疏浚底泥脱水固化利用及重金属修复研究现状

温达文，万 发，李海峰，王 勇

(1.广州市增城区水务建设管理所，广州 510000；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510000)

1 概述

我国陆地水域总面积广阔，据统计，每年在长三角、渤海、珠三角的总疏浚量超过38亿m3，这也让我国成为世界疏浚第一大国。由于底泥颗粒中吸附着大量的营养物质和污染物质，当水体上层出现水质变化或水体扰动时，这些物质会迅速释放出来，从而对水体上层和生态环境产生影响。

2 底泥处理技术

底泥是指在粒子静电和引力作用下由黏土矿物等微粒在缓水流环境中沉积的絮状或者蜂窝状结构，具有量大、性质复杂、多含污染物、有机质含量高和渗透率低等性质，通常情况下底泥孔隙比为1.5～2，液限40%～60%，是一种含有较多成分的综合物，如胶体、泥沙、微生物、动植物遗骸、纤维等丰富的有机质。

目前关于疏浚底泥治理的研究主要分为原位和异位处理两部分，二者的具体研究内容如图1所示。

图1 疏浚底泥治理研究内容分布示意

3 底泥原位处理

自然修复、清淤和原位覆盖是1998年美国环境保护署推荐的三大污染沉积物修复技术[1]。原位处理是采用覆盖层将受污染底泥封锁在底部不动，避免水生生物和人类直接接触，减少污染物在沉积物和水体中的运移，从而达到固定污染物和保护水体的作用。

原位处理技术的发展主要伴随着原位遮蔽材料技术的发展，从最初的天然覆盖材料(沙子、土壤、砂砾等)到改性的黏土材料，最后到活性降解材料，对于污染底泥的处理效果不断增强，但是各种处理方法仍然具有比较明显的局限性：① 天然材料覆盖使沉积物与水体隔离，但其本身对沉积物中的污染物不进行处理，同时上层水体的流动又会破坏覆盖层的完整性，为保证覆盖层完整性需大量清洁泥沙，这又会增加底泥量，造成库容减小，水深减小，影响通航。② 改性后的黏土材料主要是增加有机碳的含量，进而增大污染物在覆盖材料和水体之间的分配系数，但这种处理方式仍然没有从根本上处理掉污染物。③ 活性降解材料是采用添加了可以与底泥中沉积的污染物进行降解反应的材料进行覆盖，加入反应物质虽然可以快速对污染物进行无害化处理，但是由于不同区域的污染沉积物类型和含量不同，因此要将复杂污染物完全去除，需要对污染种类和反应性质进行充分调查，因地制宜制备覆盖材料，这样又增大了治理成本。同时，生物处理需营造适宜的生长条件，且其降解利用种类有限，对污染物中其余不利组分无效[2]。总而言之，原位处理技术各类解决污染的措施中，或多或少受到了地域、环境因素的限制。

4 底泥异位处理

底泥异位处理被认为是目前最为彻底的湖泊污染处理方法，其原理是采用疏浚方式将底泥去除，以达到去除污染并修复水体环境的功效。笔者认为，目前疏浚底泥异位处理技术主要集中在3个方面：① 底泥脱水技术；② 底泥利用技术：③ 底泥重金属修复技术。

4.1 底泥脱水研究现状

内陆河、湖泊等水域的底泥疏浚一般采用吸取挤压，将水和底泥混合，并输送至岸上。疏浚底泥一般呈流态，以小颗粒黏土松散分布为主，极具吸水性且孔隙比大于1。底泥成分复杂，有亲水性极强的颗粒，因此其中水分存在4种形态：① 自由水；② 间隙水；③ 表面水；④ 细胞间隙水[3]。

通常来说，疏浚底泥的含水率在95%以上，又称“95泥浆”，自然条件下的晾晒及渗透作用难以脱水干化，干化周期可长达5～10 a，多雨地区和颗粒亲水性较强时该时间还会继续延长，造成长期占用堆场的问题。在城市土地资源越来越稀缺、清淤疏浚压力增大的情况下，开发底泥高效脱水技术成为了环保疏浚的核心技术。

4.1.1物理脱水研究现状

疏竣底泥脱水干化技术目前主要有自然干化、主动开沟排水法、机械脱水法、预压法、土工管袋法及电渗析法等多种。

自然干化和主动开沟排水法都是在传统堆场上进行脱水(如图2所示)，但是传统堆场脱水效率太低，且受到自然环境的影响较大，干化时间太长，造成土地资源的长期占用；开沟排水法可以在降雨情况下及时排除雨水，但不能高效排除底泥中的孔隙水[4]。

