沈陽細河底泥安全處置對策研究

于朝霞 崔少明 宋吉帥

1 河湖底泥污染特點

底泥是河湖的沉積物，是自然水域的重要組成部分。當水域受到污染后，水中部分污染物可通過沉淀或顆粒物吸附而蓄存在底泥中，適當條件下重新釋放，成為二次污染源，這種污染稱為底泥污染[1]。

底泥層是重金屬進入河湖之后的主要蓄積場所，由于重金屬污染物是具有潛在危害的重要污染物，由他們引起的水體重金屬污染是重要的環(huán)境問題之一。20 世紀50 年代在日本出現(xiàn)的水俁病和骨痛病，就是分別由重金屬物質(zhì)汞和鎘引起的[2]。因此，在河湖治理中，安全有效處置重金屬污染底泥越來越成為制約因素。

上海大學張坤通過實驗研究了受污染的泥沙和非黏性泥沙在動態(tài)和靜態(tài)條件下污染物的釋放問題，得出河流湖泊受污染底泥中污染物釋放主要有三種機制，即底泥靜止時泥沙—水界面的污染物擴散釋放，泥沙再懸浮時隨泥沙顆粒一起進入到上覆水體中含有污染物質(zhì)的孔隙水與上覆水體混摻釋放和泥沙再懸浮時懸浮泥沙顆粒的解吸釋放。無論上覆水體是靜止或流動，底泥靜止時，污染物質(zhì)大都是通過泥沙—水界面上孔隙水的擴撒作用釋放到上覆水體中，水體靜止時這種釋放過程比較緩慢，且在一定時間內(nèi)釋放量較小；水體流動時釋放率會有所增大[3]。

余光偉等研究過珠三角感潮河道底泥釋放，認為底泥污染物釋放是造成水體水質(zhì)惡化的原因，而河道的感潮特征使表層底泥間隙水及懸浮物反復揚起，加速了底泥污染物的釋放。與靜態(tài)釋放相比，Cu、Zn、Pb、Cr、COD、氨氮和TP 的平均釋放速率提高了1～4 倍，釋放量增加了0.3～1.8倍，底泥平均耗氧速率提高了1.28 倍[4]。

筆者認為，底泥污染物在水體中的釋放是動態(tài)的持續(xù)的過程，即使底泥沉積，但在水流作用下，底泥容易被擾動，污染物再次釋放，因此，控制底泥污染在河湖治理中是必須要重視的。

2 國內(nèi)外底泥污染處理方法

底泥污染作為河湖水質(zhì)惡化的內(nèi)源，切斷內(nèi)源污染，是多數(shù)河湖治理的方向。目前，國內(nèi)外主流的底泥污染控制與治理按底泥處理位置不同分為原位治理和異位治理，治理方法主要分為化學法、物理法和生物法。異位處理后底泥可填埋、焚燒、加工成種植土或者燒制建筑材料等。

原位物理修復包括原位覆蓋、引水沖調(diào)、人工曝氣等方法。原位覆蓋是指污染底泥的表層覆蓋一層物質(zhì)，阻止沉積物中污染物向上部水體的擴散，覆蓋物可采用沙石、灰渣、水泥、黏土、土工織物等。云南滇池曾采用天然紅土添加適量的粉煤灰及石灰粉作為覆蓋物，用于滇池富營養(yǎng)化水體的修復，效果良好[5]。但原位覆蓋采用大量覆蓋物降低了河湖行洪蓄水能力，較少應用于水流流速較快、水動力較強的區(qū)域。

底泥化學修復與土壤化學修復有相似之處，其方法主要是向水體或底泥中添加一定量的化學試劑或者活性材料，利用添加劑和底泥中的離子發(fā)生化學反應，降低污染物的遷移性，使底泥污染物穩(wěn)定地保持在底泥中?；瘜W修復目前應用比較多的有淋洗法、固化穩(wěn)定化法等?；瘜W修復技術發(fā)展較早，應用于土壤修復案例較多，同時由于新材料、新試劑的發(fā)展，化學修復也不斷應用于水體治理中。但由于水體的動態(tài)運動，化學修復用于底泥治理的持久性、穩(wěn)定性略差，需要持續(xù)投放添加劑，多結合原位覆蓋共同實施。

