梁塘河底泥污染特征及資源化利用分析

王維琳，姜翠玲，孫敏華，張 鵬，郭 赟

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 南京 210098；2.無(wú)錫城市發(fā)展集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

?

· 水環(huán)境 ·

梁塘河底泥污染特征及資源化利用分析

王維琳1，姜翠玲1，孫敏華1，張 鵬1，郭 赟2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 南京 210098；2.無(wú)錫城市發(fā)展集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

梁塘河作為城市河道，其底泥的主要污染物為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中全磷的含量較為豐富，達(dá)到了二級(jí)營(yíng)養(yǎng)水平；重金屬中銅的污染程度最大，其次為鉻、鎘和鉛。根據(jù)污染物垂直分布分析，其含量普遍在20～40cm泥層最高，在40～60cm泥層最低，因此最佳清淤深度為50cm左右。針對(duì)清淤后的底泥，從可行性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面分析各種底泥資源化利用方法，認(rèn)為直接施用于城市公園建設(shè)和湖濱帶修復(fù)是梁塘河底泥方便可行、成本低廉的資源化利用手段，且滿足城市可持續(xù)發(fā)展的需求。

梁塘河;底泥;污染特征;資源化利用

1 前 言

梁塘河位于無(wú)錫太湖新城，東與京杭大運(yùn)河相通，西連五里湖[1]。與自然河道相比，梁塘河這樣的城市河道與人類(lèi)的相互作用更為密切[2]，它可以為城市的生活和生產(chǎn)提供便捷的水源，為周?chē)用駝?chuàng)造休憩娛樂(lè)和接觸自然的空間，因此其流域的水環(huán)境、水生態(tài)擁有著重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)境意義[3]。

然而隨著太湖新城經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水和攜帶大量污染物的城市地表徑流大量排入梁塘河。由于梁塘河屬窄淺型河道，且相對(duì)靜止，污染物質(zhì)極容易沉積到河道底泥中，使得底泥中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和重金屬含量高于上覆水幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是不可忽視的二次污染源[3-4]。因此，對(duì)嚴(yán)重污染的底泥進(jìn)行清淤是減少水體內(nèi)源污染，改善梁塘河水質(zhì)的必要措施之一。然而，底泥在清淤后如何進(jìn)行資源化利用也是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。目前，清淤多集中在湖泊和航道底泥上，底泥的資源化利用研究也多圍繞于傳統(tǒng)的土地利用和燒磚制瓷。因此，分析城市河道底泥的污染特征，并尋找到適合城市河道底泥資源化利用的方法是城市發(fā)展的新需求和新方向。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域及內(nèi)容

根據(jù)代表性和整體性原則，從梁塘河上游至下游共確定了9個(gè)底泥采樣區(qū)，依次標(biāo)記為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#(圖1)，采樣深度為0～100cm。監(jiān)測(cè)了底泥中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和6種主要重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb的含量，為污染特征分析和資源化利用研究提供數(shù)據(jù)支撐。污染特征分析方法將從水平分析、垂直分布、營(yíng)養(yǎng)特征及重金屬特征4個(gè)方面進(jìn)行。

2.2 底泥污染特征分析方法

2.2.1 水平污染分布

梁塘河上游與京杭運(yùn)河相連，運(yùn)河水?dāng)y沙量

圖1 梁塘河采樣區(qū)示意Fig.1 Sketch map of the sampling area

大，導(dǎo)致梁塘河上游底泥的含沙量較大，且上游屬于航道，擾動(dòng)大，因此淤積深度較淺。梁塘河下游聯(lián)通太湖流域的五里湖，五里湖淤積深度大，底泥污染嚴(yán)重[1]，因此梁塘河下游段淤積較深，且底泥發(fā)黑發(fā)臭。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析底泥的水平污染分布特征，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 污染物水平分布Fig.2 Horizontal distribution of the pollutants

2.2.2 底泥垂直污染分布

由于梁塘河中上游(1#、2#、3#、4#、5#)底泥淤積淺，污染程度小，沒(méi)有清淤的必要；梁塘河中下游(6#、7#、8#、9#)淤積深，污染程度大，是清淤的主要河段，因此垂直污染分析均圍繞中下游河段進(jìn)行。

對(duì)不同深度底泥的污染狀況進(jìn)行分析可以初步確定清淤深度，且可以為各層底泥不同的污染特征采用不同資源化利用手段提供依據(jù)。將底泥分為0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm五層，計(jì)算6#、7#、8#、9#個(gè)采樣區(qū)各層污染物的平均含量作為該層的代表值,其垂直變化見(jiàn)圖3。

