疏浚底泥脫水固化利用及重金屬修復(fù)研究現(xiàn)狀

溫達(dá)文，萬 發(fā)，李海峰，王 勇

(1.廣州市增城區(qū)水務(wù)建設(shè)管理所，廣州 510000；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510000)

1 概述

我國陸地水域總面積廣闊，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在長三角、渤海、珠三角的總疏浚量超過38億m3，這也讓我國成為世界疏浚第一大國。由于底泥顆粒中吸附著大量的營養(yǎng)物質(zhì)和污染物質(zhì)，當(dāng)水體上層出現(xiàn)水質(zhì)變化或水體擾動時(shí)，這些物質(zhì)會迅速釋放出來，從而對水體上層和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

2 底泥處理技術(shù)

底泥是指在粒子靜電和引力作用下由黏土礦物等微粒在緩水流環(huán)境中沉積的絮狀或者蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有量大、性質(zhì)復(fù)雜、多含污染物、有機(jī)質(zhì)含量高和滲透率低等性質(zhì)，通常情況下底泥孔隙比為1.5～2，液限40%～60%，是一種含有較多成分的綜合物，如膠體、泥沙、微生物、動植物遺骸、纖維等豐富的有機(jī)質(zhì)。

目前關(guān)于疏浚底泥治理的研究主要分為原位和異位處理兩部分，二者的具體研究內(nèi)容如圖1所示。

圖1 疏浚底泥治理研究內(nèi)容分布示意

3 底泥原位處理

自然修復(fù)、清淤和原位覆蓋是1998年美國環(huán)境保護(hù)署推薦的三大污染沉積物修復(fù)技術(shù)[1]。原位處理是采用覆蓋層將受污染底泥封鎖在底部不動，避免水生生物和人類直接接觸，減少污染物在沉積物和水體中的運(yùn)移，從而達(dá)到固定污染物和保護(hù)水體的作用。

原位處理技術(shù)的發(fā)展主要伴隨著原位遮蔽材料技術(shù)的發(fā)展，從最初的天然覆蓋材料(沙子、土壤、砂礫等)到改性的黏土材料，最后到活性降解材料，對于污染底泥的處理效果不斷增強(qiáng)，但是各種處理方法仍然具有比較明顯的局限性：① 天然材料覆蓋使沉積物與水體隔離，但其本身對沉積物中的污染物不進(jìn)行處理，同時(shí)上層水體的流動又會破壞覆蓋層的完整性，為保證覆蓋層完整性需大量清潔泥沙，這又會增加底泥量，造成庫容減小，水深減小，影響通航。② 改性后的黏土材料主要是增加有機(jī)碳的含量，進(jìn)而增大污染物在覆蓋材料和水體之間的分配系數(shù)，但這種處理方式仍然沒有從根本上處理掉污染物。③ 活性降解材料是采用添加了可以與底泥中沉積的污染物進(jìn)行降解反應(yīng)的材料進(jìn)行覆蓋，加入反應(yīng)物質(zhì)雖然可以快速對污染物進(jìn)行無害化處理，但是由于不同區(qū)域的污染沉積物類型和含量不同，因此要將復(fù)雜污染物完全去除，需要對污染種類和反應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行充分調(diào)查，因地制宜制備覆蓋材料，這樣又增大了治理成本。同時(shí)，生物處理需營造適宜的生長條件，且其降解利用種類有限，對污染物中其余不利組分無效[2]?？偠灾?，原位處理技術(shù)各類解決污染的措施中，或多或少受到了地域、環(huán)境因素的限制。

4 底泥異位處理

底泥異位處理被認(rèn)為是目前最為徹底的湖泊污染處理方法，其原理是采用疏浚方式將底泥去除，以達(dá)到去除污染并修復(fù)水體環(huán)境的功效。筆者認(rèn)為，目前疏浚底泥異位處理技術(shù)主要集中在3個方面：① 底泥脫水技術(shù)；② 底泥利用技術(shù)：③ 底泥重金屬修復(fù)技術(shù)。

