是黑色淤泥裸露、黑色的河水充斥沙河涌，散发出的臭气使周边居民不堪忍受。

3 河湖污染底泥处理技术

3.1 淤泥清淤清出方式多样

我国较为常见的有环保疏浚、挖掘和泵吸清出。环保疏浚机械有搅吸、耙吸和喷吸三种，各种都具有各自的特点和应用范围及其适应、应用性。环保疏浚清出淤泥具有较大的能力，所以适用于大型湖泊作业，但清出淤泥含水率极高。挖掘清出淤泥由于机械运用灵活，挖掘能力较小，适用于河滨、湖滨淤泥清除，清除淤泥含水率较小，但杂质成分复杂。泵吸清除方式较适用于中小型湖泊。

江河湖泊淤泥清除有在水作业和干水作业两种方法。带水作业法使用面积广，对大中型湖泊淤泥清除尤为适用，不受气候影响可连续作业，但清淤基准面的控制有待于提高。干水作业清除淤泥方法适用于小型江河湖泊，需要修筑河道、湖泊围堰或者干塘，代价较高，季节性影响较大。

使用干水作业法清除淤泥修筑河道或者湖泊围堰代价较高，清除淤泥时对江河岸或者湖泊岸的稳定性有不利影响。

使用带水作业法的施工质量不易控制，可能挖深不够导致淤泥不能清除干净或者挖的过深破坏河床湖床。

3.2 清出淤泥增量问题

江河湖泊淤泥是泥沙长期沉淀的产物，其自然水下含水率与泥沙颗粒、粒配和沉淀时长有着密切关系，一般情况下其含水率在45%～65%之间。除干水暴晒作用外，淤泥在机械搅头的干扰下吸出而成为浆体，其含水率少者增加1～2倍，多者增加5～7倍。尤以环保疏浚清淤为甚，清除泥浆含固率一般为5%～15%，含水率高达80%～95%，含水量急剧增加，为后续淤泥处理带来难度。

使用干水作业法清出淤泥后淤泥的处理处置会产生一个增量问题。这是因为含水率60%～70%的淤泥其黏滞力大，使得淤泥进一步脱水相当困难，淤泥中的有毒有害成分难以剔除。因此，要做到合理地处理处置淤泥，还必须重新加水稀释挖出的淤泥以便于理想的处理处置。

使用带水作业法疏浚淤泥过程本身就是一个把水掺入淤泥进行稀释的过程，这个过程使水下含水率60%～70%的淤泥稀释为含水率95%或以上的泥浆后输送到处理处置设备中。这同样涉及清出淤泥的增量问题。

3.3 清出泥浆处理问题

不同清除方法清出含水率高达60%～95%的淤泥浆体，不仅给运输和蓄存造成困难，同时浆体有机物在水的作用下会发生腐变，直接影响大气和地下水质量，并扰民碍民，必须科学处理和适度处置。泥浆的处理应遵循减量化、稳定化和无害化的原则。淤泥的含水率高，不利于运输和处置，淤泥体积随着含水率的降低迅速减小，淤泥中的固体物有复杂的结构，与水的亲和力很强，需要采取多种方法改变淤泥的理化性质，使固体凝聚力增强，颗粒变大。但是存在减量化过程可逆的问题，所以要进行稳定化处理。同时，高度注重淤泥稳定性，严防淤泥的二次泥化，二次泥化易引发众多有害物质的二次转移和二次衍生问题。

此外，淤泥中含有许多有害物质(重金属，病原菌等)，无论进行什么样的处置首先都要进行无害化处理。

3.4 清除泥浆处置问题

我国现行常见的淤泥浆体多采用倾海、填埋和焚烧处置，未经科学处理的淤泥处理方法存在着很大的局限性，并衍生诸多意想不到的环境问题。

淤泥倾海：将清除的淤泥浆体通过船运至海洋倾倒，工序简单明了而经济，但淤泥中含有大量受污水体和污染物，对海洋水环境直接产生影响。

淤泥填埋：简单而直接的方式是将淤泥直接送往垃圾填埋场填埋。虽然成本很低，但是要占用大量的土地资源，且淤泥受污水体有助于垃圾场有机物腐变，直接影响大气环境和地下水环境，同步恶化填埋场周围的环境。

淤泥焚烧：直接焚烧淤泥，或者减量后焚烧淤泥。由于淤泥应有的内在热含量较低，需要借助于外来热源进行焚烧，成本高，而且存在烟气污染问题。

资源化利用：这是一个改变思考问题的方法，是一个方向性问题。但是，将泥浆作为资源利用，变废为宝的想法如何实现不是一件容易的事，人力、物力、财力的花费是必不可少的。

3.5 淤泥资源化利用问题

资源化利用是用科学发展观重新审视淤泥出路的一种新的观点，代表着淤泥处置出路的一种全新的发展方向。但是，将泥浆作为资源利用，变废为宝，人力、物力、财力的花费必不可少，其可能的发展出路主要表现在淤泥资源的技术经济性能比和社会的认同度。

目前的淤泥产品资源化利用还未得到相关部门和业内专家们的认可。这是因为：淤泥堆肥：淤泥堆肥制作的主要工艺是厌氧和好氧，淤泥中含有的有机质、氮磷钾等植物生长需要的养分，利用微生物的作用，将不稳定的有机质降解为稳定的有机质，并使挥发物质含量降低，物理性状明显改善，具有一定的肥效。但由于淤泥自身有机质、氮磷钾不足，也不均衡，而且含有极其难于剔除的有害物质，淤泥堆肥的制作和使用受到了极大的限制。

