咸寧市水庫淤積物品質(zhì)特性及資源化利用

陳 霞，彭子凌，周 顯，劉心愿

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010：2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

長江流域水庫群的大量興建和運用，使得水流減緩、水深增加，導(dǎo)致大量泥沙淤積在水庫中，而泥沙是水體重金屬離子和有機污染物的重要運輸載體，吸附在泥沙表面的污染物會隨著泥沙在庫區(qū)的淤積而沉淀、富集，從而對水體水質(zhì)及環(huán)境產(chǎn)生較大影響[1-2]。因此，水庫泥沙引發(fā)的環(huán)境問題值得重視，尤其是淤積物中的富營養(yǎng)元素、重金屬污染問題[3-5]。淤積物中氮、磷的釋放易造成水體富營養(yǎng)化，同時，重金屬由于具有毒性、不可降解性和累積性，一旦進入環(huán)境并且達到一定的濃度，就會對環(huán)境產(chǎn)生極大的危害[6-12]。因此，對水庫淤積物的富營養(yǎng)化和重金屬元素進行研究，并將水庫清理出來的沉積物開展資源化利用，不僅能夠變廢為寶，也對人類健康和生態(tài)環(huán)境有著極其重大的作用。

本文通過對湖北省咸寧市某水庫淤積物的調(diào)查及取樣分析，探究水庫淤積物的富營養(yǎng)化和重金屬元素含量情況，采用地質(zhì)累積指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)對底泥中的重金屬污染狀況和生態(tài)風(fēng)險進行評價。此外，提出了咸寧市某水庫淤積泥、砂的資源化利用方案，旨在通過分析咸寧市某水庫淤積物富營養(yǎng)化和重金屬元素污染現(xiàn)狀，為水庫的污染調(diào)查和評價提供參考，也為改善流域生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支持。

2 取樣及分布

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，考慮取樣的代表性與泥沙淤積規(guī)律，按照從壩前往上游追溯的規(guī)律布置取樣點S1—S10，其中S1—S4位于庫尾，S5—S10沿庫中往上游分布。取樣點的分布基本涵蓋了該水庫從庫尾到庫首的整個河段，具有較好的代表性。在這10個取樣點中，S1—S7為水庫湖心底取樣，S8—S10為沖擊洲岸坡取樣，具體取樣點及情況說明見表1。

表1 咸寧市某水庫取樣點列表Table 1 Sediment sampling sites of a reservoir in Xianning City

3 淤積物組成及物化特性

3.1 化學(xué)成分分析

試樣采用X射線熒光光譜儀進行化學(xué)成分分析，化學(xué)組成檢測結(jié)果見表2。從表2可以看出，試樣的化學(xué)成分均以Al2O3、SiO2和Fe2O3為主，其中SiO2含量最高，其次為Al2O3，F(xiàn)e2O3含量最低，三者之和占試樣總量的88%以上。此外，試樣中還含有少量的MgO、CaO和R2O(堿含量)等。湖心底淤泥試樣的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分別為23.36%、61.15%、6.43%和2.62%，砂樣的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分別為17.18%、69.07%、3.09%和5.29%。比較湖心底淤泥與砂樣的化學(xué)成分可知，淤泥試樣的Al2O3和Fe2O3含量略高于砂樣，SiO2和R2O含量低于砂樣。

表2 試樣化學(xué)組成檢測結(jié)果Table 2 Chemical compositions of samples %

3.2 富營養(yǎng)元素含量檢測

根據(jù)全國第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，耕地土壤根據(jù)養(yǎng)分含量劃分為6個不同等級，詳見表3。

表3 全國第二次土壤普查制定的土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification criterion of soil nutrient formulated by the second national soil survey

將取樣置于室內(nèi)放至自然干燥，測得其含水率；然后根據(jù)《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定各樣品中總氮含量；根據(jù)《水質(zhì) 總磷的測定 流動注射-鉬酸銨分光光度法》(HJ 671—2013)測定各樣品中總磷含量。試樣總氮和總磷的試驗檢測結(jié)果見表4。