4.1 底泥脫水研究現(xiàn)狀

內(nèi)陸河、湖泊等水域的底泥疏浚一般采用吸取擠壓，將水和底泥混合，并輸送至岸上。疏浚底泥一般呈流態(tài)，以小顆粒黏土松散分布為主，極具吸水性且孔隙比大于1。底泥成分復(fù)雜，有親水性極強(qiáng)的顆粒，因此其中水分存在4種形態(tài)：① 自由水；② 間隙水；③ 表面水；④ 細(xì)胞間隙水[3]。

通常來說，疏浚底泥的含水率在95%以上，又稱“95泥漿”，自然條件下的晾曬及滲透作用難以脫水干化，干化周期可長達(dá)5～10 a，多雨地區(qū)和顆粒親水性較強(qiáng)時(shí)該時(shí)間還會繼續(xù)延長，造成長期占用堆場的問題。在城市土地資源越來越稀缺、清淤疏浚壓力增大的情況下，開發(fā)底泥高效脫水技術(shù)成為了環(huán)保疏浚的核心技術(shù)。

4.1.1物理脫水研究現(xiàn)狀

疏竣底泥脫水干化技術(shù)目前主要有自然干化、主動開溝排水法、機(jī)械脫水法、預(yù)壓法、土工管袋法及電滲析法等多種。

自然干化和主動開溝排水法都是在傳統(tǒng)堆場上進(jìn)行脫水(如圖2所示)，但是傳統(tǒng)堆場脫水效率太低，且受到自然環(huán)境的影響較大，干化時(shí)間太長，造成土地資源的長期占用；開溝排水法可以在降雨情況下及時(shí)排除雨水，但不能高效排除底泥中的孔隙水[4]。

圖2 底泥自然干化堆場示意

機(jī)械排水法主要指離心法和壓濾法，離心法原理為利用顆粒和水的比重不同，在離心作用時(shí)受力不同、離心運(yùn)動軌跡不同而將顆粒和水分分離，底泥顆粒在內(nèi)壁結(jié)成層，水分在結(jié)層體表面分離。劉彥誠[5]認(rèn)為離心法可以將底泥含水率降至70%，加入絮凝劑甚至可以降至60%，缺點(diǎn)是運(yùn)行成本太高。壓濾脫水的原理是采用可以形成濾水通道的上下壓濾板對底泥進(jìn)行壓縮，黎榮[6]發(fā)現(xiàn)壓濾后的底泥含水率為72%。

真空預(yù)壓法是采用真空系統(tǒng)將堆場底泥下層抽至80～90 kPa的真空負(fù)壓，大部分底泥孔隙水在真空吸力和預(yù)壓載荷的共同作用下通過排水板等設(shè)施排除，此時(shí)底泥發(fā)生壓縮固結(jié)。據(jù)報(bào)道，東錢湖疏浚底泥通過干化和固結(jié)后承載力可大幅度提升至60 kPa以上[7]，該技術(shù)是高指標(biāo)、效益顯著的底泥脫水固化技術(shù)，同時(shí)具有高效節(jié)能、環(huán)保、成本低、工期短等優(yōu)點(diǎn)。土工管袋法是利用土工管袋的過濾效果對水分進(jìn)行過濾，必要時(shí)加入絮凝劑加速過濾。

電滲析法是采用電荷平衡原理來去除底泥中的水分，底泥中顆粒往往帶有負(fù)電荷，而水帶正電荷，對泥漿堆場施加直流電，水分子將會向負(fù)電極處匯聚排除(電滲法脫水示意見圖3)。電滲析法可去除底泥中的自由水和弱結(jié)合水，但其最主要的特點(diǎn)是高能耗，因此無法大規(guī)模推廣使用，只有在常規(guī)脫水方法無法達(dá)到目標(biāo)時(shí)才采用該方法。

