河道清淤淤泥基绿化种植土的制备及可行性研究

李岚峰，胡兴龙，林 立，万 情，聂怀军，江 东

（1.水木金谷环境科技有限公司，广东 佛山 528200；2.浩华环境科学有限责任公司，湖北 武汉 430200）

0 引言

河道内源污染的治理是河道综合整治的关键环节之一，环保清淤是河道内源污泥治理的有效手段。如何合理处置环保清淤过程中产生的大量淤泥是一个亟待突破的环境问题[1]。

河道淤泥是在静水和缓流水环境中沉积并富集污染物的细颗粒土，其主要成分为硅铝酸盐等无机矿物，化学成分与黏土类似，主要由SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO 和MgO 等组成[2]。另外，受沿河流域人居生活、农业发展、工业生产的影响，河道淤泥中往往含有重金属N，P，K 等元素、病原体和持久性有机污染物等，增加了淤泥合理处置的难度[3]。

淤泥的弃置和无序填埋不仅会造成土地资源的浪费，也容易造成环境的二次污染，已不符合当今国情，淤泥的资源化利用是现阶段和未来可持续发展的必然选择。目前，河道清淤淤泥资源化方式主要包括土壤化利用、建材化处理和路基填筑填方材料[4]。河道淤泥的理化性质与自然土壤相似度高。河道清淤淤泥土壤化利用是对其可回收关键元素（如C，N，P，K 等）的最优利用方式[5]。熊红霞等[6]对太湖某港湾的干化疏浚淤泥理化特性和营养成分进行分析，发现该淤泥含有丰富的N，P，K 等植物生长所需的营养元素，且重金属含量低于标准值，适用于景观园林用土；杨丹等[7]通过将河道淤泥以不同比例掺入土壤中，研究其对土壤理化性质和微生物生物量C,N 变化的影响，发现河道淤泥的添加能够改善土壤持水性能和提高土壤的养分含量。上述研究虽为河道清淤淤泥制备绿化种植土提供了理论基础，但目前仍缺乏河道淤泥制备绿化种植土的工程实践。以深圳市坪山某河道的清淤淤泥为研究对象，采用新型搅拌分散工艺和快速好氧堆肥技术制备成淤泥基绿化种植土，通过对不同配方土样好氧堆肥过程中土样理化性质变化的分析，并采用种子发芽实验及盆栽实验对河道清淤淤泥制备绿化种植土的可行性进行了系统验证。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验用淤泥取自深圳市坪山某河道，含水率约90%，其主要组分及占比见表1。试验选用大豆秸秆粉作为生物质调理剂，大白菜种子和绿植苗株（月季花苗、栀子花苗、香樟树苗）作为盆栽实验研究对象。

实验主要设备：利勃海尔盘式行星搅拌器、小料自动配料称量器、便携式pH 值计、便携式电导率测定仪和水银温度计等。

表1 深圳市坪山某河道清淤淤泥的主要成分及占比 %

1.2 试验过程

河道清淤淤泥基绿化种植土的制备工艺过程，见图1。由图1 可以看出：①环保清淤出的淤泥经管道输送至预处理平台，通过淤泥调理和机械脱水得到有设计含水率的脱水泥饼；②将脱水泥饼破碎均匀后按设计配方称重配料，利用利勃海尔盘式行星搅拌器实现脱水泥饼与生物质掺料的强化搅拌混合；③将混合好的配方土样接种微生物菌剂，在通风环境下进行好氧堆肥，定期翻堆并监测相关指标；④通过白菜种子盆栽试验和植株栽植试验验证河道清淤淤泥基绿化种植土的可行性。试验中河道清淤淤泥基绿化种植土的制备配方见表2。

图1 河道清淤淤泥资源化制备绿化种植土工艺流程

表2 河道清淤淤泥基绿化种植土配方

1.3 指标分析与测定方法

为科学系统地考察河道清淤淤泥、脱水泥饼及绿化种植土相关理化性质，对各样品进行以下指标检测分析：①含水率。用烘干法测定河道淤泥、脱水泥饼和绿化种植土的含水率；②pH 值。采用便携式pH 值计测定样品pH 值；③温度。采用水银温度计监测快速好氧堆肥过程中堆体温度变化；④电导率（EC）。采用便携式电导率测定仪测定样品电导率变化；⑤重金属含量。根据GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》 中的方法测定淤泥中重金属含量。

2 结果与讨论

2.1 河道清淤淤泥污染评估

淤泥中重金属污染是指污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入水体后沉积到淤泥中并逐渐富集的现象，重金属污染淤泥会对上覆水体，水生动植物乃至人类健康构成极大的威胁[8]。试验通过对常见的重金属指标进行检测，其结果见表2。由表2 可以看出，所有检测指标均在绿化种植土壤I 类标准限值范围内，可用作水源涵养林等属于自然保育的绿（林）地土壤。