表4 試樣的總氮與總磷含量Table 4 Total nitrogen and total phosphorus content of samples

從取樣點分布可知，總氮和總磷的含量分布大體呈現(xiàn)上游高下游低的趨勢，淤泥S1—S7試樣的總氮和總磷含量明顯高于砂樣S8—S10，且淤泥的總氮和總磷含量可達砂樣的10～20倍。比較不同取樣點的總氮含量可知，S1和S4試樣的總氮含量達到二級土壤標(biāo)準(zhǔn)，S2、S5—S7試樣的總氮含量達到三級土壤標(biāo)準(zhǔn)，S3試樣的總氮含量超過四級、接近三級土壤標(biāo)準(zhǔn)。各試樣的總磷含量變化規(guī)律與總氮含量類似，試樣S1、S4的總磷含量明顯高于其他試樣，其次為S5—S7和S2—S3，砂樣的總磷含量最低。

3.3 重金屬元素含量檢測

將烘干試樣混合均勻后按照四分法取樣，碾磨成粉后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進行重金屬含量檢測，測試重金屬種類包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉻(Cr)、砷(As)、鉛(Pb)、銅(Cu),試驗結(jié)果見表5。對比《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 36600—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中對各重金屬元素的含量限值，幾組試驗中檢測出的Cu、Pb和Hg的含量均遠低于這2個標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險篩選值。試樣S7中檢測出Cd含量為0.62 mg/kg，超過農(nóng)用地風(fēng)險篩選值(0.60 mg/kg)但低于風(fēng)險管制值，即說明該水庫底泥用作農(nóng)用地土壤時，可能存在使農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險，原則上應(yīng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施。試樣S3中As含量超過建設(shè)用地第一類用地的風(fēng)險篩選值但低于風(fēng)險管制值，達到第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)用地標(biāo)準(zhǔn)，即可以考慮該類水庫底泥用作《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的第二類用地土壤吹填或用作農(nóng)用土壤。試樣S1、S2和S4的As含量均超過農(nóng)用地風(fēng)險篩選值但低于風(fēng)險管制值，達到第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮該類水庫底泥用作除水田以外的其他農(nóng)用土地或《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的第二類建設(shè)用地土壤。

表5 試樣的重金屬含量測試結(jié)果Table 5 Content of heavy metals of samples

3.4 砂樣品質(zhì)檢測

3.4.1 顆粒級配

根據(jù)《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T 5151—2014)對本次取樣獲得的砂樣S8—S10分別進行品質(zhì)檢驗，砂的顆粒級配篩分試驗結(jié)果列于表6。從表6可知，各組砂樣的細度模數(shù)在0.94～1.37之間，顆粒平均粒徑為0.229～0.247 mm；從細度模數(shù)看，參照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)，砂樣均屬于特細砂。砂樣中粒徑d≤0.08 mm的顆粒含量范圍為0.3%～4.8%，粒徑d≤0.16 mm的顆粒含量范圍為1.1%～11.5%；其中S8號取樣點粒徑d≤0.08 mm和d≤0.016 mm的顆粒含量最高。

表6 砂樣的顆粒級配Table 6 Particle gradation of sand

3.4.2 品質(zhì)指標(biāo)檢測

砂樣S8—S10的其他品質(zhì)檢驗結(jié)果見表7。從檢測結(jié)果可以看出，砂樣的表觀密度在(1 740～2 180 kg/m3)之間，含泥量在2.16%～3.76%之間。值得注意的是，砂樣S9的云母含量高達11.52%，遠超過《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)中對砂的品質(zhì)指標(biāo)要求。由于云母含量測試方法只能測試砂中粒徑d≥0.315 mm的游離云母含量，而獲取砂樣的平均粒徑僅為0.229～0.247 mm，砂樣粒徑d<0.315 mm顆粒含量較普通砂更高，因此，實際砂樣中的云母含量可能更高。云母一般呈薄片狀，表面光滑，強度很低，且易沿節(jié)理錯裂，與水泥漿的粘結(jié)力很差，是混凝土用砂中有害物質(zhì)之一。當(dāng)砂中云母含量超過一定限度時，混凝土拌和物和易性、混凝土強度、耐久性等均有顯著降低。基于砂樣的檢測結(jié)果，對于云母含量非常高的部分取樣點的砂樣，若用作混凝土用砂，在使用之前應(yīng)經(jīng)過漂洗、篩選，并結(jié)合試驗充分論證砂樣中的云母含量合理控制范圍，盡量降低砂樣云母含量及其對混凝土性能的不利影響。