圖3 電滲法脫水示意

除電能外還可通過熱能原理使底泥中水分蒸發(fā)脫離，主要方法有對流干燥、紅外干燥、太陽能干燥、微波干燥。對流干燥主要是利用干燥介質(zhì)，如干燥熱空氣直接或間接接觸底泥，吸收其中水分使水分蒸發(fā)脫離。紅外干燥是底泥通過吸收發(fā)射器發(fā)射的電磁波光束中的光子并最終轉(zhuǎn)換成熱能使得水分蒸發(fā)，其優(yōu)點(diǎn)是速度快、效率高、設(shè)備簡單易操作。太陽能作為清潔經(jīng)濟(jì)能源用于底泥脫水已有多項(xiàng)成果，如土耳其的Nezih等[8]研發(fā)了太陽能干燥流化床，同時(shí)，結(jié)合使用石灰可將底泥處理至安全填埋標(biāo)準(zhǔn)。天津大學(xué)也在太陽能干燥底泥上研究了成本和能耗等因素，得出了底泥的太陽能干燥方程，同時(shí)指出干燥效果受天氣影響較大，需考慮與其他熱能配合[9]。

微波干燥的原理與紅外干燥相類似，都是通過電磁波使得分子震動發(fā)熱將微波轉(zhuǎn)化成熱能，水分溫度升高從內(nèi)部擴(kuò)散至表層蒸發(fā)。Menlendez[10]等人對含硅污泥進(jìn)行了微波干燥實(shí)驗(yàn)，干燥曲線和理論相吻合。Idris[11]研究指出污泥微波干燥時(shí)添加微波吸收體，可使得污泥分解，最終干燥后污泥體積可減少80%。韓久春[3]研究了微波功率、進(jìn)料量等變量對底泥干燥效果的影響，并提出微波干燥的最佳微波功率和進(jìn)料量的組合，同時(shí)還對比了3種熱能干燥方法的優(yōu)劣，結(jié)果見表1所示。

表1 不同干燥方法對比

4.1.2化學(xué)脫水研究現(xiàn)狀

底泥不僅含水率高同時(shí)組成成分復(fù)雜，機(jī)械脫水去除率有限，為有效地進(jìn)行固液分離達(dá)到減量化要求，需對其進(jìn)行物理或化學(xué)改性。目前底泥絮凝劑使用效果較好的有，高分子絮凝劑(陽離子型聚丙烯酰胺)和無機(jī)絮凝劑(聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵等)[12]。譚萬春[13]采用無機(jī)絮凝劑、高分子絮凝劑和超聲聯(lián)合對底泥進(jìn)行處理，研究了不同方法的處理效果，結(jié)果表明，效果最好的方式為先加絮凝劑再超聲處理。

目前，關(guān)于底泥化學(xué)脫水的研究主要為單一因素處理效果的研究，尚缺乏系統(tǒng)的對關(guān)鍵多因素(絮凝劑、溫度、pH、粒徑等)組合下脫水效果的綜合研究。底泥中水分之所以難以脫離，是由于底泥中的水主要是毛細(xì)水和結(jié)合水，其作用力為毛管力和粘附力，底泥顆粒較小，其中的礦物離子的親水性較強(qiáng)，對于這部分水分子來說，重力對克服毛管力和粘附力的作用極其不明顯，因此水分向下遷移的作用極其微弱，是以底泥中的水分無法有效下滲至底部排除。筆者認(rèn)為，可以研發(fā)適合的親水性物質(zhì)，該物質(zhì)需要有足夠的強(qiáng)度和足夠大的表面積進(jìn)行水分吸附，且只能吸附水分子，不能過度吸附黏土顆粒。將該物質(zhì)放置至底泥中進(jìn)行攪拌，搶奪水分子，當(dāng)其水分含量飽和之后提出至空氣中暴露，可在陽光、高溫、通風(fēng)的條件下達(dá)到脫水目的。