图2 底泥自然干化堆场示意

机械排水法主要指离心法和压滤法，离心法原理为利用颗粒和水的比重不同，在离心作用时受力不同、离心运动轨迹不同而将颗粒和水分分离，底泥颗粒在内壁结成层，水分在结层体表面分离。刘彦诚[5]认为离心法可以将底泥含水率降至70%，加入絮凝剂甚至可以降至60%，缺点是运行成本太高。压滤脱水的原理是采用可以形成滤水通道的上下压滤板对底泥进行压缩，黎荣[6]发现压滤后的底泥含水率为72%。

真空预压法是采用真空系统将堆场底泥下层抽至80～90 kPa的真空负压，大部分底泥孔隙水在真空吸力和预压载荷的共同作用下通过排水板等设施排除，此时底泥发生压缩固结。据报道，东钱湖疏浚底泥通过干化和固结后承载力可大幅度提升至60 kPa以上[7]，该技术是高指标、效益显著的底泥脱水固化技术，同时具有高效节能、环保、成本低、工期短等优点。土工管袋法是利用土工管袋的过滤效果对水分进行过滤，必要时加入絮凝剂加速过滤。

电渗析法是采用电荷平衡原理来去除底泥中的水分，底泥中颗粒往往带有负电荷，而水带正电荷，对泥浆堆场施加直流电，水分子将会向负电极处汇聚排除(电渗法脱水示意见图3)。电渗析法可去除底泥中的自由水和弱结合水，但其最主要的特点是高能耗，因此无法大规模推广使用，只有在常规脱水方法无法达到目标时才采用该方法。

图3 电渗法脱水示意

除电能外还可通过热能原理使底泥中水分蒸发脱离，主要方法有对流干燥、红外干燥、太阳能干燥、微波干燥。对流干燥主要是利用干燥介质，如干燥热空气直接或间接接触底泥，吸收其中水分使水分蒸发脱离。红外干燥是底泥通过吸收发射器发射的电磁波光束中的光子并最终转换成热能使得水分蒸发，其优点是速度快、效率高、设备简单易操作。太阳能作为清洁经济能源用于底泥脱水已有多项成果，如土耳其的Nezih等[8]研发了太阳能干燥流化床，同时，结合使用石灰可将底泥处理至安全填埋标准。天津大学也在太阳能干燥底泥上研究了成本和能耗等因素，得出了底泥的太阳能干燥方程，同时指出干燥效果受天气影响较大，需考虑与其他热能配合[9]。

微波干燥的原理与红外干燥相类似，都是通过电磁波使得分子震动发热将微波转化成热能，水分温度升高从内部扩散至表层蒸发。Menlendez[10]等人对含硅污泥进行了微波干燥实验，干燥曲线和理论相吻合。Idris[11]研究指出污泥微波干燥时添加微波吸收体，可使得污泥分解，最终干燥后污泥体积可减少80%。韩久春[3]研究了微波功率、进料量等变量对底泥干燥效果的影响，并提出微波干燥的最佳微波功率和进料量的组合，同时还对比了3种热能干燥方法的优劣，结果见表1所示。

表1 不同干燥方法对比

4.1.2化学脱水研究现状

底泥不仅含水率高同时组成成分复杂，机械脱水去除率有限，为有效地进行固液分离达到减量化要求，需对其进行物理或化学改性。目前底泥絮凝剂使用效果较好的有，高分子絮凝剂(阳离子型聚丙烯酰胺)和无机絮凝剂(聚合氯化铝、聚合硫酸铁等)[12]。谭万春[13]采用无机絮凝剂、高分子絮凝剂和超声联合对底泥进行处理，研究了不同方法的处理效果，结果表明，效果最好的方式为先加絮凝剂再超声处理。

目前，关于底泥化学脱水的研究主要为单一因素处理效果的研究，尚缺乏系统的对关键多因素(絮凝剂、温度、pH、粒径等)组合下脱水效果的综合研究。底泥中水分之所以难以脱离，是由于底泥中的水主要是毛细水和结合水，其作用力为毛管力和粘附力，底泥颗粒较小，其中的矿物离子的亲水性较强，对于这部分水分子来说，重力对克服毛管力和粘附力的作用极其不明显，因此水分向下迁移的作用极其微弱，是以底泥中的水分无法有效下渗至底部排除。笔者认为，可以研发适合的亲水性物质，该物质需要有足够的强度和足够大的表面积进行水分吸附，且只能吸附水分子，不能过度吸附黏土颗粒。将该物质放置至底泥中进行搅拌，抢夺水分子，当其水分含量饱和之后提出至空气中暴露，可在阳光、高温、通风的条件下达到脱水目的。

