梁塘河底泥污染特征及资源化利用分析

王维琳，姜翠玲，孙敏华，张 鹏，郭 赟

(1.河海大学水文水资源学院， 南京 210098；2.无锡城市发展集团有限公司，江苏 无锡 214000)



· 水环境 ·

梁塘河底泥污染特征及资源化利用分析

王维琳1，姜翠玲1，孙敏华1，张 鹏1，郭 赟2

(1.河海大学水文水资源学院， 南京 210098；2.无锡城市发展集团有限公司，江苏 无锡 214000)

梁塘河作为城市河道，其底泥的主要污染物为营养物质和重金属。营养物质中全磷的含量较为丰富，达到了二级营养水平；重金属中铜的污染程度最大，其次为铬、镉和铅。根据污染物垂直分布分析，其含量普遍在20～40cm泥层最高，在40～60cm泥层最低，因此最佳清淤深度为50cm左右。针对清淤后的底泥，从可行性和经济性两个方面分析各种底泥资源化利用方法，认为直接施用于城市公园建设和湖滨带修复是梁塘河底泥方便可行、成本低廉的资源化利用手段，且满足城市可持续发展的需求。

梁塘河;底泥;污染特征;资源化利用

1 前 言

梁塘河位于无锡太湖新城，东与京杭大运河相通，西连五里湖[1]。与自然河道相比，梁塘河这样的城市河道与人类的相互作用更为密切[2]，它可以为城市的生活和生产提供便捷的水源，为周围居民创造休憩娱乐和接触自然的空间，因此其流域的水环境、水生态拥有着重要的社会意义、经济意义和环境意义[3]。

然而随着太湖新城经济的快速发展，工农业废水、生活污水和携带大量污染物的城市地表径流大量排入梁塘河。由于梁塘河属窄浅型河道，且相对静止，污染物质极容易沉积到河道底泥中，使得底泥中的有机质、全氮、全磷和重金属含量高于上覆水几个数量级，是不可忽视的二次污染源[3-4]。因此，对严重污染的底泥进行清淤是减少水体内源污染，改善梁塘河水质的必要措施之一。然而，底泥在清淤后如何进行资源化利用也是需要重点考虑的问题。目前，清淤多集中在湖泊和航道底泥上，底泥的资源化利用研究也多围绕于传统的土地利用和烧砖制瓷。因此，分析城市河道底泥的污染特征，并寻找到适合城市河道底泥资源化利用的方法是城市发展的新需求和新方向。

2 研究区域与方法

2.1 研究区域及内容

根据代表性和整体性原则，从梁塘河上游至下游共确定了9个底泥采样区，依次标记为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#(图1)，采样深度为0～100cm。监测了底泥中有机质、全氮、全磷和6种主要重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb的含量，为污染特征分析和资源化利用研究提供数据支撑。污染特征分析方法将从水平分析、垂直分布、营养特征及重金属特征4个方面进行。

2.2 底泥污染特征分析方法

2.2.1 水平污染分布

梁塘河上游与京杭运河相连，运河水携沙量

图1 梁塘河采样区示意Fig.1 Sketch map of the sampling area

大，导致梁塘河上游底泥的含沙量较大，且上游属于航道，扰动大，因此淤积深度较浅。梁塘河下游联通太湖流域的五里湖，五里湖淤积深度大，底泥污染严重[1]，因此梁塘河下游段淤积较深，且底泥发黑发臭。根据监测数据分析底泥的水平污染分布特征，结果见图2。

图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#)底泥淤积浅，污染程度小，没有清淤的必要；梁塘河中下游(6#、7#、8#、9#)淤积深，污染程度大，是清淤的主要河段，因此垂直污染分析均围绕中下游河段进行。

对不同深度底泥的污染状况进行分析可以初步确定清淤深度，且可以为各层底泥不同的污染特征采用不同资源化利用手段提供依据。将底泥分为0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm五层，计算6#、7#、8#、9#个采样区各层污染物的平均含量作为该层的代表值,其垂直变化见图3。

图3 污染物垂直分布图Fig.3 Vertical distribution of the pollutants

2.2.3 底泥养分特征

底泥的污染特征将直接决定其资源化利用方法，其中底泥营养物质的丰贫与其土地利用方式息息相关。将0～20cm、20～40cm、40～60cm三层底泥的土壤养分指标与土壤养分分级标准(全国第二次土壤普查推荐值[5]，表1)进行对比，得出梁塘河底泥养分分级(表2)。土壤养分分级标准共有六级，其中六级为最低营养水平，一级为最高营养水平。

表1 全国第二次土壤普查推荐值Tab.1 Recommended values of Second National Soil Survey(g/kg)

表2 梁塘河底泥养分分级Tab.2 Classification of nutrient in sediment of Liangtang river

2.2.4 底泥重金属特征

除了营养物质，重金属因其去除难、危害大的特点，其含量的多少也会直接影响底泥资源化利用的方式。将梁塘河底泥重金属含量与土壤环境质量标准(GB15618-1995[6]，表3)进行对比，得出梁塘河底泥土壤环境质量级别(表4)。其中一级标准是为保证区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量限制值，二级标准是为保障农业生产维护人体健康的土壤限制值，三级标准是为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。

