生态综合整治中内河底泥的再生技术路径

曾海波

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066)

河湖库底泥的减量化、无害化、资源化以及高效化再生处治事关全球生态环境。然而，目前世界范围特别是发展中国家生态环保形势依然严峻。城市以及工业的发展使得内河流域受耗氧有机物、氮磷等营养元素污染日趋严重，甚至部分流域存在重金属污染，并且成为氮磷等营养物质和有机质的蓄积库，水体自然生态平衡遭到破坏。现有河道底泥治理措施包含疏浚、化学修复、生物修复技术等。然而，疏浚工程作为主要治理方案，虽然可以改善河流水质，但清淤后的疏浚底泥大多采用堆放、吹填等常规处置方法，进而导致不少生态破坏或环境污染问题。为解决疏浚底泥带来的环境问题，实现底泥高效的资源化处理，论文系统归纳了近年来学者或相关从业者对疏浚底泥再生利用路径中就地处理、土地利用、建材制备和路基填筑四大方面的研究与应用现状，以期为城市内河流域生态综合整治中内河底泥的再生利用提供技术支持。

1 就地处理

“ISER河道疏浚底泥制备生态护岸技术(In-Situ River Ecological Remediation,ISER)”是将底泥疏浚后直接以生态护坡、护岸的形式进行处理，作为一种底泥原位生态修复技术，其在河道、岸线治理工程中，具有成本低、处理速度快、对环境友好等特点[1]。王天驰[2]在伊通河长春市区段设立的疏浚底泥就地处理系统工作原理如图1所示。该系统运行5个月后检测表明，系统对底泥中氮、磷等元素处理能力较好，河柳生长状况良好，相较填埋方式，每处理1 m3底泥约节省27.5%成本。上海崇明区ISER型示范工程[1]采用固结剂、秸秆粉、树脂粉处理后的疏浚底泥满足生态护岸材料目标强度、密度、孔隙率等参数。该工程施工前和竣工一年后的监测数据显示，河道沿岸生态和水质状况恢复良好。

2 土地利用

土地利用是将疏浚底泥应用于土壤中，具体包括农业、园林及土地修复等场景。底泥中不仅氮、磷含量丰富，且富有腐殖质，在供肥保肥的同时，可以改良土壤特性，是具有极大潜力的底泥处置方式。但是，近年来我国部分河湖底泥重金属污染问题受到关注，因此底泥的土地利用需考虑到重金属种类及含量对土壤、动植物、食物链污染的潜在可能性，必要时进行重金属处治。

2.1 农业应用

薄录吉[3]和杨丹[4,5]分析了不同比例的底泥添加对水稻、玉米和油菜生长效应的影响。结果表明，底泥能明显提高土壤中的有效养分，但疏浚底泥的过量掺入反而影响了农作物生长，故需要严格控制底泥用量或对底泥进行去重金属处理后用于农田。朱本岳[6]则将底泥以25%的质量比掺入化肥中制备复混肥用于农田，种植的蔬菜总量与采用进口复合肥的蔬菜产量差异不大，但成本可降低19%。其中，不同肥料处理的蔬菜产量见表1。

表1 不同肥料处理的蔬菜产量

2.2 园林利用

底泥的施用促进了黑麦草和紫花苜蓿[7]的发芽率，有利于广玉兰树[8]的生长，提高了园林的观赏价值。同时，植物对底泥中的重金属有一定的富集作用[9]，故一般不会造成园林土壤的重金属污染，不同植物及植物部位对底泥重金属吸收能力见图2。同时，园林绿化植物不会进入食物链，因此也不易带来食物链污染的危害。

2.3 土地修复

河湖底泥可作为人造土壤修复严重扰动的土地，通过改善土地中的养分，促进植物生长的同时避免水土流失问题[10,11]。其中，河湖底泥制备人造土壤方式见表2。

表2 河湖底泥制备人造土壤方式

3 建材制备

底泥的矿物成分决定了底泥可以作为部分代替建材产品的原材料。目前，较普遍的底泥建材化处置制备的产品主要包括砖、陶粒和水泥。

3.1 底泥制砖

疏浚底泥中SiO2、Al2O3等成分与制砖所需原材料化学成分基本相近，故可用于制砖[12]，而采用不同掺配材料和工艺可制得不同性质的砖。复配材料固化底泥制砖施工工艺流程[13]如图3所示。对底泥进行550 ℃的煅烧预处理，然后与辅料进行高温烧结可制备透水砖[14]，所制备砖符合透水性能要求且抗压强度为37.5 MPa。底泥和粉煤灰组合并采取一定的工艺可以烧制瓷质砖[15]，当底泥掺量在55%左右，烧成温度在1 110～1 180 ℃之间时，瓷胚的性能最好。