4.2 底泥資源化利用研究

我國每年疏浚量數(shù)以億計(jì)，以往海洋投棄的處理方式，無論是從環(huán)境角度還是資源角度考慮，都不是最佳處理方式；同時(shí)，建筑材料的緊缺，使得對底泥有效的再資源化利用成為人們越來越關(guān)注的問題。根據(jù)底泥含有細(xì)粒顆粒以及各種速效營養(yǎng)物質(zhì)的特性，對底泥的資源化利用主要包括底泥的農(nóng)林利用、修復(fù)嚴(yán)重?cái)_動土地、湖濱帶和濕地的修復(fù)、填方利用、建筑材料利用等。

疏浚底泥膠體性質(zhì)和有機(jī)質(zhì)含量使其在農(nóng)業(yè)和林業(yè)方面再利用具有天然優(yōu)勢，朱廣偉等[14]將處理后的底泥用于農(nóng)田，使得土壤性狀提升肥力增強(qiáng)，同時(shí)蔬菜產(chǎn)量增加；蘇德純[15]通過對官廳水庫底泥處理再進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植研究后發(fā)現(xiàn)，底泥中的有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分可促進(jìn)植物生長。

疏浚底泥無害化處理后也可用于濕地修復(fù)等，這種利用方式意義重大。如荷蘭的風(fēng)車島(Windmill Island)，部分島體是采用疏浚物質(zhì)進(jìn)行堆積形成。干燥固化后的底泥如滿足要求可用于施工回填，也可用于生產(chǎn)可再生土工材料，這種方式可大幅度節(jié)約黏土使用，同時(shí)解決環(huán)境污染問題。如西班牙的Limeira[16]利用固化后的底泥用于港口修路，并指出固化后的路面滿足抗壓強(qiáng)度。

底泥制磚是底泥另外一種資源化利用方式。按制磚的工藝不同可分為兩類，一類是將直接干化處理后的底泥作為原材進(jìn)行制磚，另一類是將底泥焚燒處理后的灰渣進(jìn)行制磚。Kay Hamer等[17]利用疏浚底泥進(jìn)行制磚試驗(yàn)，指出底泥制成的磚幾乎對環(huán)境沒有危害。疏浚底泥中含有較多的礦物，可作為原料生產(chǎn)陶粒、水泥和混凝土、燒結(jié)磚、微晶玻璃，這種資源化利用方式可有效節(jié)省不可再生建筑原材。Xu[18]通過對底泥燒制陶粒的嚴(yán)苛條件下的重金屬浸出量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其對環(huán)境無危害。Pembe[19]將底泥用作細(xì)骨料來制備混凝土，發(fā)現(xiàn)其性能良好；林莉[20]對不同類型底泥的資源化利用途徑和工藝進(jìn)行了整理歸類，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類別底泥的處理方式及資源化利用途徑示意

4.3 底泥污染修復(fù)研究現(xiàn)狀

內(nèi)陸河流湖泊與人類生活聯(lián)系緊密，因此其中的底泥不可避免出現(xiàn)污染物，其中的污染物種類主要分為4種：①重金屬，重金屬在底泥中主要有吸附、水解和共沉淀；②營養(yǎng)物質(zhì)，如氮磷化合物，磷含量過高會使藻類迅速生長，消耗溶解氧，破壞生態(tài)；③難降解有機(jī)物，如油脂、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等；④有毒污染物，易被生物積蓄并導(dǎo)致畸形和癌癥。污染物主要以工業(yè)廢水、地表徑流、沖刷滲流、大氣降塵及農(nóng)藥施用等方式進(jìn)入河流湖泊。目前對底泥的重金屬研究稍多，筆者主要針對重金屬方面的污染行為及其治理修復(fù)進(jìn)行歸納總結(jié)。