圖3 污染物垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of the pollutants

2.2.3 底泥養(yǎng)分特征

底泥的污染特征將直接決定其資源化利用方法，其中底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的豐貧與其土地利用方式息息相關(guān)。將0～20cm、20～40cm、40～60cm三層底泥的土壤養(yǎng)分指標(biāo)與土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(全國(guó)第二次土壤普查推薦值[5]，表1)進(jìn)行對(duì)比，得出梁塘河底泥養(yǎng)分分級(jí)(表2)。土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)共有六級(jí)，其中六級(jí)為最低營(yíng)養(yǎng)水平，一級(jí)為最高營(yíng)養(yǎng)水平。

表1 全國(guó)第二次土壤普查推薦值Tab.1 Recommended values of Second National Soil Survey(g/kg)

表2 梁塘河底泥養(yǎng)分分級(jí)Tab.2 Classification of nutrient in sediment of Liangtang river

2.2.4 底泥重金屬特征

除了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，重金屬因其去除難、危害大的特點(diǎn)，其含量的多少也會(huì)直接影響底泥資源化利用的方式。將梁塘河底泥重金屬含量與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995[6]，表3)進(jìn)行對(duì)比，得出梁塘河底泥土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)別(表4)。其中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是為保證區(qū)域自然生態(tài)，維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量限制值，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)維護(hù)人體健康的土壤限制值，三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤臨界值。

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Soil Environmental Quality Standards(mg/kg)

表4 梁塘河底泥土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)別Tab.4 Classification of quality standard of sediment

3 結(jié)果與分析

3.1 梁塘河底泥污染特征

水平分布上，無(wú)論營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)還是重金屬含量普遍在中下游采樣區(qū)含量較高。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)方面，總磷含量普遍較，說(shuō)明總磷在城市河道底泥污染中占了較大比例。有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷均在6#采樣區(qū)達(dá)到最高值；重金屬方面，同樣由于6#采樣區(qū)周邊銅加工廠等企業(yè)較多，因此鉻、銅和鉛含量均在6#采樣區(qū)最大，而鎘在8#采樣區(qū)含量最高。綜合來(lái)看，6#～8#河段最需要進(jìn)行清淤。

垂直分布上，有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的最小含量均在40～60cm泥層；汞和鎘在深度范圍內(nèi)基本無(wú)變化，砷、鉛和鉻的最小含量同樣在40～60cm泥層，銅的最小含量在20～40cm泥層。更深的泥層污染物含量反而增加主要是由于近些年對(duì)沿岸的工廠進(jìn)行了整治，關(guān)閉了一些大量排污的企業(yè)，導(dǎo)致后面淤積的底泥污染程度反而比下層底泥污染程度小。因此清淤的最佳深度因在50cm左右。

梁塘河底泥的有機(jī)質(zhì)和全氮含量屬中低水平，但全磷營(yíng)養(yǎng)等級(jí)較高，說(shuō)明梁塘河底泥污染中，全磷所占比例較大，周邊含磷的生活污水排放量較大，綜合考慮梁塘河底泥營(yíng)養(yǎng)水平一般。重金屬等級(jí)上，因梁塘河附近有一家銅加工廠，除了0～20cm深度的底泥銅含量屬于三級(jí)，其他重金屬均在二級(jí)及二級(jí)以上，說(shuō)明梁塘河底泥重金屬污染程度中等，能保障植物的正常生長(zhǎng)，且不危害人體健康。城市河道底泥的重金屬主要來(lái)源于排入河道的工業(yè)廢水，取締污染嚴(yán)重的工廠，控制工業(yè)廢水排放是減少河道及底泥重金屬污染的根本辦法。

3.2 梁塘河底泥資源化利用分析

現(xiàn)較為成熟的底泥資源化利用方式主要包括土地利用和制作建筑原材料兩方面，土地利用包含了施用于農(nóng)田、林地、綠化用地及建設(shè)濕地；建筑原材料包括陶粒、磚瓦、瓷磚、水泥和填方材料[7]。本文從這幾個(gè)方面分析梁塘河底泥的資源化利用方式

3.2.1 直接施用于農(nóng)田

已有大量研究報(bào)道，施用城市底泥對(duì)作物具有增產(chǎn)作用。通過(guò)蔬菜盆栽實(shí)驗(yàn)研究了底泥農(nóng)田應(yīng)用對(duì)蔬菜種植的影響。研究表明，運(yùn)河底泥種植蔬菜能提高植物種子的發(fā)芽率和生長(zhǎng)速度[8]。李翔等通過(guò)不同組合的穩(wěn)定劑對(duì)底泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理后，植物的重金屬吸收率大大降低，農(nóng)田應(yīng)用對(duì)作物的危害會(huì)更小[9]。劉夢(mèng)等通過(guò)對(duì)8種不同植物施用活性污泥的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在合理的施用范圍內(nèi)，底泥不僅能提高作物產(chǎn)量，而且能提高作物品質(zhì)[10]。