生物修復指利用生物代謝活動減小底泥污染物的含量，使水體環(huán)境得到恢復。目前河湖水環(huán)境治理多采用微生物修復、植物修復。植物修復機理主要是利用植物自身的生長代謝，吸收底泥中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，并可以優(yōu)選一些富集不同類型的重金屬的植物。王謙等研究了挺水植物、漂浮植物、浮葉植物、沉水植物處理重金屬廢水的應用效果，認為水生植物修復重金屬有一定的效果，提出影響水生植物去除重金屬的影響因素有植物生活型、生物量、株齡、處理時間、重金屬種類、溫度、pH 值以及其他離子等9 項因素。同時提出，水生植物修復重金屬水體用于實踐有一定的波動性，工程周期過長，對突發(fā)性污染事故治理效果不明顯[6]。

微生物修復重金屬污染的原理主要指生物氧化還原和生物吸附。但目前微生物修復主要作為廢水處理方法，應用于底泥修復的技術方法沒有大規(guī)模推廣。文曉鳳等認為通過植物-微生物聯(lián)合修復重金屬污染底泥對單一重金屬應用相對較多，但對多種重金屬和重金屬與有機物的復合污染的植物修復則相對較少。同時，微生物對影響生長代謝的生物因子均有一定的耐受范圍，超出范圍微生物易死亡或休眠，在聯(lián)合修復中還應根據(jù)微生物的需要，對環(huán)境因子做出相應的調(diào)整，使微生物的代謝活動處于最佳狀態(tài)[7]。

底泥修復原位治理和異位治理是兩大治理方向，在底泥消納場地緊張或者不具備作業(yè)場地的制約下，原位治理優(yōu)勢明顯，但必須加強后期維護；異位治理可以較可靠的徹底消除污染，但需要合理處置底泥。在河湖治理中，種植植物一方面可降低底泥和水質(zhì)污染，另一方面可利用植物營造河湖景觀，植物修復污染越來越成為研究重點。微生物修復借助載體向水體中投放，可用于水體污染的應急處理，在常年流動性河流中效果不理想。

3 細河底泥污染現(xiàn)狀及成因分析

細河是渾河的一級支流，也是一條承泄城市雨污排水和農(nóng)田排澇的平原排水河道，起源于衛(wèi)工明渠進水閘，流經(jīng)沈陽市于洪區(qū)、鐵西區(qū)后匯入渾河。2000 年以前，細河作為重要的排污河道，河水嚴重污染，利用細河水作為農(nóng)灌用水導致兩岸土地鎘污染嚴重，農(nóng)作物無法食用[8]。針對這一特殊時期造成的細河及其周邊土壤污染研究較多。李東風對細河地區(qū)土壤鎘污染源進行了研究分析，研究結果表示：沈陽細河地區(qū)土壤中鎘元素污染是由人為源引起，且鎘元素污染源主要為細河污水灌溉、大氣降塵及磷肥3 種途徑[9]。

王鑫等人采集了細河流域土壤樣品（2006 年8—9 月），經(jīng)過分析研究，認為細河流域土壤中Hg、Cd、Pb、Zn 含量差異顯著，4 種重金屬含量呈顯著正相關。4 種重金屬含量均高于背景值，表現(xiàn)出明顯的累積效應，富集順序為Cd> Hg> Pb >Zn。細河流域污染土壤中Hg、Cd、Pb 和Zn 具有不同程度的潛在生態(tài)風險；其中Pb 除在細河上游流域局部污染區(qū)域土壤中具有高風險外，其余均為一般風險；Zn 在全流域污染區(qū)屬于一般風險；Hg和Cd 在全流域污染區(qū)均為極高風險[10]。

韓德昌等人于2014 年采集了細河沿岸污染土壤，采樣深度30 cm 以內(nèi)，經(jīng)分析認為：細河沿岸土壤均遭受了重金屬污染，主要是Cd 污染，超標達4～21 倍，不宜繼續(xù)用作耕地，尤其是農(nóng)業(yè)用地的大潘、彰驛站、大兀拉、前余。建議這些區(qū)域該種糧油以外的作物、進行土壤修復或改變土壤利用類型[11]。