表7 砂樣的品質(zhì)檢驗結(jié)果Table 7 Quality test results of sand

4 環(huán)境評價和資源化利用途徑分析

4.1 重金屬污染評價

本研究選取具有代表性的地質(zhì)累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法來評價土壤中的重金屬污染。

4.1.1 地質(zhì)累積指數(shù)法

地質(zhì)累積指數(shù)評價法是通過對重金屬元素在沉積物中的分布及變化特征進行描述，進而對重金屬的環(huán)境影響進行評價的一種方法[13]，具體表達式為

(1)

式中：Iego為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn為目標(biāo)元素的檢測濃度；BEn為目標(biāo)元素在環(huán)境中的背景值，本研究中的Cd、Cr、Cu、As、Pb、Hg背景值參照正常顆粒沉淀物中重金屬的最高背景值，對應(yīng)的取值分別為0.50、60.0、30.0、15.0、25.0、0.25 mg/kg；1.5為背景值的修正系數(shù)。不同重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)的分級評價標(biāo)準(zhǔn)如表8所示。

表8 地質(zhì)累積指數(shù)污染評價標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Evaluation standard of geological accumulation index

利用地質(zhì)累積指數(shù)法對咸寧市某水庫底泥中的重金屬元素進行評價，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：試樣中 Cd、Cu、Hg的地質(zhì)累積指數(shù)均<0，對應(yīng)的污染程度全部為無污染；試樣中Cr的地質(zhì)累積指數(shù)，除了S2、S7試樣中為0外，其余試樣均<0，對應(yīng)的污染程度為無污染；試樣中As的地質(zhì)累積指數(shù)，除了S1、S2、S4試樣處于0和1之間、在無污染-中度污染區(qū)域外，其余試樣均<0，對應(yīng)的污染程度為無污染；試樣中Pb的地質(zhì)累積指數(shù)均處于0和1之間，污染程度在無污染-中度污染區(qū)域。

圖1 不同重金屬元素的地質(zhì)累積指數(shù)Fig.1 Geological accumulation index of heavy metals

4.1.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法

潛在生態(tài)危害指數(shù)評價法通過考慮不同影響因素來綜合評價沉積物中的重金屬對環(huán)境的潛在危害[14]，具體的表達式為

(2)

(3)

表9 潛在生態(tài)危害評價標(biāo)準(zhǔn)Table 9 Evaluation standard of potential ecological risk

利用潛在生態(tài)危害指數(shù)法對咸寧市某水庫底泥中的重金屬元素進行評價，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，所有試樣中的 Cd、Cr、Cu、As、Pb和Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)均<40，對應(yīng)的潛在生態(tài)危害均為輕微危害。同時，綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)的評價結(jié)果顯示，所有試樣的重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均<150，因此該水庫綜合潛在生態(tài)危害為輕微生態(tài)危害。在所有試樣中，S7試樣的各單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均高于其他試樣，其潛在生態(tài)危害風(fēng)險相對更大。S7取樣點正好位于水庫河流型庫區(qū)向湖泊型庫區(qū)過渡位置，過渡區(qū)流速減緩，懸浮物大量沉積，導(dǎo)致該區(qū)域潛在生態(tài)危害較高[15]。

圖2 重金屬元素的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.2 Potential ecological risk index and comprehen-sive potential ecological risk index of heavy metals

4.2 資源化利用途徑分析

基于前述水庫試樣淤泥和砂的組成及物化分析，可知咸寧市某水庫的湖心底泥的總氮和總磷含量較高，且部分重金屬含量較高，長期堆放對周圍環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險較高。結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)有毒有害和高氮磷河湖底泥的無害化處理以及廢棄污染底泥和淤積砂的資源化利用，可從根本上解決淤積泥沙的去向問題，通過資源化利用可滿足當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)對原材料的迫切需求，技術(shù)、經(jīng)濟和社會效益十分顯著。