梁塘河底泥總體的營(yíng)養(yǎng)水平不高，但重金屬含量小于保障農(nóng)林業(yè)正常生長(zhǎng)的臨界值，在進(jìn)行堆肥或進(jìn)行氮肥混合后可適當(dāng)用于農(nóng)田。

3.2.2 直接施用于城市綠化用地

由于城市河道存在于城市市區(qū)，因此底泥就近施于不進(jìn)入食物鏈的城市綠化用地不失為一個(gè)很好的處置方法。由于底泥的質(zhì)量容易控制,創(chuàng)新底泥在城市綠化中的應(yīng)用模式具有巨大潛力[11]。另外，底泥作為綠化用地具有用量大、技術(shù)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，且施用底泥能夠促進(jìn)樹(shù)木、花卉、草坪的生長(zhǎng)，提高其觀賞品質(zhì)[12]。從重金屬方面考慮，即使重金屬含量小于農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，但不保證在農(nóng)用過(guò)程中仍有一定的累積性，因此底泥投放于綠化用地比投放于農(nóng)田更具可行性，且其重金屬和有機(jī)污染物對(duì)地下水污染的潛在危險(xiǎn)性大大降低[8]。

無(wú)錫太湖新城屬于新近開(kāi)發(fā)地段，周邊生態(tài)環(huán)境有待提高。梁塘河周邊擬建市民生態(tài)公園，提高其城市品味。梁塘河底泥的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬均符合標(biāo)準(zhǔn)，清淤后可直接用于建設(shè)公園，方便可行且成本低廉。

3.2.3 湖濱帶修復(fù)及濕地、棲息地建設(shè)

梁塘河與五里湖聯(lián)通，清淤后的底泥也可以用來(lái)進(jìn)行湖濱帶修復(fù)，加固大堤，加寬湖濱大道，具有重要的生態(tài)建設(shè)意義[13]。另外，底泥也可以在周邊建設(shè)濕地和動(dòng)物棲息地，國(guó)外已有一些成功運(yùn)用底泥進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的案例，通過(guò)實(shí)際的工程驗(yàn)證了利用底泥進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的可行性，如荷蘭及華盛頓都曾利用疏浚底泥建設(shè)成濕地；美國(guó)阿拉巴馬州的蓋亞爾渠是疏浚底泥的處置場(chǎng)所，直接在疏浚底泥上種植濕地植物作為野生動(dòng)物的棲息地[14]。因此無(wú)錫太湖新城也可借鑒國(guó)外成功案例，打造生態(tài)濕地，形成生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展共存的可持續(xù)發(fā)展模式。

3.2.4 制作建筑材料

一些學(xué)者對(duì)城市河道底泥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，只要對(duì)底泥的成分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，經(jīng)高溫焙燒后就能燒制出符合標(biāo)準(zhǔn)的粘土陶粒產(chǎn)品和普通磚等材料[15-16]。而且由于燒制陶粒和磚瓦等材料必須經(jīng)過(guò)1 000℃以上的高溫，在高溫下有機(jī)物將分解或氣化，不會(huì)殘留在燒制品中，只有重金屬才有可能存在于成品中。因此王中平等學(xué)者又將成品放入普通水中進(jìn)行浸析，結(jié)果未見(jiàn)有重金屬溶出，表明底泥中的重金屬將大部分固熔于這些材料中，基本避免了二次污染。揚(yáng)磊等學(xué)者的蘇州河底泥生產(chǎn)水泥熟料技術(shù)研究也表明，底泥可以滿足水泥生料的配料要求，因此底泥應(yīng)用在生產(chǎn)水泥熟料在技術(shù)上也是可行的[17]。

但梁塘河周邊沒(méi)有制造建筑材料的工廠，而運(yùn)輸?shù)啄嗟馁M(fèi)用較高，成本花費(fèi)太大，因此從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，梁塘河底泥不適合用于制作建筑材料。

綜合考慮可行性和經(jīng)濟(jì)性，以上幾種資源化利用方式中直接施用于城市公園和進(jìn)行湖濱帶修復(fù)最符合梁塘河周邊發(fā)展的實(shí)際情況。采取這樣的資源化利用方式，在清淤后不僅能夠緩解梁塘河底泥黑臭，水質(zhì)較差的現(xiàn)狀，還能夠修復(fù)兩岸的生態(tài)環(huán)境，為市民提供休閑娛樂(lè)的場(chǎng)所。

4 結(jié) 論

4.1 無(wú)錫市梁塘河作為城市河道，受周邊工農(nóng)業(yè)排放和生活污水影響，底泥的主要污染物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)、氮、磷和重金屬。在垂直方向上，污染物含量普遍在40～60cm處最小，清淤的最佳深度在50cm左右。