2017 年6 月采集了細河河道內(nèi)3 處水樣，16 處底泥樣品進行重金屬含量分析，采樣點位于細河鐵西段三環(huán)橋至四環(huán)橋共8.9 km 長的河道內(nèi)。底泥采樣深度分別為20、40、100 cm。同時，采集了河岸土樣6 份，采樣深度20 cm。經(jīng)檢測分析，3 處水樣中重金屬含量沒有超出V 類地表水標準（標準號：GB 3838—2002），但氨氮、COD、總氮指標超出V 類地表水標準，溶解氧局部超標。16 處河道底泥樣品中重金屬污染現(xiàn)狀為（對比標準號GB 15618—1995 三級標準以及HJ∕T 166—20041 中推薦的內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價標準）： 底泥pH>7.5，20 cm 表層土中Cd 為重度污染超標點位100%，平均超標4.03 倍；20 cm 表層土Hg 為輕度污染超標點位26.7%，平均超標1.21 倍；表層土Pb 為輕度污染，超標點位6.67%，平均超標0.47 倍。40 cm 點位樣品中Cd、Pb 基本不超標。以上數(shù)據(jù)表明，細河三環(huán)橋至四環(huán)橋區(qū)域河道內(nèi)底泥存在著嚴重的重金屬Cd 污染，Hg、Pb 為輕度污染。

河岸土壤污染現(xiàn)狀為（對比標準號GB 15618—1995 三級標準）：土樣pH 值5.3～6.9，Cd 為重度污染，超標點位83.3%，平均超標3.37 倍，最大超標11 倍；Hg 為重度污染，超標點位66.7%，平均超標2.1 倍，最大超標8.74 倍；As 為重度污染，超標點位33.3%，平均超標0.83 倍，最大超標8.58 倍。以上數(shù)據(jù)表明，細河三環(huán)橋至四環(huán)橋區(qū)域河岸土壤同樣存在著嚴重的重金屬污染問題，超標元素主要是Cd、Hg、As。河岸土壤污染元素及污染程度基本與前人研究結論一致，即存在Cd 嚴重污染。

通過現(xiàn)場搜集資料，細河三環(huán)橋至四環(huán)橋區(qū)域河道底泥重金屬污染來源以歷史沉積和河岸土壤降雨沖刷污染物入河為主，但是沿河污水違規(guī)排放和初期雨水入河的貢獻同樣不能忽視。河道岸邊土壤污染物來源主要是以往河道清淤后底泥的堆放造成的。

4 細河底泥處理方案

細河水體黑臭，底泥多年未經(jīng)處理，因此，河道治理底泥處置是必要的。根據(jù)細河實際情況，結合國內(nèi)外治理重金屬污染河湖經(jīng)驗，筆者提出兩種底泥治理方案。

4.1 方案1：原位固化穩(wěn)定化底泥

為減少底泥中重金屬進一步向地下水遷移，原位治理工藝中首先向底泥中投加生物菌類消減底泥中的有機質(zhì)；其次向底泥中投加復合化學劑穩(wěn)定污泥中的重金屬，使污泥中的重金屬的可遷移性降低，使其無害化；并投加固化劑至污泥中，降低含水率并使其具有一定的強度，進一步將重金屬包裹在固化晶格中，使污泥免受周邊環(huán)境影響而造成重金屬重新浸出，降低重金屬的二次污染。

方案1 處理底泥9.9 萬m3，由于細河為常年有水河道，后期仍需投加生物菌劑減少水體再次黑臭風險。原位處理的缺點主要有：（1）固化之后底泥仍然在河道中存放，重金屬污染風險仍然存在，對地下水和土壤污染威脅沒有減少；（2）固化后河底板結硬化隔絕了河道水體與河底土壤的物質(zhì)交換，對河道的生態(tài)系統(tǒng)有較大的破壞；（3）固化后減少河道行洪斷面，沒有解決河道行洪排澇問題。

4.2 方案2：異位固化穩(wěn)定化底泥

將底泥清淤后密閉運輸至岸邊集中進行泥沙篩分、脫水減容、固化穩(wěn)定化處理，并將處理后達標底泥用于慢行道路基，降低河道重金屬污染風險。方案2 河道按照行洪斷面要求進行了河底清淤和坡面整修，產(chǎn)生底泥12.1 萬m3，底泥通過分選泥沙減容后，添加石灰、粉煤灰、水泥用于固化穩(wěn)定化處理，最終產(chǎn)生安全底泥量為8.2 萬m3。