表3 土壤环境质量标准Tab.3 Soil Environmental Quality Standards(mg/kg)

表4 梁塘河底泥土壤环境质量级别Tab.4 Classification of quality standard of sediment

3 结果与分析

3.1 梁塘河底泥污染特征

水平分布上，无论营养物质还是重金属含量普遍在中下游采样区含量较高。营养物质方面，总磷含量普遍较，说明总磷在城市河道底泥污染中占了较大比例。有机质、全氮、全磷均在6#采样区达到最高值；重金属方面，同样由于6#采样区周边铜加工厂等企业较多，因此铬、铜和铅含量均在6#采样区最大，而镉在8#采样区含量最高。综合来看，6#～8#河段最需要进行清淤。

垂直分布上，有机质、全氮和全磷的最小含量均在40～60cm泥层；汞和镉在深度范围内基本无变化，砷、铅和铬的最小含量同样在40～60cm泥层，铜的最小含量在20～40cm泥层。更深的泥层污染物含量反而增加主要是由于近些年对沿岸的工厂进行了整治，关闭了一些大量排污的企业，导致后面淤积的底泥污染程度反而比下层底泥污染程度小。因此清淤的最佳深度因在50cm左右。

梁塘河底泥的有机质和全氮含量属中低水平，但全磷营养等级较高，说明梁塘河底泥污染中，全磷所占比例较大，周边含磷的生活污水排放量较大，综合考虑梁塘河底泥营养水平一般。重金属等级上，因梁塘河附近有一家铜加工厂，除了0～20cm深度的底泥铜含量属于三级，其他重金属均在二级及二级以上，说明梁塘河底泥重金属污染程度中等，能保障植物的正常生长，且不危害人体健康。城市河道底泥的重金属主要来源于排入河道的工业废水，取缔污染严重的工厂，控制工业废水排放是减少河道及底泥重金属污染的根本办法。

3.2 梁塘河底泥资源化利用分析

现较为成熟的底泥资源化利用方式主要包括土地利用和制作建筑原材料两方面，土地利用包含了施用于农田、林地、绿化用地及建设湿地；建筑原材料包括陶粒、砖瓦、瓷砖、水泥和填方材料[7]。本文从这几个方面分析梁塘河底泥的资源化利用方式

3.2.1 直接施用于农田

已有大量研究报道，施用城市底泥对作物具有增产作用。通过蔬菜盆栽实验研究了底泥农田应用对蔬菜种植的影响。研究表明，运河底泥种植蔬菜能提高植物种子的发芽率和生长速度[8]。李翔等通过不同组合的稳定剂对底泥进行稳定化处理后，植物的重金属吸收率大大降低，农田应用对作物的危害会更小[9]。刘梦等通过对8种不同植物施用活性污泥的实验发现在合理的施用范围内，底泥不仅能提高作物产量，而且能提高作物品质[10]。

梁塘河底泥总体的营养水平不高，但重金属含量小于保障农林业正常生长的临界值，在进行堆肥或进行氮肥混合后可适当用于农田。

3.2.2 直接施用于城市绿化用地

由于城市河道存在于城市市区，因此底泥就近施于不进入食物链的城市绿化用地不失为一个很好的处置方法。由于底泥的质量容易控制,创新底泥在城市绿化中的应用模式具有巨大潜力[11]。另外，底泥作为绿化用地具有用量大、技术简单和经济性好的优势，且施用底泥能够促进树木、花卉、草坪的生长，提高其观赏品质[12]。从重金属方面考虑，即使重金属含量小于农用标准，但不保证在农用过程中仍有一定的累积性，因此底泥投放于绿化用地比投放于农田更具可行性，且其重金属和有机污染物对地下水污染的潜在危险性大大降低[8]。

无锡太湖新城属于新近开发地段，周边生态环境有待提高。梁塘河周边拟建市民生态公园，提高其城市品味。梁塘河底泥的营养物质和重金属均符合标准，清淤后可直接用于建设公园，方便可行且成本低廉。

3.2.3 湖滨带修复及湿地、栖息地建设

梁塘河与五里湖联通，清淤后的底泥也可以用来进行湖滨带修复，加固大堤，加宽湖滨大道，具有重要的生态建设意义[13]。另外，底泥也可以在周边建设湿地和动物栖息地，国外已有一些成功运用底泥进行生态修复的案例，通过实际的工程验证了利用底泥进行生态修复的可行性，如荷兰及华盛顿都曾利用疏浚底泥建设成湿地；美国阿拉巴马州的盖亚尔渠是疏浚底泥的处置场所，直接在疏浚底泥上种植湿地植物作为野生动物的栖息地[14]。因此无锡太湖新城也可借鉴国外成功案例，打造生态湿地，形成生态与经济发展共存的可持续发展模式。