4.2 底泥资源化利用研究

我国每年疏浚量数以亿计，以往海洋投弃的处理方式，无论是从环境角度还是资源角度考虑，都不是最佳处理方式；同时，建筑材料的紧缺，使得对底泥有效的再资源化利用成为人们越来越关注的问题。根据底泥含有细粒颗粒以及各种速效营养物质的特性，对底泥的资源化利用主要包括底泥的农林利用、修复严重扰动土地、湖滨带和湿地的修复、填方利用、建筑材料利用等。

疏浚底泥胶体性质和有机质含量使其在农业和林业方面再利用具有天然优势，朱广伟等[14]将处理后的底泥用于农田，使得土壤性状提升肥力增强，同时蔬菜产量增加；苏德纯[15]通过对官厅水库底泥处理再进行农业种植研究后发现，底泥中的有机质等养分可促进植物生长。

疏浚底泥无害化处理后也可用于湿地修复等，这种利用方式意义重大。如荷兰的风车岛(Windmill Island)，部分岛体是采用疏浚物质进行堆积形成。干燥固化后的底泥如满足要求可用于施工回填，也可用于生产可再生土工材料，这种方式可大幅度节约黏土使用，同时解决环境污染问题。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满足抗压强度。

底泥制砖是底泥另外一种资源化利用方式。按制砖的工艺不同可分为两类，一类是将直接干化处理后的底泥作为原材进行制砖，另一类是将底泥焚烧处理后的灰渣进行制砖。Kay Hamer等[17]利用疏浚底泥进行制砖试验，指出底泥制成的砖几乎对环境没有危害。疏浚底泥中含有较多的矿物，可作为原料生产陶粒、水泥和混凝土、烧结砖、微晶玻璃，这种资源化利用方式可有效节省不可再生建筑原材。Xu[18]通过对底泥烧制陶粒的严苛条件下的重金属浸出量进行研究，发现其对环境无危害。Pembe[19]将底泥用作细骨料来制备混凝土，发现其性能良好；林莉[20]对不同类型底泥的资源化利用途径和工艺进行了整理归类，结果如图4所示。

图4 不同类别底泥的处理方式及资源化利用途径示意

4.3 底泥污染修复研究现状

内陆河流湖泊与人类生活联系紧密，因此其中的底泥不可避免出现污染物，其中的污染物种类主要分为4种：①重金属，重金属在底泥中主要有吸附、水解和共沉淀；②营养物质，如氮磷化合物，磷含量过高会使藻类迅速生长，消耗溶解氧，破坏生态；③难降解有机物，如油脂、多环芳烃、多氯联苯等；④有毒污染物，易被生物积蓄并导致畸形和癌症。污染物主要以工业废水、地表径流、冲刷渗流、大气降尘及农药施用等方式进入河流湖泊。目前对底泥的重金属研究稍多，笔者主要针对重金属方面的污染行为及其治理修复进行归纳总结。

4.3.1重金属的形态

针对重金属的迁移转化和生物毒性，其存在形态比总量更为重要。目前为大众所接受的理论是Tessi-er[21]等提出的5种形态，即可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机质结合态和残渣态，重金属在前3种形态中都表现出较强的活性，会出现较强的迁移能力，因此其危害更大，重金属在后两种形态中较为稳定。当重金属处于可交换态时易被植物或者微生物吸收，此时主要处于溶液或胶体上。

4.3.2底泥重金属修复现状

底泥重金属的处理方法主要有两大类：① 固化技术，主要利用重金属形态的转化改变其活性，减轻危害；② 分离技术，主要通过化学淋洗、生物淋洗、植物修复和电动修复技术从根源除去重金属，进而解决污染问题。

4.3.2.1稳定固化法

化学的稳定固化是向底泥中添加各种有机或无机材料，改变底泥中重金属的存在形态，使其发生沉淀吸附等反应，降低其活性和生物有效性。常用有机添加材料一般为树叶、秸秆等，常用无机添加材料一般为碳酸盐、磷酸盐材料。当前固化剂稳定固化底泥依然存在问题，主要表现为固化后底泥中的污染物依然存在，仍有释放与暴露于环境的可能性，底泥固化后其中重金属的稳定性需要进一步研究。

