黑臭底泥原位资源化治理技术及工程实践

宋 嵩，李 晶，梅爱华，黄海明

（1.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523000；2.深圳市华远环境科技有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

在国家“水十条”的推动下，近年来我国水体质量总体呈改善趋势。然而，在外源污染得以控制之后，水体底部沉积的黑臭底泥仍不断释放有机污染物及氮磷，导致水体功能无法快速恢复，对水体水质构成长期威胁［1-3］，促使我国黑臭水体的治理从控源截污阶段进入消除内源污染阶段，即由地表水的治理阶段进入底泥治理阶段。

黑臭底泥的形成机制如图1 所示。河床底部沉积的有机污染物在供氧不足的情况下，经厌氧发酵使表层底泥形成厌氧甚至极度厌氧环境，底泥呈还原状态［4-5］，促使H2S、NH3等气体及FeS、MnS 等沉积物产生与释放［1,6］，导致水体发黑发臭。

图1 黑臭底泥的形成机制Figure 1 Generation mechanism of black and odorous sediment

为推动黑臭水体的治理工作，我国实行了严格环境管理标准及检查督办制度。许多地区为尽快使黑臭水体满足验收标准，采用了“大跃进”式的应急治理方式，产生了大量的清淤黑臭底泥。然而，对清淤产生的黑臭底泥缺乏有效管理，导致许多底泥不规范处置［7］。目前我国在对黑臭底泥形成的生化原因、物化特性、生物特性、力学特性等方面依旧认识不足，对黑臭底泥的处理上沿用了城市污泥的处理方法，即填埋处置，整个过程涉及污泥脱水处理、渗滤液处理及填埋场底部的防渗处理，综合土地成本、渗滤液处理成本、填埋场建设成本、填埋管理成本、脱水成本和运输成本，规范处理的总成本在500 元/m3以上［8］。为了节约成本，许多地区将黑臭底泥进行简易填埋或倾倒于沟坑塘渠，或抛撒于农田，黑臭底泥发出的恶臭严重影响了当地居民的正常生活，所含重金属污染物通过地表径流进入河流、湖泊中污染水质，或造成土壤污染。

因此，我国黑臭水体治理过程中，清淤产生的大量黑臭底泥高效利用处置问题亟待解决。针对上述问题，本研究通过具体工程实践分析，论述了就地除黑除臭、就地固化、就地资源化利用的技术原理、工程效果、技术优势及其在我国的应用前景。

2 黑臭底泥原位处理及资源化技术原理

2.1 技术原理及反应过程

将生物与化学处理技术相结合，通过向清淤底泥中加入氧化剂（过氧化钙、过氧化氢）及电子受体（硝酸盐）［9］，促使生物反应，除去黑臭物质，分解固定污染物，使底泥自然化学脱水，形成可以被资源化利用的固化体。

硝酸盐作为电子受体应用于黑臭底泥的治理工艺中已被证实是一种有效的处理方法［10-11］，反硝化细菌利用NO-3将挥发性硫化物（AVS）氧化为SO2-4，获得代谢需要的能量，反应方程式如下:在这一过程中，硝酸盐提供化合态氧，促进反硝化细菌的繁殖，进而实现硫酸盐还原菌（SRB）的生长抑制和硫化物的氧化［12-13］。另一方面，反硝化过程产生的氮氧化物（NO 和N2O 等）促使底泥的氧化还原电位（ORP）升高，抑制H2S的产生［14-15］。

污染物固化原理：在污泥中加入固化剂并充分搅拌混合后，固化剂中的氧、钙、铝、镁、硅等离子与黑臭底泥中的污染物反应生成针状的结晶物（主要成分是钙矾石）存在于泥土的颗粒结构空隙中［16］，迅速产生絮凝物沉淀，将重金属物质固化于其中［17］，使高含水率的底泥快速实现水与固体颗粒物的分离和沉积，含水率自然降低，形成与自然土体相似的固化产物。

2.2 工程实践案例分析

黑臭底泥就地除黑除臭、就地固化、就地资源化利用技术于2018 年11 月至2019 年2 月应用于广西南宁市心圩江支流罗赖沟黑臭底泥处理。首先采用勾机将罗赖沟黑臭底泥清理到河床旁边，在不同时段分别加入除黑除臭剂和固化剂。除黑除臭约耗时2～3 周，固化时间约为1 周，黑臭底泥除黑除臭与固化总成本约为150 元/m3，从清淤到资源化利用全过程总成本约250 元/m3，远低于规范化填埋处理成本。

罗赖沟黑臭底泥固化处理前后的物化指标测试结果如表1 所示。经过除黑除臭处理后底泥的AVS 降低了99.2%以上，ORP 提高了88.0%以上，含水率降低了51.8% 以上，均达到要求。该技术除黑除臭效果显著，化学脱水效果良好。

表1 南宁市心圩江罗赖沟底泥就地除黑除臭测试结果Table 1 Results of on-site deodorization of sediment in Luolai gully of Xinxu River in Nanning City