3.2 底泥制陶粒

疏浚底泥免烧陶粒(DSUC)可用于净水，效果与商品烧结陶粒(CSC)相差不大[16]，但免烧陶粒技术研究较少。以底泥、造孔剂、水泥为原材料烧制的底泥陶粒可安全用于水中，且在pH=6时具有较强的吸附磷效果[17]；控制Al2O3掺量为8.10%，并在1 025 ℃下烧结14 min后制备的底泥陶粒具有较大的孔隙[18]，将其回填入受污河流中可为金属元素与磷酸根离子提供更多结合通道，实现河道污染水体治理的同时，河床面稳定性也有所增加。

研究表明，稻壳掺量为20%的底泥基陶粒在一定的烧结工艺下具有较强的吸附重金属离子能力[19]；疏浚底泥、粉煤灰、黏土按4∶2∶4的质量比配置后可在一定温度和时间控制下制备出轻质陶粒[20]；而以河道底泥、污水污泥、黏土为原材料的陶粒因烧结时间的不同可用于水处理和建筑用轻骨料两种途径[21]。

3.3 底泥制水泥

对含有大量无机成分且重金属超标的河道底泥，可利用回转窑协同处置技术生产水泥熟料[22]，从而降低底泥预处理成本。水泥窑协同处置河道底泥工艺流程图如图4所示。

经试验和应用研究，掺入量为5%时的河道疏浚底泥制备的水泥熟料质量与原水泥无明显差异，该工艺实现了60 000 m3底泥的资源化应用。

4 路基填筑

底泥经一定技术处置后作为路基填料，具备强度高、不易沉降等工程效果。絮凝剂和固化剂的复配使用[23]，使泥浆的物理力学性能得以提升，其底泥改性前后性能数据见表3。

表3 底泥改性前后性能对比

周伟[24]研究发现水泥的掺入可有效提高疏浚底泥强度，并采用20%掺量水泥基固化土作为填料用于公路路基工程，效果良好。此外，开发的改进型CAS固化剂(MCAS)复配CaO、聚合氯酸铝PAC和CaSO4，用于改性疏浚底泥，其无侧限抗压强度及塑性指数如图5所示[25]。图5中MCAS材料角标为固化剂三种原料的摩尔比(CaO∶PAC∶CaSO4)。试验结果表明，MCAS3/1/3、MCAS3/1/4固化剂与聚丙烯酰胺复掺改性后的疏浚底泥性能满足路基回填土相关要求。

5 结 语

在城市内河流域综合整治过程中，清淤是最重要且高效的一环，同时疏浚底泥的再生利用也愈加受到重视。河湖疏浚底泥中存在耗氧有机物、氮磷等营养要素，甚至有重金属，而底泥的再生利用路径也因不同区域底泥中各组分含量而异，必要时需进行脱水减量化、无害化处理后方可进行资源化应用。目前，我国生态综合整治中内河底泥的再生利用主要路径为就地利用、土地利用、建材制备和路基填筑四大方面。其中就地利用虽具有原位修复、运输成本低等优势，但受到当地地形地势的影响，无法保证底泥完全二次利用；而底泥用于建材制备、路基填筑时需根据相关技术要求对底泥进行预处理，现有处理技术包括固定化技术、热处理技术、堆肥法、生物修复法、电动力学技术等；底泥性质与土壤相似，同时富有有机质和植物生长所需氮、磷等元素，可增强土壤肥力，有利于受损土地修复及植被生长，且能以最低成本实现底泥资源化利用，故土地利用是生态综合整治中内河底泥的再生利用的最佳路径，但需要重视底泥中重金属种类及含量。