利用河道底泥制备生态修复基料

王 澜，李 佳，代群威，郭 军，王 岩

（西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）

污水不合理排放，使大量污染物进入水体，河道水体有机质含量升高［1］。有机物分解消耗溶解氧，产生有害气体和臭味，造成河道黑臭［2］。大量污染物质沉积成河道底泥，难以安全处理。底泥搅动造成污染物再次进入水体，造成二次污染［3］。

河道底泥的治理问题十分严峻，河流清淤工程是河道底泥处理的主要措施［4］，清淤后底泥主要通过堆肥和焚烧进行处理［5］。堆肥法会造成土地资源浪费和污染物渗出等问题，焚烧易造成二恶英等有害气体的产生［6］。底泥资源化利用是学者研究的重点，在土壤处理和建材生产等方面已取得一定的进展［7］。以污泥为原料还可制备活性炭［8］、陶粒［9］。

传统护坡加固混凝土易老化，生态混凝土护坡能保证植物的生长，植物根系的的生长能增强护坡的稳定性［10］。以河道底泥为原料，利用底泥中的有机质、微量元素、丰富的微生物等制备生态修复基料，可为植物的生长提供充足的营养成分，同时河道底泥中的有机物可以降低土壤重金属离子，减轻对生态系统的危害性［11-13］。利用河道底泥制备生态修复基料，可降低河道底泥处理成本，达到河道底泥资源化利用的目的。河道底泥能广泛应用于河道护坡、矿山山体修复等工程［14］，减小河道污染、山体滑坡、矿山开采生态破坏等对环境的危害。

生态混凝土护坡在防止水土流失同时，还能保持环境整体美观［15］。本研究直接利用河道底泥为原料，通过适当配比制备生态修复基料，探讨其制备工艺、抗折抗压强度、孔隙率、吸水率、浸出液营养物和重金属浓度。

1 材料和方法

1.1 原料

河道底泥取自四川省资阳市安岳县岳阳河5条黑臭支流，水泥购于绵阳凡创水泥制品厂，稻草购于绵阳隆豪农业，胶质芽孢杆菌购于潍坊瑞辰生物科技有限公司。

采用HJ717—2014《土壤 全氮的测定凯氏法》，GB/T 9837—1988《土壤全磷测定法》，NY/T87—1988《土壤全钾测定法》检测河道底泥总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK），结果见表1。三级土壤土壤各指标参照第二次全国土壤普查结果。

表1 底泥样本氮磷钾含量 （单位：g/kg）

底泥样本总氧含量均高于三级土壤，其中1、5号样品总氮含量超过5 g/kg，4号样品总磷含量超过0.8 g/kg，3、4、5号样品总钾含量超过15 g/kg。一方面，河道底泥中总氮、总磷含量较高，易造成水体二次污染。另一方面，表明河道底泥富含更高的营养物质，可作为生态修复基料的原料。综合氮磷钾含量指标，选择4号底泥为生态修复基料原料。

稻草富含有机纤维，可提高生态修复基料的力学性能，增加抗折抗压强度［16］。胶质芽孢杆菌能分解硅酸盐类矿物［17］，具有解钾、溶磷的特性，有一定程度的固氮能力［18］，同时其游离性的胞外聚合物可抵御重金属毒性［19］。

1.2 仪器设备

所用设备仪器包括荷兰帕纳科公司的X’pert⁃Pro型X射线衍射分析仪、JJ-5型水泥胶砂搅拌机、DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱、HBY-40A型水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱、DZK-6000型电动抗折试验机、ETM305F-2型微机控制电子压力试验机、SHY-2A型水浴恒温振荡器。

1.3 试验方法

参考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》制备混凝土，原料配比见表2。制备工艺流程为，将河道底泥、沙壤土搅拌均匀，加入提前进行自然发酵处理的稻草粉碎物后加入菌液搅拌1 min，加入水泥搅拌2 min，按比例加入自来水，搅拌均匀后浇筑到模具内，制作成规格为40 mm×40 mm×160 mm的混凝土块，24 h后拆模，在恒温恒湿标准养护箱中养护28 d得到成品。原料配合比如表2所示。

表2 生态修复基料配料 （单位：%）

1.4 样品分析

1）依照国家标准GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验》，用DZK-6000型电动抗折机、ETM305F-2型微机控制电子压力试验机测定生态修复基料的抗折抗压强度。

2）计算生态修复基料真密度。将试样研磨后过200目筛，制成粉末。将待测粉末浸入浸液中将其润湿，抽真空除气泡，求出粉末排出的液体，真密度计算式为

式中，m0，比重瓶的质量（g）；ms，比重瓶+粉体）的质量（g）；msl，（比重瓶+液体）的质量（g）；ρ1，测定温度下浸液密度（g/cm3）；ρ，粉体的真密度（g/cm3）。