表3 河道清淤淤泥重金属污染检测结果 mg·kg-1

2.2 河道清淤淤泥减量化处理

环保清淤出的河道淤泥含水率较高，在清淤现场对淤泥进行减量化处理可有效降低淤泥运输成本和后端处理机械能耗，同时可避免淤泥的二次污染。在清淤现场采用石灰和聚丙烯酰胺（PAM）对淤泥进行调理，利用板框压滤机实现机械脱水。根据河道清淤淤泥基绿化种植土的制备要求，设计脱水泥饼含水率不超过40%，随机抽样7 个批次脱水泥饼进行含水率检测，其结果见图2。由图2 可以看出，选取的7 个批次脱水泥饼含水率均在28.8%～36.7%之间，低于设计标准的40%，符合设计需求。

图2 不同批次河道清淤淤泥减量化后的含水率

2.3 河道清淤淤泥基绿化种植土的制备

2.3.1 “一锅法”物料混合搅拌分散工艺优化

采用石灰固结压滤脱水工艺产生的低含水率脱水泥饼往往结构紧实，容易固结成块[9]，不能直接用作绿化种植土。为保证物料搅拌混合均匀度，使土样满足标准的土壤入渗率和孔隙度，研究开发出4 种“一锅法”物料混合搅拌分散工艺实现对泥饼的破碎均匀化处理。“一锅法”物料混合搅拌分散工艺主要是将物料分批次或同批次送入搅拌器中进行混合搅拌，利用搅拌器行星转子促使物料间相对运动，使物料在搅拌仓中相互碰撞、摩擦，达到团状物料破碎分散、多种物料均匀混合的效果。4 种不同“一锅法”物料混合搅拌分散工艺的具体方式和搅拌效果见表3。通过目测法对比，直接混合搅拌方式的效果优于脱水泥饼和生物质掺料分批搅拌，并且在搅拌时长为180 s 可取得最佳效果，因此试验选取直接混合

搅拌180 s 作为物料混合搅拌工艺。

表4 4 种物料搅拌混合工艺对比

2.3.2 种植土好氧堆肥效果分析

将混合均匀的混合料运至通风室，加入适量的好氧堆肥微生物菌剂促进混合料快速腐熟，并对堆肥过程中土样的温度、酸碱度和含盐量等关键指标进行定期监测。

（1）好氧堆肥过程中堆体温度变化

好氧堆肥共经历升温阶段、高温阶段、熟化阶段和后腐熟阶段4 个过程[10]。升温阶段时的嗜温微生物快速降解混合料中糖分、淀粉类等可溶解和易降解有机质，导致温度快速上升并进入高温阶段。高温阶段时的嗜热微生物成为优势菌群，纤维素和半纤维素等难降解有机质开始被分解。通常高温阶段温度越高，微生物活性越高，病原微生物灭活效果越好。随着混合料中有机物的耗尽，微生物活性逐渐降低，堆体温度下降进入熟化阶段和后腐熟阶段，这2个阶段微生物进一步分解了残余难降解的木质素并产生腐殖质，提高了土壤肥力。好氧堆肥过程中河道清淤淤泥基绿化种植土堆体温度变化情况见图3。由图3 可以看出，对于配方1（1 ∶0），因未掺入生物质，缺乏微生物生命活动的营养物质，微生物活动微弱，故堆体温度随环境温度变化保持一致。对于其它掺入生物质的配方，由于具备丰富的营养物质和氧气，微生物群落和丰度的交替演变导致堆体温度呈先升后降的趋势[11]。整个升温、降温的过程可有效杀灭病原微生物并提高河道清淤淤泥基绿化种植土的肥力。同时随着生物质掺料的掺量越大，温度越高，土样堆积发酵效果越好。

图3 河道清淤淤泥基绿化种植土堆体温度随堆肥时间的变化

（2）好氧堆肥过程中土样的pH 值变化

好氧堆肥过程中河道清淤淤泥基绿化种植土堆体的pH 值变化情况见图4。因试验在淤泥减量化处理过程中加入石灰作为调理剂，导致脱水泥饼及混合料呈高碱性，pH 值为11.2。土样的pH 值变化通常是由于微生物分解成有机质时产生的有机酸和腐殖酸导致的。由图4 可以看出，配方1（1 ∶0）由于未掺入生物质掺料，微生物只能分解淤泥中少量可降解有机质，产生微量有机酸，因此配方1 的pH 值变化幅度小且下降缓慢。其它配方土样，在升温阶段时微生物因分解混合料中丰富的有机物并产生大量的有机酸，导致土样pH 值快速下降。经过高温阶段和熟化阶段，土样的pH 值即可达到绿化种植土壤的pH 值标准（5.0 ≤pH 值≤8.0）。在后腐熟阶段，微生物进一步进行生命活动产生腐殖酸[12]，逐渐将土样的pH 值调节在绿化种植土最优中性pH 值范围（6.5～7.0），并保持稳定。