4.3.1重金屬的形態(tài)

針對重金屬的遷移轉(zhuǎn)化和生物毒性，其存在形態(tài)比總量更為重要。目前為大眾所接受的理論是Tessi-er[21]等提出的5種形態(tài)，即可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，重金屬在前3種形態(tài)中都表現(xiàn)出較強(qiáng)的活性，會出現(xiàn)較強(qiáng)的遷移能力，因此其危害更大，重金屬在后兩種形態(tài)中較為穩(wěn)定。當(dāng)重金屬處于可交換態(tài)時(shí)易被植物或者微生物吸收，此時(shí)主要處于溶液或膠體上。

4.3.2底泥重金屬修復(fù)現(xiàn)狀

底泥重金屬的處理方法主要有兩大類：① 固化技術(shù)，主要利用重金屬形態(tài)的轉(zhuǎn)化改變其活性，減輕危害；② 分離技術(shù)，主要通過化學(xué)淋洗、生物淋洗、植物修復(fù)和電動修復(fù)技術(shù)從根源除去重金屬，進(jìn)而解決污染問題。

4.3.2.1穩(wěn)定固化法

化學(xué)的穩(wěn)定固化是向底泥中添加各種有機(jī)或無機(jī)材料，改變底泥中重金屬的存在形態(tài)，使其發(fā)生沉淀吸附等反應(yīng)，降低其活性和生物有效性。常用有機(jī)添加材料一般為樹葉、秸稈等，常用無機(jī)添加材料一般為碳酸鹽、磷酸鹽材料。當(dāng)前固化劑穩(wěn)定固化底泥依然存在問題，主要表現(xiàn)為固化后底泥中的污染物依然存在，仍有釋放與暴露于環(huán)境的可能性，底泥固化后其中重金屬的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究。

彭思麗[22]采用水泥、石灰和礦渣對疏浚底泥進(jìn)行了固化，固化后強(qiáng)度可用于填筑，并研究了固化物中重金屬浸出量，其浸出量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。武博然[23]認(rèn)為當(dāng)前的底泥固化技術(shù)存在添加量過大、能耗高、且資源化利用途徑較少等問題。底泥處理后因地制宜地滿足當(dāng)?shù)匦枨蟮馁Y源化利用并非是一個容易解決的問題，往往需要更高的經(jīng)濟(jì)投入，如添加材料、脫水支出，運(yùn)輸成本等。

4.3.2.2分離法

分離法一般有4種，分別為化學(xué)淋濾、生物淋濾、植物淋濾和電動修復(fù)技術(shù)。其中化學(xué)淋濾是采用添加可與重金屬結(jié)合的物質(zhì)將其從底泥中以溶解或絡(luò)合的方式溶出，溶出物再使用響應(yīng)添加物形成沉淀從而實(shí)現(xiàn)去除[24]。該方法關(guān)鍵在于根據(jù)底泥中的重金屬類別、含量、濃度和存在形態(tài)選擇合適的淋洗劑，同時(shí)還需兼顧經(jīng)濟(jì)成本問題。其優(yōu)點(diǎn)在于見效快、效果好，缺點(diǎn)在于投入高、添加劑有二次污染的可能。

生物淋濾原理是利用微生物的直接或者間接作用，與底泥中重金屬產(chǎn)生反應(yīng)，從而降低其含量或改變形態(tài)。直接作用是指微生物生長過程中直接將重金屬形成可溶鹽，間接作用是指其代謝產(chǎn)物改變環(huán)境，提高重金屬溶解度[25]。對于生物淋濾的研究主要集中在氧化亞鐵硫桿菌對底泥重金屬的去除率以及最后重金屬殘存狀態(tài)等方面的研究[26]。該方法具有成本低、去除率高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，然而目前的技術(shù)手段還停留在室內(nèi)試驗(yàn)為主；其缺點(diǎn)為微生物生長受環(huán)境影響、增殖慢、周期長。

