河道清淤底泥资源化利用研究进展

潘逸凡

摘  要：对近年来河道清淤底泥成分分析及资源化利用的研究进行了归纳分析、总结和展望。底泥成分分析研究证实城市河道的清淤底泥往往存在重金属、有机物污染情况。目前资源化利用主要方向为土壤化利用、建材化处理及路基填筑，在此应用基础上对未来研究方向提出建议及展望。

关键词：河道清淤;底泥;资源化利用

中图分类号：X522 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）26-0059-04

Abstract： Researches on the utilization of dredged sediment of rivers in recent years are stated， analyzed and summarized. Studies on the composition of sediment show that heavy metal and organic pollution have existed in the river sediment. At present， the main direction of resource utilization is soil utilization， building material treatment and roadbed filling. On the basis of this application， some suggestions and prospects for the future research direction are put forward.

Keywords： riverbed sludge dredging; sediment; resource utilization

引言

近年来，我国水环境污染问题日益严重，以城市黑臭水體治理为主的水污染防治工作在全国范围内全面实施。2019年，全国295个地级以上城市建成区共有黑臭水体2899个，通过黑臭水体整治专项行动消除86.7%。河道疏浚工程作为主要治理方案，能够有效降低河道内的污染物负荷、改善水域生态系统，但在疏浚过程中产生大量清淤底泥。这部分清淤底泥如未得到妥善处置，不仅占用大量土地，还会因雨水淋洗造成土壤和水体的二次污染。河道清淤底泥的资源化利用途径亟待拓展与突破。

为适应水环境治理需求、解决河道淤泥处理问题，本文对近年来河道清淤底泥成分分析研究进行总结，并梳理了国内外河道淤泥资源化利用技术的研究与应用现状，以期为河道淤泥处置的技术需求和发展方向提供新思路。

1 河道清淤底泥成分分析研究现状

河道疏浚过程中产生的清淤底泥是一种在静水和缓慢的流水环境中沉积并含有机质的细粒土，通常孔隙比大于1：5，具有粉粒含量高、粘粒含量低的特点[1]。河道淤泥颗粒细，粒度通常小于0.05mm，可塑性较强。

河道淤泥的化学成分与粘土类似，主要化学成分为SiO2（约占70%）、Al2O3（约占20%）、Fe2O3（约占7%）、CaO和MgO[2]，但受区域影响，不同河道也存在差异。另一方面，受工业废水、农业面源污染以及水生生物腐败等影响，河道底泥往往存在重金属、有机物污染。

重金属超标的清淤底泥通常来源于工业发达地区。刘成等[3]对巢湖重污染汇流湾区沉积物中主要重金属分析发现，Hg和Cd的污染程度较严重，并导致该湾区沉积物具备不同程度的生态风险。一项南京黑臭河道底泥污染特征的研究表明，南京城区黑臭河道底泥重金属Zn、Ni、Cr、Cu及Pb均有不同程度的污染负荷，同时总磷与有机物污染均较为严重[4]。Hazzeman Haris等[5]研究发现马来西亚Langat River河道沉积物中铅污染严重。对于此类淤泥通常需要首先进行钝化处理，即降低重金属的有效浓度和生物有效性。经钝化处理且重金属浸出量在安全标准范围内的清淤底泥，方可用于土壤化、建材化等其他资源利用方式。

河道清淤底泥中常见的难降解有机污染物一般有石油烃、多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药等[6]。石油烃通常来源于石油制品的不完全燃烧和城市含油废水的排放;多环芳烃主要来源于化工生产和石油、木材等物质的不完全燃烧;多氯联苯一般来源于工业润滑油、添加剂的泄露及不当排放;有机氯农药则由农业面源污染带入。Rumney等[8]通过检测英国几处淤泥堆场2008年至2013年多环芳烃含量发现，淤泥堆放过程中多环芳烃逐渐向周边环境扩散。在南京扬子江的底泥和水样中检测出15种多氯联苯，且底泥中的多氯联苯浓度高于水样，低水期底泥中多氯联苯的浓度高于高水期[7]。底泥中有机污染物的迁移和生物累积过程往往受污染物的吸附、脱附行为影响，部分有机污染物通过生物累积进入食物链，而在环境介质中的含量下降，导致其对环境的直观影响以及生态危害被研究人员忽视[9]。