采用水平振荡法（HJ 557—2010 固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法）对罗赖沟黑臭底泥的重金属浸出毒性进行测定，底泥中污染物固化效果测试结果见表2。结果表明，经固化处理后，固化产物中总Zn、总Cu、总Ni、总Hg、总Cd、Cr6+、总Pb 的浸出液浓度分别降低了88.9%、77.8%、95.6%、75.0%、90.9%、90.5%、91.8%，根据GB 18918—2002 城镇污水处理厂污染物排放标准，达到了污染物浸出液限值要求。底泥中的重金属得到充分固定，浸出率明显降低。

表2 南宁心圩江罗赖沟底泥重金属固化效果（浸出率）测试结果Table 2 Results of immobilization effect of heavy metals from Luolai gully sediment of Xinxu River in Nanning City

罗赖沟黑臭底泥就地除黑除臭就地固化后，用作罗赖沟岸边护坡用土，并在护坡上种植绿草花卉。罗赖沟黑臭底泥处理前后照片及就地资源化利用情况见图2。采用这种方法除黑除臭效果明显，对重金属污染物的固化效果显著。固化土的承载比（CBR）为52%，大于JTG D30—2015 公路路基设计规范对路床和路堤的填料最小CBR 值，压缩系数均值为0.1 MPa-1，固化产物土力学性能良好，可以用作回填或护坡材料。固化产物上种植的花草长势良好，就地资源化利用途径具有可行性。

图2 罗赖沟黑臭底泥处理前后对比Figure 2 Comparison of sediment before and after treatment in Luolai gully

3 黑臭底泥原位处理及资源化技术优势及应用前景

3.1 原位处理及资源化利用过程

底泥固化过程实现了部分有机污染物的氧化分解及重金属污染物的固定，并形成了具有良好土力学性质的固化产物。同时，化学物质对固体颗粒的凝聚作用使底泥中的粒间水自动沥出，因经过凝聚处理，沥出水水质较优。

本工艺的特点是：处理过程简单易行，综合处理成本低廉，仅为传统方法的50%。采用自动控制实现固化剂与污泥优化配比，处理效果良好。就地处理就地利用，实现黑臭底泥的最终处置。施工周期短，二次污染少。

3.2 技术应用领域

该技术可以应用于河道、湖泊、鱼塘以及水库的清淤底泥处理处置，也可以应用到海域、渔港、码头清淤底泥处理处置。

经过除黑除臭及固化形成的固化产物可广泛地用于河道、湖库、排渠的护坡以及堤坝用土，低洼路段、坑塘、沟渠的填方用土，道路路基用土，垃圾填埋场覆盖用土，花卉、树木的绿化用土。

3.3 与其他技术的综合对比

黑臭底泥常规处理技术（如自然晾晒干化法、机械脱水法、土工管袋法）仅能降低底泥的含水率，并未解决其黑臭及重金属污染问题，对环境二次污染的潜在风险依然存在［18-20］，且处理后的底泥不能直接资源化利用，增加了后续处理流程及费用。

对于黑臭底泥处理工程设备投资，其他脱水方法需要购置大量的机械设备（如板框压滤机、水力筛、加药设备、溶药设备、装卸设备等），与之相比，就地除黑除臭、就地固化技术只需要加药、溶药设备和租用水陆两栖搅拌机，投资远小于其他技术。

对于底泥脱水运行成本，机械方法（如板框压滤机）脱水涉及杂物分离、加药等流程，动力消耗大，操作过程复杂，运行成本较高。就地固化技术只需加入药剂，搅拌均匀放置陈化即可，操作过程简单，动力消耗与人工成本较低。然而，就地固化过程需要加入多种药剂，投药量高于板框压滤过程，因此，其脱水成本略高于板框压滤过程，但其综合成本（包括底泥运输、最终处置）远低于板框压滤方法。不同技术的综合对比［18，21］见表3。

表3 黑臭底泥处理处置技术综合比较Table 3 Comparison of treatment and disposal technologies ofblack and odorous sediment

黑臭底泥就地除黑除臭、就地固化、就地利用技术具有处理过程简单、不占用土地、处理成本低、二次污染少等优势，固化产物可以作为护坡、绿化、回填、筑坝、路基等材料多渠道利用，解决了底泥的最终出路问题，与其他技术相比具有优势，因此，这种技术易于产业化推广应用并具有良好的市场前景。

4 结论与建议

1）我国黑臭水体治理产生大量的黑臭底泥。目前不规范处理处置方式存在环境风险。我国普遍采用的黑臭底泥清淤、机械脱水处理、填埋处置等方式，处理过程复杂，处理成本高，不能彻底消除黑臭污染、固定重金属，后续填埋占用大量土地，二次污染严重。

2）黑臭底泥的形成是由于耗氧性污染物沉积，在厌氧条件下形成还原性氛围，导致高价物质还原形成硫化物等黑臭味物质。通过加入过氧化物，可提高底泥的氧化能力，在生物的作用下阻断厌氧反应，消除黑臭物质。

3）以生物氧化还原及化学沉淀结晶理论为基础，采用就地除黑除臭、就地污染物固化、就地资源化利用技术集成，具有工艺过程简单、二次污染少、处理成本低、固化物具有资源化利用途径等优势，具有广阔的应用前景。