彭思丽[22]采用水泥、石灰和矿渣对疏浚底泥进行了固化，固化后强度可用于填筑，并研究了固化物中重金属浸出量，其浸出量远低于国家标准。武博然[23]认为当前的底泥固化技术存在添加量过大、能耗高、且资源化利用途径较少等问题。底泥处理后因地制宜地满足当地需求的资源化利用并非是一个容易解决的问题，往往需要更高的经济投入，如添加材料、脱水支出，运输成本等。

4.3.2.2分离法

分离法一般有4种，分别为化学淋滤、生物淋滤、植物淋滤和电动修复技术。其中化学淋滤是采用添加可与重金属结合的物质将其从底泥中以溶解或络合的方式溶出，溶出物再使用响应添加物形成沉淀从而实现去除[24]。该方法关键在于根据底泥中的重金属类别、含量、浓度和存在形态选择合适的淋洗剂，同时还需兼顾经济成本问题。其优点在于见效快、效果好，缺点在于投入高、添加剂有二次污染的可能。

生物淋滤原理是利用微生物的直接或者间接作用，与底泥中重金属产生反应，从而降低其含量或改变形态。直接作用是指微生物生长过程中直接将重金属形成可溶盐，间接作用是指其代谢产物改变环境，提高重金属溶解度[25]。对于生物淋滤的研究主要集中在氧化亚铁硫杆菌对底泥重金属的去除率以及最后重金属残存状态等方面的研究[26]。该方法具有成本低、去除率高的优点，应用前景广阔，然而目前的技术手段还停留在室内试验为主；其缺点为微生物生长受环境影响、增殖慢、周期长。

植物淋滤是利用植物根系吸收和体内富集的特点使重金属在植物体内富集，再通过收割植物并处理以达到去除底泥重金属的目的。该方法具有成本低、环境效益好的优点，但存在周期长、去除效果单一的缺点。

电动修复技术的原理与电渗脱水相同，利用重金属粒子的带电性，在底泥两端施加直流电，在电极处富集污染物，并将富集物收集处理。Pederson[27]研究表明，有隔室的底泥重金属去除效率比传统堆场要高，电渗析法去除重金属的同时还会去除底泥中的多环芳烃、多氯联苯等污染物。Kim[28]研究指出重金属的形态会严重影响电动去除效率，交换态去除率为92.5%，而残渣态仅为19.8%。

5 结语

关于底泥处理技术，笔者认为，原位覆盖技术的研究方向不应该在于如何隔离与屏蔽，而是要在可以形成抗水力扰动的覆盖层中添加有效的可以和底泥沉积物中污染物质进行降解反应的材料，从源头上进行治理，从总量上减少污染源从而达到治理效果。原位植物处理具有环境友好、操作简单、成本低廉等优点，但单一植物很难做到对多种污染物都有很好的富集特性，可以通过对植物富集特性的表达基因进行转基因培育，培育出对多种污染物都具备良好富集特性的转基因植物。

我国疏浚量日益庞大，底泥的脱水处理严重制约了疏浚工程的开展，关于底泥脱水的研究已经成为疏浚的核心问题，能否首先从疏浚源头上，根据泥沙动力学原理，研究开发新式疏浚设备或者技术，在疏浚时减少底泥中自由水的含量。目前在脱水技术上的主要研究方向是采用不同絮凝剂及其各种配比后探究对底泥脱水特性的影响。笔者认为以后的研究方向应当是从颗粒与水分子结合的机理上研究新型脱水技术，比如采用新型亲水材料与颗粒之间抢夺水分子吸附权，再从新型材料上脱去水分；或者研究外力脱水技术，将太阳能、风能等外部能源施加至底泥中，使得底泥中的水分转换为气态或者脱离颗粒。

在底泥的利用方面，笔者认为国内的资源化利用方式虽然多样，研究也较为广泛，但是其利用方式相比国外仍然显得粗犷和保守，主要用于土地和填方方面，用作建材方面的研究起步较晚。底泥作为一种细质颗粒较多的材料，能否利用无害化底泥干化后的物理特性进行其他用途仍待进一步研究。

底泥中重金属的研究，目前主要集中在两个方向，一方面研究各种材料及其不同配比对底泥中重金属的固化效果，但是研究一般限于工艺方面，对于其中固化机理的阐述不够透彻。另一方面研究植物对于各种重金属的富集特性、转移系数、修复系数等，但是对于底泥中重金属迁移特性的研究罕见报道，底泥中含有大量的有机质和细质颗粒，用于研究溶质运移的模型是否仍然适用于底泥中重金属的迁移特性，有待进一步研究。