2 河道清淤底泥资源化利用研究现状

2.1 土壤化利用

河道清淤底泥土壤化利用的优点在于投资较少，可处理的清淤底泥量大。有别于传统的直接堆放处理，清淤底泥土壤化是指疏浚底泥经固化，并采用一定土壤化处理步骤后，各元素含量在标准控制范围内，并可满足植物生长要求的资源化利用方法。

河塘底泥通常与沿岸农田土壤各粒级组成非常相似[10]，其种子库特征土壤种子库同样与具备保护植物物种多样性的作用[11]。对于没有污染、富营养化的河段，其清淤底泥可通过泥浆泵将底泥稀释过滤后直接输送至稻田土壤化利用[12]。王向辉等[13]对底泥营养成分分析结果显示，美舍河底泥中的营养物质（有机质、有效磷、速效钾和速效氮）均满足农用标准，可做种植土壤利用，底泥浸液白菜种子发芽率与种植土壤相当。王正等[14]对三峡水库消落带（底泥）的研究发现，对氮磷吸收富集能力高的植物具有更强的光合吸收提取效率，其植被生态截污能力强，并建议消落带截污植被恢复可选苍耳、青蒿、籽粒苋、狗牙根等草本植物。

一项对重金属-有机物复合污染河道疏浚底泥的研究结果显示，污染底泥配比的增加会导致植物发芽率降低。但适应底泥中高浓度复合污染的植物，底泥施用能促进其生长并提高其叶绿素含量，另一方面，底泥中的污染物质会在植物体内发生不同程度的聚集[15]。因此，河道清淤底泥在土壤化利用时应经无毒无害化处理、确保重金属及有机污染物浓度在标准控制范围内，以避免对土壤、地下水的二次污染以及对作物的毒害影响。

2.2 建材化处理

河道清淤底泥化学成分及物理性能与黏土类似，能够部分替代黏土制备建材产品。建材化处理是目前综合利用率较高的处理方式，目前研究应用较为广泛的几种河道淤泥制备建筑材料是制砖、陶粒和水泥[16]。

2.2.1 河道淤泥制砖

河道清淤底泥颗粒细、可塑性高、结合力强，同时因富含有机质而具备一定热值，可节约燃料，具备制砖原料的基本条件和先天优势。另一方面，淤泥焙烧过程中有机质分解，形成孔隙，可能导致抗压强度低及表面不平整等问题，适宜制备透气性较好的轻质砖。

目前对淤泥制砖的研究方向主要有免烧砖和烧结多孔砖两类，一般基于清淤底泥添加量与成品砖的物理性能相关性，研究淤泥制砖的最佳比例。孙志康[17]在对河道淤泥制备免烧砖试验中发现，当生石灰掺量为18%时，基体达最佳物理性能5.8MPa，河道淤泥制备的免烧砖对初期雨水径流污染物SS、COD具有一定的去除效果。胡名卫等[19]对浙江省宁波、台州、金华、湖州四地采集的河道淤泥的试验结果表明，淤泥颗粒大部分在50μm以下，发热量均小于200kcal/kg，塑性指数均大于13，满足制砖要求，并提出了原料配比建议值为河道淤泥<30%，页岩、建筑渣土30%-50%，煤渣、煤矸石20%-30%。

2.2.2 河道淤泥制备陶粒

河道淤泥是由多种矿物组成的混合物，因混合体系成分差异无法具备固定熔点，高温下一系列低共熔点、转熔点导致底泥具备一个软化温度范围，在此温度范围内，河道清淤底泥呈粘流状态，此时内部产生的气体无法逸出，在物料内部形成孔隙结构[18]。由于河道底泥制备陶粒的两个必要条件是膨胀温度下产生合适的表面张力及足够的气体，因此目前在该领域的应用研究主要集中于烧制配比和焙烧温度。胡名卫等[19]的试验结果表明，高强陶粒可完全由河道淤泥烧制，轻质陶粒可掺入50%-70%的淤泥烧制。曾梦杰[20]通过实验确定河道淤泥制备陶粒最佳配比为河道淤泥：粉煤灰为18g：2g，添加1g可溶性淀粉作为造孔剂，研究表明焙烧温度超过950℃后，温度越高、焙烧时间越长，陶粒结构越稳定。