淤泥制砖：由于淤泥自然含有大量的硅钙，人们自然联想到淤泥制砖，烧制砖或者固结砖，用于民用，进而找到了淤泥资源化的社会出路。但由于淤泥粒径极细，承载能力小，而且含水多，处置成本高，技术经济性能比极小。

淤泥燃料化：采用机械脱水和加热脱水法将淤泥中的水分除去后，通过适当处理，提高淤泥的有机质含量，作为燃料使用。淤泥燃料除了用于发电外，还可以用于水泥生产。但淤泥中可燃烧的有效成分不多，比例比较小，这种资源化利用的产品很难为一般人所接受。

河道、湖泊泥水环境综合治理在国内还处于起步阶段，城市排水雨污不分流、工业污染的直接排放、污水处理能力不足，使河湖水体不断恶化，加上湖泊水流动力不足，长期以来，河道淤积已经成为主要的内污染源。

就底泥清淤而言，在环保清淤过程中通常以低于20%的浓度进行，而目前国内常采用的耙吸式和绞吸式等方式，挖泥船在清淤中得到的淤泥含水量通常在90%以上，这样大的含水量在通过管道输送到指定位置时，能耗大且效率低；如果不对淤泥体系中的极细颗粒的淤泥内部特性进行调理，营造脱水环境，淤泥的自然或者机械脱水都是极度困难的。因此，如何迅速的使淤泥颗粒沉淀、凝固，实现淤泥的快速脱水，以减少大量水分再运输，同时最大限度的减少二次污染及实现资源化利用，是环保清淤过程中的关键一环。能不能利用泥沙的一些原有属性，外加一定的辅助原料，对淤泥进行快速脱水，达到后续处理所需要的状态，至关重要。

从淤泥资源化、产业化的目标出发，研究河湖淤泥实现资源化的固化技术，一方面解决河道淤泥的积存与严重污染问题；另一方面，将淤泥固化成城市建设所需的土料，减少建筑取土造成土地资源破坏。项目组在引进和借鉴国内外已有成果和技术的基础上，通过对河道疏浚淤泥的室内试验和现场试验，分析代表性的河湖淤泥成分，开发适合于建筑用土的固化配合比，优化淤泥的调理、脱水、固化、运输等工艺流程和成套设备，为以后大规模的推广应用提供了理论基础、施工工艺、设备系统和经济分析的依据。

在淤泥处理处置过程中有很多因素会影响处理处置的最终效果，能否对这些可控因素对脱水性能的影响进行研究，从而找出使淤泥脱水性能较高的处理条件，并通过试验分析各因素对淤泥脱水性能影响的主次关系；同样，在淤泥固化处置过程中有很多因素会影响处置效果，能否对这些对固化效果产生影响的因素进行研究，从而找出使淤泥固化性能效果最优的控制条件，并通过试验分析各因素对淤泥固化性能影响的主次关系。这些关系到淤泥快速深度脱水、稳定固化问题，构成了本课题主要研究内容。

淤泥处理处置的科学研究可望产生重大的社会效益、经济和环境效益：ⓐ有效解决河道、湖泊淤泥的污染，改善水质，改善生态环境；ⓑ减少疏浚淤泥的堆放占地和污染物的二次生成和二次转移；ⓒ将疏浚淤泥处理成能够满足工程要求的性质良好的土工材料，用作河道堤防加固、公路路基回填等建筑材料，达到变害为利、废弃资源再生利用的目的；ⓓ提供良好的水环境空间，改善城市人居环境，提高城市的竞争能力。因此，本课题研究不仅在解决实际问题，还是探索科学技术难题，意义相当重大。

我国七大流域中江河众多，纵横交错，大中型湖泊上千余个，星罗棋布分布在各大流域之中，随着我国三十多年来的经济建设和城市化进程以及经济全球化迅速发展，我国部分地区河流、湖泊泥水环境状况急剧恶化，不少河道、湖泊淤积面抬高，淤积十分严重以致淤泥淤积日益成为社会性公害，引发出一系列环境隐患。江河、湖泊大量的淤沙、淤泥受污染而发生灾变，给水利、海洋、湖泊生态系统和城市环境净化系统带来巨大影响。众所周知，河湖底泥清淤以及处理处置是河湖水质修复的根本，是维系泥水环境健康快速发展的基本前提。

淤泥处理处置是江河、湖泊水环境改善与治理的前提，是生态环境修复和重建之必要。河湖疏浚淤泥是一种很有利用价值的潜在资源，无害资源化处置是其关键环节，深入研究并能够提出高新、高效淤泥处理处置技术并对淤泥实施减量化、稳定化和无害化处理以及淤泥资源化处置，并与工程建设挂钩，可以解决我国受污染河湖尤其是大中城市受污染河湖面临的窘境，可以解决沿海大量产生的废弃淤泥的处理问题和淤泥的海洋抛泥造成的环境污染问题，当然，也可以部分解决工程建设用土的问题。更重要的是，淤泥合理地资源化处理处置关系到环境、生态和节能减排，尤其是大中城市的河湖淤泥的有效处理处置直接影响城市的水环境、水生态、城市人居生活和城市经济建设的可持续发展。