方案2 異位固化穩(wěn)定化工藝相對于原位固化穩(wěn)定化工藝，有3 項優(yōu)點：（1）基本清除河底底泥，底泥重金屬污染風險降至最低；（2）清淤后河道砂石為各種動植物的生長提供了必需的條件，有利于河道生態(tài)環(huán)境恢復；（3）斷面清淤和整修后利于行洪。

細河是鐵西區(qū)重要的行洪排澇河道，細河水質(zhì)安全同時也影響到鐵西區(qū)地下水。地下水一旦污染，影響范圍較大、治理難度大。為徹底消除細河黑臭問題和重金屬污染問題，保障區(qū)域防洪安全和地下水安全，細河河道污染底泥治理采取無后期維護費用的異位固化穩(wěn)定化方案，即方案2。

細河底泥處理工藝按照施工順序分為雜物清除、底泥疏浚、泥沙分離（含河沙淋洗）、泥漿脫水減容、穩(wěn)定化固化、尾水處理、資源化利用共七部分內(nèi)容。具體工藝流程圖如圖1 所示。

河沙淋洗后可作為一般建筑材料應用于附近建筑工地。固化穩(wěn)定化劑采用石灰水泥粉煤灰，體積比例為3∶1∶1。底泥與穩(wěn)定劑的體積比例為5∶1。筆者選取11 組試樣按比例添加穩(wěn)定劑后4 h 后底泥浸出液中Cd含量0.1～0.81 μg∕L，Hg含量0～0.95 μg∕L，Pb 含量1.24～4.1 μg∕L，滿足GB 5058.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》中浸出毒性標準。

細河底泥處理布置有專門的固化穩(wěn)定化作業(yè)區(qū)。固化穩(wěn)定化作業(yè)區(qū)主要包括辦公區(qū)、生活區(qū)及處理處置作業(yè)區(qū)。處理處置作業(yè)區(qū)主要包括泥沙分離（含淋洗）、泥漿脫水減容、穩(wěn)定化固化、尾水處理、成品堆放區(qū)等。作業(yè)區(qū)應具有連續(xù)生產(chǎn)，快速固化（日產(chǎn)日清）的特點，現(xiàn)場干凈無揚塵。處理處置作業(yè)區(qū)場地進行防滲處理，底泥處理完畢后場地進行苗木回植，恢復原貌。

細河底泥處理后經(jīng)檢測，處理底泥浸出毒性達標，屬于第Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物；處理后底泥性質(zhì)穩(wěn)定以無機穩(wěn)定結合物為主，長時間堆放不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)；土體抗壓穩(wěn)定性好，處理后底泥抗壓強度高于普通的素土，壓實后7 d 抗壓強度達到0.98 MPa 最低填土要求。根據(jù)處理后底泥的性質(zhì)，細河底泥用于河岸慢行道路基建設。

5 結 語

細河承擔著鐵西經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的排澇安全和黑臭水體改善任務。因歷史原因，細河三環(huán)—四環(huán)段河道底泥中重金屬鎘、汞、鉛嚴重污染，超標1.2～4.0 倍。細河重金屬污染底泥處理方案為異位固化穩(wěn)定化處理。通過河道清淤，將重金屬污染底泥全部異位清理至河道外作業(yè)場地；通過泥沙分離（含河沙淋洗）和泥漿脫水減容，實現(xiàn)底泥減量化和河沙資源化；之后向底泥中投加固化劑和穩(wěn)定劑，實現(xiàn)重金屬的穩(wěn)定化。底泥處理后滿足第Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物標準，最終用于河道兩岸慢行道路基建設。

異位固化穩(wěn)定化處理針對重金屬污染底泥處理效果好、效率高、成本低；能夠?qū)崿F(xiàn)河湖底泥重金屬污染物的減量化、資源化、無害化，避免對環(huán)境的二次污染。可解決眾多重金屬污染河湖底泥清淤后底泥去向及處置難題，防止造成大量底泥占壓土地以及對新場地造成二次污染?？娠@著改善河湖水質(zhì)避免水質(zhì)反復惡化。處理后底泥可為周邊建設提供建筑材料，最大程度資源化利用。

底泥處理中需要在河道附近布置底泥臨時作業(yè)場地和堆存場地。底泥臨時作業(yè)場地需要做好防滲工作。此外，底泥資源化處理時間容易滯后于底泥處理，需要設置處理后底泥臨時堆存場地，逐步消納處理后底泥。