在利用河道底泥烧制陶粒时，焙烧温度是影响陶粒性能的主要工艺条件。徐振华[21]通过研究确定利用底泥含量小于35%的配比制备陶粒时，适宜的烧结温度为1100～1150℃，烧结时间10～15min，预热温度350℃，预热时间20min。此外，由于不同河段底泥的理化性質差异较大，不同原料适宜的烧制条件和辅料也不尽相同，因此，因地适宜地选用合适的工艺及辅料是制备高性能陶粒的必要条件。

2.2.3 河道淤泥制备水泥

钙离子是水泥固化剂水化反应的必需元素，而淤泥中大量的有机质对钙离子的吸附作用阻碍了该水化反应，且河道淤泥的有机质含量通常高于一般湖相、海相淤泥，因此通过直接掺量河道淤泥制备水泥的固化效果欠佳。随着水泥掺量增加，水泥固化土变形破坏特征表现为由塑性向弹-塑性变形破坏过渡[1]。

王东星等[22]利用MgO-粉煤灰固化材料，采用碳化-固化联合技术处理武汉东湖疏浚淤泥，结果表明碳化技术可促使固化淤泥试样应力-应变曲线压密阶段缩短、抗压强度显著增加，该试验在添加MgO-粉煤灰比例为7：3时获得最佳抗压强度。彭丽思等[23]对城市河道底泥固化的研究中，使用5%水泥、20%高炉矿渣和5%石灰作固化剂可使固化底泥的无侧限抗压强度和内聚力的值分别达到3.3MPa和224kPa。

建材化处理能够使清淤底泥获得最大附加值，但考虑到产品密度、抗压强度等特性要求，该处理技术对清淤底泥的消纳量有限，更适宜于小范围、短期性清淤工程的底泥处置。

2.3 路基填筑

对于处理量大、含水率高、处理周期短的河道底泥，用作路基填筑使用是最为便捷的有效途径。目前，应用于该途径的主要处置方法是固化处理技术。

不同类型的淤泥在进行固化处理时，应采取不同处置方法。曹雷[24]研究发现中低含水率的淤泥填筑路基可掺拌5%-8%的石灰，或25%-65%的建筑废料;高含水率的淤泥可通过石灰和垃圾炉渣的共同作用增强承载力，以符合路基规范的施用要求。白繁义[25]提出依据粒径、成分、力学性质、污染物含量和浸出毒性将河道淤泥分为三类，提出分类应用于路基填筑的观点，同时试验证实将土基层替换为淤泥层不会对路面行车安全造成明显影响。

另一方面，研究者也在利用河道清淤底泥的特性制备新的路基材料。Miraoui等[26]发现疏浚底泥和钢渣混合制备路基材料具有良好的力学性能和耐久性。Pembe等[27]研究了疏浚底泥作为细集料在预拌混凝土中的用途，结果表明疏浚底泥能够部分替代硅砂达到相似的集料性能，但在高比例替代的情况下，会降低混凝土的抗压强度。

河道底泥在交通工程中作为路基填筑使用具有一定的工程实践性，但仍需针对不同类型淤泥固化处理后的力学性能、耐久性、浸出性能等进行研究，为推广应用制定便于执行的标准规范。

3 总结与展望

3.1 总结

河道清淤过程在水污染防治工作中起到不可或缺的作用，清淤底泥的去向也成为近年来水环境治理研究的重要方向。底泥成分分析研究证实城市河道的清淤底泥往往存在重金属、有机物污染情况。因此只有经无毒无害化处理、确保底泥重金属及有机污染物浓度在标准控制范围内，才能以资源化利用的方式进入后续工作。

目前资源化利用主要方向为土壤化利用、建材化处理及路基填筑，诸多研究证实，清淤底泥可以一定比例替代土壤或黏土。根据利用方式的不同，可以通过掺拌石灰、煤矸石、粉煤灰等改良底泥的物理特性以适应实际需求。

3.2 展望

清淤底泥在资源化利用过程中，尚缺其理化特性的规范标准文件，未来研究可针对这方面进行系统归纳并划分，以明确不同类型底泥资源化的适用范畴。另一方面，清淤底泥的利用往往基于其理化特性，而底泥中富集的有机质决定其具有丰富的微生物菌群，目前已有对污泥中蛋白质资源化利用的研究[28]，但鲜有对清淤底泥微生物菌群的利用研究，该方向研究也可为底泥资源化利用提供新思路。

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