图4 河道清淤淤泥基绿化种植土pH 值随堆肥时间的变化

（3）好氧堆肥过程中土样含盐量变化

高含盐量土样可抑制微生物的生长，降低肥效，而且容易损坏作物根系，长期使用还会导致土壤盐碱化。试验采用EC 值（电导率）表征土样的可溶性盐含量，堆肥过程中土样含盐量变化情况见图5。由图5 可以看出，掺入生物质可提高土样的EC 值，随着堆肥时间的延长，EC 值逐渐降低，说明好氧堆肥的过程可有效降低土样的含盐量，提高土壤质量。在好氧堆肥过程中，随着温度的上升，土样中部分氨氮逐渐挥发[13]，并有部分氨氮合成有机氮，导致水溶性氨氮含量下降。另外，土样中K,Ca,Na,Mg 等金属元素由可交换态和碳酸盐结合态转化为有机结合态和残渣态[14]，以上反应过程均可降低土样的含盐量。不同配方的土样经过20 d 好氧堆肥后，土样的EC 值均降至在0.8～1.7 之间，达到绿化种植土壤的EC值标准，既能为作物提供盐分，又能保证作物根部不受损伤。

图5 河道清淤淤泥基绿化种植土含盐量随堆肥时间的变化

2.4 绿化种植土可行性试验

2.4.1 白菜种子发芽率试验

为验证试验制备的绿化种植土可应用性，选用大白菜种子进行发芽率实验。在同一时间，在装有相同量不同配方绿化种植土的种植盆中分别播种30颗白菜种子，并用本地土壤作为对照实验组，每个实验组设置3 个平行样，播种7 d 后进行发芽率统计，白菜种子发芽率结果见图6。由图6 可以看出，不同配方制备的绿化种植土的白菜种子发芽率呈现明显差异，配方1 的白菜种子发芽率仅为73.3%，未达到绿化种植土壤种子发芽率标准。而配方2 中白菜种子发芽率可达到93.3%，与本地土壤达到相同水平。另外，配方4 和配方5 的种子发芽率分别达到80%和83.3%，达到绿化种植土壤种子发芽率标准（≥80%）。

图6 河道清淤淤泥基绿化种植土种子发芽率情况

2.4.2 园林植物栽植试验

为进一步验证试验制备的绿化种植土的可应用性，选用具有代表性的园林绿化常用植物月季花苗、栀子花苗和香樟树苗对配方2 （脱水泥饼/秸秆粉质量比=2 ∶1，大白菜种子发芽率最高）、脱水泥饼和本地土壤进行栽植实验对比，各组绿植种植30 d 后生长状态见图7。对于香樟树苗，各组生长情况差异不大，均保持100%的存活率，且植株均有3～5 cm的增长，推断原因为香樟树具有较强的适应性和耐盐碱性，对土壤要求不高。对于栀子花苗和月季花苗，各组植株生长情况依次为：配方2 ＞本地土壤＞脱水泥饼。脱水泥饼种植组中月季花和栀子花均出现叶片枯黄坏死的现象，推断原因可能与脱水泥饼呈碱性和孔隙率较低有关，而配方2 种植组中月季花和栀子花均有20～30 cm 的植株增长，尤其是月季花苗均长出花苞，并有少数植株已开花。通过以上盆栽实验证实了试验制备的河道清淤淤泥基绿化种植土的可行性。

图7 河道清淤淤泥基绿化种植土栽植实验情况

3 结论

（1）坪山河河道清淤淤泥中重金属含量均在绿化种植土壤I 类标准限值范围内，适用于制备绿化种植土。

（2）脱水泥饼通过与生物质掺料充分混合搅拌后经快速好氧堆肥制备成河道淤泥基绿化种植土。堆肥过程中土样的理化性质发生一系列变化：生物质的掺入为微生物群落和丰度的交替演变提供了营养物质和外在条件，生物质掺料掺量越大，发酵温度越高，杀灭病原微生物和提升土样肥力效果越好；快速发酵过程产生的有机酸和腐殖酸能有效地调节土样的pH 值并保持稳定；同时，快速发酵过程通过降低水溶性氨氮含量和转化碱金属形态有效稳定了土样的含盐量。

（3）河道淤泥基绿化种植土白菜种子发芽率可达到绿化种植土壤种子发芽率标准，代表性园林绿植在各种植组中生长情况依次为：河道淤泥基绿化种植土＞本地土壤＞脱水泥饼。

（4）试验证明了河道清淤淤泥制备绿化种植土的可行性，为我国河道内源治理中淤泥的合理处置提供了科学思路。