3.2.4 制作建筑材料

一些学者对城市河道底泥进行了试验研究，结果表明，只要对底泥的成分进行适当的调整，经高温焙烧后就能烧制出符合标准的粘土陶粒产品和普通砖等材料[15-16]。而且由于烧制陶粒和砖瓦等材料必须经过1 000℃以上的高温，在高温下有机物将分解或气化，不会残留在烧制品中，只有重金属才有可能存在于成品中。因此王中平等学者又将成品放入普通水中进行浸析，结果未见有重金属溶出，表明底泥中的重金属将大部分固熔于这些材料中，基本避免了二次污染。扬磊等学者的苏州河底泥生产水泥熟料技术研究也表明，底泥可以满足水泥生料的配料要求，因此底泥应用在生产水泥熟料在技术上也是可行的[17]。

但梁塘河周边没有制造建筑材料的工厂，而运输底泥的费用较高，成本花费太大，因此从经济角度来讲，梁塘河底泥不适合用于制作建筑材料。

综合考虑可行性和经济性，以上几种资源化利用方式中直接施用于城市公园和进行湖滨带修复最符合梁塘河周边发展的实际情况。采取这样的资源化利用方式，在清淤后不仅能够缓解梁塘河底泥黑臭，水质较差的现状，还能够修复两岸的生态环境，为市民提供休闲娱乐的场所。

4 结 论

4.1 无锡市梁塘河作为城市河道，受周边工农业排放和生活污水影响，底泥的主要污染物质为有机质、氮、磷和重金属。在垂直方向上，污染物含量普遍在40～60cm处最小，清淤的最佳深度在50cm左右。

4.2 梁塘河底泥有机质和全氮含量属中低水平，全磷含量较为丰富，总的来说营养程度一般；重金属中，因梁塘河周边有铜加工厂，因此铜的含量最高只达到了土壤环境质量标准的三级标准，铬、镉和铅达到了二级标准，砷和汞达到了一级标准。

4.3 根据梁塘河底泥污染特征，建议清淤后底泥直接用于周边公园建设及湖滨带修复，低成本，易操作，不仅能够有效地利用底泥资源，还可以创造一定的人文价值，是人与自然和谐共处的城市发展新道路。

[1] 罗清吉,石浚哲. 五里湖淤泥现状及生态清淤_罗清吉[J]. 环境监测管理与技术,2003,15(1):27-29.

[2] 肖 靓,赵文涛,栾敬帅,等.城市河道黑臭评价模型及控制技术研究进展[J].安徽农业科学,2014,(26):9116-9120.

[3] 柏学凯.城市河道底泥污染分析与抑制方法研究[D].济南：山东大学,2011.

[4] 曹承进,陈振楼,王 军,等.城市黑臭河道底泥生态疏浚技术进展[J].华东师范大学学报(自然科学版),2011,(1):32-42.

[5] 杨佩珍,王国忠.上海市土壤养分分区管理技术研究[M].上海:上海科学技术出版社, 2008. 45-48.

[6] GB 15618-199,土壤环境质量标准[S].

[7] 蔡 晔,林休休.城市污染底泥治理中资源化利用途经研究进展[J].科技创新导报, 2009,(28):127.

[8] 李 翔,刘永兵,程言君,等.稳定化处理对底泥利用后土壤Cd形态及空心菜Cd含量的影响[J].农业环境科学学报,2015,(2):282-287.

[9] 马伟芳.植物修复重金属-有机物复合污染河道疏浚底泥的研究[D].天津:天津大学,2006.

[10] 刘 梦,樊丛照,粟有志,等.污泥有机复合肥对几种植物生理学效应的影响[J].新疆农业科学,2010,47(8):1567-1573.

[11] 张明霞.疏浚底泥在城市绿化中的应用[J].中国城市林业,2011,9(5):50-51.

[12] 林 莉,李青云,吴 敏,等.河湖疏浚底泥无害化处理和资源化利用研究进展[J].长江科学院院报,2014,31(10):80-88.

[13] 王 慧,于伟鹏,黑 亮,等.污染底泥处理及资源化利用研究进展[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.利用苏州河底泥制备陶粒[J].建筑材料学报,1999,2(2):178-l81.

[16] 陈 楠,范方禄.用湖底泥生产水泥的实验研究[J].黄石理工学院学报,2009,25(5):12-15.

[17] 杨 磊,计亦奇,张 雄,等.利用苏州河底泥生产水泥熟料技术研究[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

国家水体污染控制与治理科技重大专项，太湖新城湖滨流域水质改善与生态修复综合示范课题，重污染河流小流域水质改善技术与工程示范子课题(2012ZX07101-013-02)

王维琳(1991-)，女，江苏苏州人，河海大学水文及水资源专业2014级在读硕士研究生，研究方向为水环境保护及水生态修复。

X703

A

1001-3644(2016)03-0062-05