植物淋濾是利用植物根系吸收和體內(nèi)富集的特點(diǎn)使重金屬在植物體內(nèi)富集，再通過收割植物并處理以達(dá)到去除底泥重金屬的目的。該方法具有成本低、環(huán)境效益好的優(yōu)點(diǎn)，但存在周期長、去除效果單一的缺點(diǎn)。

電動修復(fù)技術(shù)的原理與電滲脫水相同，利用重金屬粒子的帶電性，在底泥兩端施加直流電，在電極處富集污染物，并將富集物收集處理。Pederson[27]研究表明，有隔室的底泥重金屬去除效率比傳統(tǒng)堆場要高，電滲析法去除重金屬的同時(shí)還會去除底泥中的多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等污染物。Kim[28]研究指出重金屬的形態(tài)會嚴(yán)重影響電動去除效率，交換態(tài)去除率為92.5%，而殘?jiān)鼞B(tài)僅為19.8%。

5 結(jié)語

關(guān)于底泥處理技術(shù)，筆者認(rèn)為，原位覆蓋技術(shù)的研究方向不應(yīng)該在于如何隔離與屏蔽，而是要在可以形成抗水力擾動的覆蓋層中添加有效的可以和底泥沉積物中污染物質(zhì)進(jìn)行降解反應(yīng)的材料，從源頭上進(jìn)行治理，從總量上減少污染源從而達(dá)到治理效果。原位植物處理具有環(huán)境友好、操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但單一植物很難做到對多種污染物都有很好的富集特性，可以通過對植物富集特性的表達(dá)基因進(jìn)行轉(zhuǎn)基因培育，培育出對多種污染物都具備良好富集特性的轉(zhuǎn)基因植物。

我國疏浚量日益龐大，底泥的脫水處理嚴(yán)重制約了疏浚工程的開展，關(guān)于底泥脫水的研究已經(jīng)成為疏浚的核心問題，能否首先從疏浚源頭上，根據(jù)泥沙動力學(xué)原理，研究開發(fā)新式疏浚設(shè)備或者技術(shù)，在疏浚時(shí)減少底泥中自由水的含量。目前在脫水技術(shù)上的主要研究方向是采用不同絮凝劑及其各種配比后探究對底泥脫水特性的影響。筆者認(rèn)為以后的研究方向應(yīng)當(dāng)是從顆粒與水分子結(jié)合的機(jī)理上研究新型脫水技術(shù)，比如采用新型親水材料與顆粒之間搶奪水分子吸附權(quán)，再從新型材料上脫去水分；或者研究外力脫水技術(shù)，將太陽能、風(fēng)能等外部能源施加至底泥中，使得底泥中的水分轉(zhuǎn)換為氣態(tài)或者脫離顆粒。

在底泥的利用方面，筆者認(rèn)為國內(nèi)的資源化利用方式雖然多樣，研究也較為廣泛，但是其利用方式相比國外仍然顯得粗獷和保守，主要用于土地和填方方面，用作建材方面的研究起步較晚。底泥作為一種細(xì)質(zhì)顆粒較多的材料，能否利用無害化底泥干化后的物理特性進(jìn)行其他用途仍待進(jìn)一步研究。

底泥中重金屬的研究，目前主要集中在兩個方向，一方面研究各種材料及其不同配比對底泥中重金屬的固化效果，但是研究一般限于工藝方面，對于其中固化機(jī)理的闡述不夠透徹。另一方面研究植物對于各種重金屬的富集特性、轉(zhuǎn)移系數(shù)、修復(fù)系數(shù)等，但是對于底泥中重金屬遷移特性的研究罕見報(bào)道，底泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)和細(xì)質(zhì)顆粒，用于研究溶質(zhì)運(yùn)移的模型是否仍然適用于底泥中重金屬的遷移特性，有待進(jìn)一步研究。