4.2 梁塘河底泥有機(jī)質(zhì)和全氮含量屬中低水平，全磷含量較為豐富，總的來(lái)說(shuō)營(yíng)養(yǎng)程度一般；重金屬中，因梁塘河周邊有銅加工廠，因此銅的含量最高只達(dá)到了土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，鉻、鎘和鉛達(dá)到了二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，砷和汞達(dá)到了一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 根據(jù)梁塘河底泥污染特征，建議清淤后底泥直接用于周邊公園建設(shè)及湖濱帶修復(fù)，低成本，易操作，不僅能夠有效地利用底泥資源，還可以創(chuàng)造一定的人文價(jià)值，是人與自然和諧共處的城市發(fā)展新道路。

[1] 羅清吉,石浚哲. 五里湖淤泥現(xiàn)狀及生態(tài)清淤_羅清吉[J]. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2003,15(1):27-29.

[2] 肖 靚,趙文濤,欒敬帥,等.城市河道黑臭評(píng)價(jià)模型及控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,(26):9116-9120.

[3] 柏學(xué)凱.城市河道底泥污染分析與抑制方法研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2011.

[4] 曹承進(jìn),陳振樓,王 軍,等.城市黑臭河道底泥生態(tài)疏浚技術(shù)進(jìn)展[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(1):32-42.

[5] 楊佩珍,王國(guó)忠.上海市土壤養(yǎng)分分區(qū)管理技術(shù)研究[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2008. 45-48.

[6] GB 15618-199,土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 蔡 曄,林休休.城市污染底泥治理中資源化利用途經(jīng)研究進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2009,(28):127.

[8] 李 翔,劉永兵,程言君,等.穩(wěn)定化處理對(duì)底泥利用后土壤Cd形態(tài)及空心菜Cd含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2015,(2):282-287.

[9] 馬偉芳.植物修復(fù)重金屬-有機(jī)物復(fù)合污染河道疏浚底泥的研究[D].天津:天津大學(xué),2006.

[10] 劉 夢(mèng),樊叢照,粟有志,等.污泥有機(jī)復(fù)合肥對(duì)幾種植物生理學(xué)效應(yīng)的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,47(8):1567-1573.

[11] 張明霞.疏浚底泥在城市綠化中的應(yīng)用[J].中國(guó)城市林業(yè),2011,9(5):50-51.

[12] 林 莉,李青云,吳 敏,等.河湖疏浚底泥無(wú)害化處理和資源化利用研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2014,31(10):80-88.

[13] 王 慧,于偉鵬,黑 亮,等.污染底泥處理及資源化利用研究進(jìn)展[J].人民珠江,2015,36(3):121-124.

[14] Sabat L J, Craig V, Barry H.Promoting dredged materialLasa resource[J].SeaTech,2002,43(8):47-52．

[15] 王中平,徐基璇.利用蘇州河底泥制備陶粒[J].建筑材料學(xué)報(bào),1999,2(2):178-l81.

[16] 陳 楠,范方祿.用湖底泥生產(chǎn)水泥的實(shí)驗(yàn)研究[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,25(5):12-15.

[17] 楊 磊,計(jì)亦奇,張 雄,等.利用蘇州河底泥生產(chǎn)水泥熟料技術(shù)研究[J].水泥, 2000,(10):10-12.

Characteristics of Sediment Pollution of Liangtang River and Resource Utilization Analysis

WANG Wei-lin1,JIANG Cui-ling1,SUN Min-hua1,ZHANG Peng1,GUO Yun2

(1.CollegeofHydrology&WaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.WuxiUrbanDevelopmentGroupCo,Ltd,Wuxi,Jiangsu214000,China)

Liangtang River, as a city stream channel, the main pollutants of its sediment are nutrient substance and heavy metals. Total phosphorous is relatively rich, which reaches the second trophic level. Among heavy metals, copper is the primary pollutant, followed by chromium, cadmium and lead. According to the pollutant vertical distribution analysis, the concentration of pollution is highest in the 20～40cm sediment layer, and lowest in the 40～60cm sediment layer, so the optimal dredging depth is around 50cm. After desilting, from the aspects of feasibility and economy, the sediment of Liangtang river is better used in the city park construction and the littoral zone renovation compared to other existing resource utilization methods. It is a convenient, feasible and low cost resource utilization method, and meets the require of urban sustainable development.

Liangtang river;sediment; pollution characteristic; resource utilization

2016-01-25

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)，太湖新城湖濱流域水質(zhì)改善與生態(tài)修復(fù)綜合示范課題，重污染河流小流域水質(zhì)改善技術(shù)與工程示范子課題(2012ZX07101-013-02)

王維琳(1991-)，女，江蘇蘇州人，河海大學(xué)水文及水資源專業(yè)2014級(jí)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗h(huán)境保護(hù)及水生態(tài)修復(fù)。

X703

A

1001-3644(2016)03-0062-05