3）参考HJ/T 300-2007《固体废物 浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》测定生态修复基料重金属含量。将生态修复基料研磨后过9.5 mm孔径筛，称取25 g样品放入锥形瓶中，按液固比20∶1（L/kg）加入浸提剂，保鲜膜封口后放置于水浴恒温振荡器中，设置温度为25℃，振荡频率为120次/min，振荡24 h后取浸出液，过0.6孔径滤膜。待测液体经消解后，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）测定浸出液中重金属含量。

2 结果与讨论

2.1 生态修复基料抗折抗压强度

养护28 d的生态修复基料通过电动抗折机和电子压力试验机测定其抗折抗压强度，结果见图1、图2。

随着河道底泥含量增加，抗折强度和抗压强度降低，这是由于河道底泥自身强度较低。随着底泥和沙壤土的添加，拌合物易离析，与水泥黏结强度下降，抗折抗压强度降低。生态修复基料中掺加有机纤维，能够提高水泥胶界面黏结性能［20］，增加稻草粉碎物含量可在一定程度上提高抗压强度。

2.2 生态修复基料孔隙率与吸水率

养护28 d的生态修复基料通过测定其真密度和表观/堆积密度测定其孔隙率，结果见表3。

表3 生态修复基料密度与孔隙率

生态修复基料各配比孔隙度都高于10%。孔隙结构会使得生态修复基料在区域水循环中有较好的渗透水、储水、净化水的作用，有利于保存水分及氮、磷、钾等营养元素，有助于植物生长。生态修复基料形成过程中底泥缩水体积减小，可自然形成多孔结构。添加的底泥比例增多，有机纤维含量减少，生态基料的孔隙率增加。

将各生态修复基料试样称重后放入水中静置15 d，测定其吸水率，结果见图3。

所有生态修复基料配比吸水率都高于10%。底泥添加比例越高，生态修复基料吸水率越高。生态修复基料具有较高孔隙率，这些孔隙具有良好的储水作用。当降雨量较大时，生态修复基料可吸收足够的水分，在天气干旱时，这些存于生态修复基料中的水分会缓慢释放出来，供植物吸收利用。同时，这些孔隙可为营养物质提供附着点，保证植物的正常生长。

2.3 最佳配比选择

综合考虑生态修复基料试样的抗压强度、抗折强度、孔隙率等性能，在试验范围内确定试样2配合比最佳。即，水泥5%、河道底泥14%、沙壤土73%、稻草粉碎物2%、水4%、菌液2%。此时生态修复基料具有一定强度，孔隙率和吸水性能较好。此配比抗折强度为0.65 MPa，抗压强度为1.185 MPa，孔隙率为17.46%，吸水率为13%。

2.4 生态修复基料浸出物测定

在浸出条件为醋酸（pH 2.64）下对试样2样品进行TN、TP、TK和重金属浓度测定，结果见表4、表5。

表4 生态修复基料浸出液TN、TP、TK浓度（单位：g/kg）

醋酸浸出条件下生态修复基料的TN浓度分别为1.239 g/kg，TP浓度为0.473 g/kg，TK浓度为9.179 g/kg，可知生态修复基料具有的营养物质能满足部分植物的正常生长，可添加肥料增加生态修复基料中的营养物质。

表5 生态修复基料浸出液重金属浓度 （单位：mg/L）

生态修复基料的Cd在醋酸条件下难以浸出，As、Cu、Zn浸出值满足国家标准GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中地表水Ⅱ类标准，Cr、Pb浸出值满足地表水Ⅴ类标准。说明制备的混凝土生态修复基料对河道底泥中重金属固化效果较好。

2.5 生态修复基料主要化学成分测定

通过X射线荧光光谱仪（XRF）对生态修复基料及主要原料的化学成分进行分析，结果见表6。生态修复基料和沙壤土化学成分相似，都含有大量的Si、Al、Ca、Fe，且大部分化学成分的含量也相差不大。

表6 材料主要化学成分 （单位：%）

3 结论

1）河道底泥成分与三级土壤相似，可作为混凝土制品原料使用。增加底泥比例、减少有机纤维比例，生态修复基料抗折抗压强度降低，孔隙度和吸水率升高。

2）生态修复基料具有一定强度，可用于护坡，孔隙率和吸水性能较好，可为营养物质和水分提供附着点。

3）试验范围内选择最佳配比为水泥5%、河道底泥14%、沙壤土73%、稻草粉碎物2%、水4%、菌液2%。

4）在醋酸浸取条件下，最佳配比混凝土生态修复基料浸出液满足国家标准GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水体标准。

5）生态修复基料和沙壤土化学成分相似，大部分化学成分的含量也相当。