河道底泥輕質(zhì)建材化利用和效用分析

蔡 壯

（北京市密云區(qū)潮白河道管理所，北京市 101500）

0 引言

河道底泥是水體中的泥沙、礦物和有機質(zhì)經(jīng)過一系列反應(yīng)而形成的。在工業(yè)污染加劇的背景下，工農(nóng)業(yè)污染物流入河內(nèi)最終沉積到底泥中，導(dǎo)致重金屬污染嚴重，進而影響地下水、森林和土壤等生態(tài)系統(tǒng)，如來自采礦業(yè)的Sb、As、Mn、Pb以及來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的Co、Zn、Cd和Cu。同時也危害河道中的生物，進入到食物鏈系統(tǒng)中。傳統(tǒng)就地堆置或填埋會導(dǎo)致重金屬繼續(xù)沉淀，還會以硫化物等形式進入到環(huán)境中，繼續(xù)造成污染。因此，河道底泥的資源化利用勢在必行，如結(jié)合粉煤灰使用碳酸鈣技術(shù)制作覆蓋材料。但是傳統(tǒng)底泥利用方法耗費巨大的人力物力，且不能保證有效防止污染，探索一種無污染的高效利用方法成為必然選擇。

1 河道底泥的資源化利用技術(shù)概述

1.1 河道底泥的常見處置方法

1.1.1 上覆水曝氣技術(shù)。通過充氧，改善水質(zhì)，對氧化硫化物的去除率高達90%，也有一定的吸附態(tài)氨氮功能。

1.1.2 覆蓋技術(shù)。在底泥上覆蓋隔絕材料，吸附重金屬，如使用天然富含鈣的黏土礦物、生物炭、脫堿赤泥、粉煤灰等。

1.1.3 電動力學(xué)技術(shù)。通過直流電場驅(qū)動陰陽離子向陰極和陽極遷移，主要用于去除重金屬。

1.1.4 生物修復(fù)技術(shù)。培植水生植物，實現(xiàn)除臭和去除重金屬，如荷花、睡蓮等。馴化土著微生物，如使用沸石去除氨氮磷等有機質(zhì)。

1.1.5 異位修復(fù)技術(shù)，進行疏浚脫水，將底泥從河道中清出。

1.2 河道底泥資源化利用的技術(shù)

1.2.1 農(nóng)林利用。鑒于底泥中含大量有機質(zhì)，施用在農(nóng)田中，可以提升土壤肥力，但是容易造成重金屬污染，也容易造成土壤氮、磷的過度堆積。不過，如果利用得當(dāng)，底泥中的一些金屬元素也可以促進作物生長。為解決這一問題，一般可進行好氧堆肥處理，將底泥中的污染物分解，降低重金屬遷移。

1.2.2 填方材料。用于路基填筑、筑堤護岸和回填工程等。如加入煤灰粉等固化劑用于堤防建設(shè)，但需要灑水養(yǎng)護。對輕污染底泥進行處理能夠用于路面土方工程。在一些強度不高的填方工程中，也可利用固化底泥進行回填，實現(xiàn)資源節(jié)約。

1.2.3 建筑材料。這是當(dāng)前利用的重點方向，如混凝土骨料、陶粒、底泥磚、泡沫混凝土等。硅酸鹽水泥和熱處理底泥能夠制備新型水泥，但是養(yǎng)護期更長。與鋼渣和適量爐渣結(jié)合，在高溫條件可以燒結(jié)成輕質(zhì)骨料，重金屬含量也大大降低。底泥摻70%左右，可以制作陶粒，有固化重金屬的作用。底泥也可以燒制黏土磚，在15%左右效果好，適當(dāng)配比，壓強度能達到30 MPa。85%底泥加入玻璃粉等改性劑，也能制作出強度較好的磚。河道底泥還可以制備多孔凈水材料，用于生物濾池，鹽去除率較高。此外，底泥在填充墻、生產(chǎn)保溫板、現(xiàn)場澆筑外墻等生產(chǎn)方面也有應(yīng)用。

2 河道底泥制備輕質(zhì)建材的工藝技術(shù)

2.1 河道底泥制備輕質(zhì)建材的可行性分析

全球范圍內(nèi)，每年產(chǎn)生數(shù)億噸河道底泥，堆放和土地利用處理方式容易造成二次污染，因此將其制備成建筑材料就是一個很好的選擇。但是傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)方式能耗巨大，制備鋪路磚、填充塊等方式添加比例低，不足以消納巨大存量。因此，探索輕質(zhì)建材的利用途徑成為必然選擇。泡沫混凝土等輕質(zhì)材料具有多孔、質(zhì)輕、低能耗和良好的保溫隔熱性能等優(yōu)勢，與河道底泥的微孔特性相符合，具有加工優(yōu)勢，既能實現(xiàn)大量消納底泥，又能減少河砂過度開采。

2.2 工藝材料

選擇大量堆積的河道底泥，含水率為70%，風(fēng)干后將其破碎為2 mm左右的顆粒。其中含量以SiO2和Al2O3為主，也含有Cr、Cd、Cu和Zn等成分。購買普通硅酸鹽水泥、高效減水劑、發(fā)泡劑等材料。