4.2.1 河湖底泥的處理與資源化利用

河湖底泥的無害化處理和資源化利用途徑見圖3。根據(jù)肥料組成分析，肥料必須提供植物所需的“氮、磷、鉀”三要素、“鈣、鎂、硫”三中素和“硼、錳、鋅、鐵、鉬、銅、氯”七微素，結(jié)合咸寧市某水庫河湖底泥成分分析可知，部分底泥的總氮磷養(yǎng)分達到二級和三級土壤標(biāo)準(zhǔn)，且還含有一定的鉀、鈣、鎂、硫和鐵、銅、氯等元素。該淤泥經(jīng)過脫水后可制成泥餅，部分重金屬含量滿足《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—2018)的泥餅可用作農(nóng)用土壤，提高土壤肥力、促進植物生長，適用于耕地、園林和綠化等。

圖3 咸寧市某水庫底泥的無害化處理和資源化利用途徑Fig.3 Harmless treatment and resource utilization of the sediment of the reservoir in Xianning City

部分重金屬含量超過農(nóng)用地風(fēng)險篩選值但低于風(fēng)險管制值的河湖底泥，經(jīng)脫水處理后，可采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施，用作不種植食用農(nóng)作物的耕地土壤；達到第一類或第二類建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)的河湖底泥，經(jīng)過脫水處理后可用作《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50137—2011)中規(guī)定的不同途徑的工程建設(shè)用地，包括居住用地、公共服務(wù)、醫(yī)療用地以及道路交通、綠地廣場等。

對于重金屬元素含量較高且脫水后殘余量仍不滿足農(nóng)用和建設(shè)用地土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的河湖底泥，可通過材料改性、固化和穩(wěn)定化后，制備高性能吸水陶粒吸附污水中的污染物，用作中等交通填方路基填料。淤泥中Al2O3、SiO2和Fe2O3三者之和占試樣總量的88%以上，可用作生料生產(chǎn)水泥，也可以通過改性、高溫煅燒等工藝生產(chǎn)建設(shè)用磚等。

4.2.2 淤積砂的資源化利用

基于開展的砂樣品質(zhì)檢驗，利用水庫淤積砂用作建筑原材料供應(yīng)當(dāng)?shù)睾椭苓叺貐^(qū)工程建筑用砂，不僅可有效緩解當(dāng)前面臨的砂石骨料供需矛盾，還能為咸寧市某水庫清淤泥沙資源化利用提供切實可行的渠道?；谇笆錾皹悠焚|(zhì)檢驗結(jié)果以及《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)關(guān)于砂的分類，本次檢測砂樣的細度模數(shù)在0.94～1.37之間，均屬于特細砂(細度模數(shù)=0.7～1.5)。采用細度模數(shù)0.7～1.5或平均粒徑0.15～0.25 mm的特細砂配制特細砂混凝土，其性能可接近同標(biāo)號的中砂配制的混凝土。采用水庫淤積砂或與其他砂混摻配制混凝土，可以廣泛應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐墓I(yè)、民用建筑及市政工程，充分發(fā)揮“因地制宜、就地取材”的優(yōu)勢，不僅可以大幅降低高價外購砂的人力和物力成本，還能顯著緩解當(dāng)前建設(shè)用砂的供需矛盾。

5 結(jié) 論

(1)總氮和總磷的檢測結(jié)果顯示，淤泥S1—S7試樣的總氮和總磷含量明顯高于砂樣S8—S13。試樣S1、S4的總磷含量明顯高于其他試樣，其次為S5—S7和S2—S3，砂樣的總磷含量最低。

(2)地質(zhì)累積指數(shù)法的重金屬元素評價結(jié)果顯示，咸寧市某水庫中的Cd、Cu、Hg的污染程度為無污染、Cr、As在無污染、無污染-中度污染及以上污染程度的試樣所占比例較小，而Pb的污染程度集中在無污染-中度污染區(qū)域。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)法的重金屬元素評價結(jié)果顯示，咸寧市某水庫中的重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)均<40、綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均<150，對應(yīng)輕微危害。在所有試樣中，S7試樣的各單一重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)和綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均高于其他試樣，潛在生態(tài)危害風(fēng)險相對更大。

(4)圍繞咸寧市某水庫淤積泥、砂的資源化利用問題，秉承“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念，從農(nóng)用土壤、工程建設(shè)用地、功能材料原材料、路基填料以及建筑原材料等方面，提出了水庫淤泥、砂切實可行的資源化利用途徑。