2.3 制備工藝

調(diào)整干物質(zhì)，包括水泥和煤灰粉等?？刂扑媳葹?.45，以450轉(zhuǎn)/min的速度攪拌，1 min后加入高效減水劑，以改善其可加工性。1 min后將1∶45的蛋白質(zhì)發(fā)泡劑水溶液泡沫與之混合。此后以300轉(zhuǎn)/min的速度繼續(xù)攪拌，25 s左右后注入磨具。靜置1天后養(yǎng)護4周左右，溫度在23℃左右，濕度為95%左右。以50%底泥作為最佳摻量，將泡沫摻量控制為54%、孔隙率為45%，保持流動度在240～260 mm之間。

2.4 內(nèi)摻活性摻料

加入石灰、粉煤灰、微硅粉等摻料，提高建材性能。生石灰遇水反應(yīng)可以吸附Na+、K+等離子，形成較大的團聚體，從而增加建材的強度。Ca（OH）2可以發(fā)生火山灰反應(yīng)，從而生產(chǎn)水化產(chǎn)物。粉煤灰也能夠發(fā)揮這一作用。微硅粉既能夠填充有害孔隙，也能夠與水泥反應(yīng)形成水化產(chǎn)物。在工藝中，為減少水泥用量，提高機械性能，可適當(dāng)減少石灰和煤灰粉的比例，加入10%微硅粉，其性能最佳。

2.5 外加改性劑

加入偏硅酸鈉、水玻璃、生物炭等改性劑。水玻璃能夠提升水泥固化土的強度，偏硅酸鈉能夠改善混凝土性能，生物炭有吸附污染物的能力，改善輕質(zhì)建材的相容性和孔結(jié)構(gòu)，其低導(dǎo)熱性和材料多孔性能夠改善混凝土的熱和聲學(xué)性能，還能夠有效提升機械強度。在改性劑添加中以生物炭為主，與水及適量減水劑混合，進行攪拌，超聲溶解30 min，使之均勻分散。將生物炭的用量控制在1%之內(nèi)，可采用大麥草生物炭等物質(zhì)，牛糞生物炭效果更好，因此其更為輕質(zhì)。同時，高溫生物炭pH值耕地含氧官能團少，孔隙結(jié)構(gòu)好，更有利于水化反應(yīng)。

3 河道底泥輕質(zhì)化建材利用的效益分析

3.1 資源環(huán)境效益

目前，傳統(tǒng)建筑材料主要采用砂石，造成了大量的開采和資源環(huán)境破壞，采用河道底泥能夠?qū)崿F(xiàn)替代作用，在經(jīng)濟上也更為節(jié)約。有效地避免了土壤資源的浪費，實現(xiàn)了廢物利用。另一方面，底泥自身性狀優(yōu)良，不但可以在一些建筑領(lǐng)域代替黏土，而且本身具有小孔的特征，可更好地發(fā)揮冬暖夏涼的功能，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的目的。底泥輕量化建筑材料加工不僅有利于降低河道污染，而且對陸地環(huán)境污染也小于傳統(tǒng)混凝土加工，資源消耗潛勢低，更加節(jié)約能源。特別是對海洋河流污染改善效益最大，如果應(yīng)用得當(dāng)，改善效應(yīng)高達40%，也抑制了土壤酸化，降低了生態(tài)污染。

3.2 重金屬去除效應(yīng)

輕質(zhì)化建材能更好地發(fā)揮重金屬封裝效應(yīng)，減少重金屬污染，本文提出的泡沫混凝土技術(shù)，生物炭可以吸附重金屬，底泥可通過物理封裝和發(fā)生化學(xué)沉淀固定底泥。經(jīng)過28天固化，重金屬浸出大大減少，比如Cu、Ni、Zn、Cd、Pb和Cr等，都遠低于原有排放量。二氧化硅中的硅能夠吸附重金屬，加入改性材料之后固化能力增強，對于降低河道重金屬污染和轉(zhuǎn)移有著重要的作用。

3.3 經(jīng)濟效益

傳統(tǒng)加工方式土地成本、開采成本和資源成本都較高，加上運輸成本上升，微硅粉成本上升以及減水劑成本增加，材料成本將會大幅上升。同時，處理底泥又需要大量的環(huán)保投入，而變廢為寶，實現(xiàn)資源化利用，不僅減少河砂和黏土采集的成本，減少了水泥等材料的使用，可減少環(huán)保投入的壓力，又創(chuàng)造了新型建材市場的效益。河道得以疏浚的同時，城市固廢也大量削減，比如，每天制備70 m3輕型建筑材料，就可以消納30 t底泥，減少了由于建筑廢棄物處理造成的一系列經(jīng)濟連鎖反應(yīng)和問題。

4 結(jié)語

將河道底泥作為輕質(zhì)建筑材料加以利用，有著巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益.而且重金屬固化作用非常顯著，大大改善了河道污染環(huán)境，也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益，為建筑行業(yè)低碳發(fā)展提供了思路。因此在未來的資源化利用中，應(yīng)加大這方面的研究。