趙計(jì)奎，夏 霆，黃恩澤，孫淑文，潘新星

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，南京 211816)

清淤海泥與城市市政污泥作為固體廢棄物，未經(jīng)恰當(dāng)處理處置的污泥進(jìn)入環(huán)境后，直接給水體和大氣帶來(lái)二次污染，不但降低了污水處理系統(tǒng)的有效處理能力，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類的活動(dòng)構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。尋找合適的處置與資源化利用途徑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，隨著城市化進(jìn)程推進(jìn)，城市內(nèi)澇問題的突出，很多城市到雨季就出現(xiàn)“看?！薄安遏~”景象，這與當(dāng)下我們提出的生態(tài)文明建設(shè)理念顯得格格不入。河網(wǎng)區(qū)海綿城市下凹式綠地的建設(shè)是海綿城市建設(shè)在城市管理中的具體體現(xiàn)，其次，城市地表徑流污染已成為繼農(nóng)業(yè)污染之后的第二大面污染源，且徑流污染程度具有連年增加的趨勢(shì)[1]。本文以蘇南海綿城市建設(shè)作為參考，考慮河網(wǎng)區(qū)地下水位高，雨水下滲難度較大等特點(diǎn)[2]，設(shè)計(jì)采用清淤海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1的陶粒作為土壤改良劑用于綠地黏滯土壤改良及徑流污染物去除。

研究?jī)?nèi)容包括土壤滲透試驗(yàn)及雨水徑流污染物凈化試驗(yàn)兩部分，通過(guò)添加粉煤灰、秸稈及粗砂等與廢棄泥陶粒混合制備土壤改良劑，總結(jié)清淤海泥所制備陶粒對(duì)土壤滲透性能改良及污染物去除是否具有可行性，并考察其改良效果，旨在利用固體廢物利用的基礎(chǔ)上，改善土壤黏滯特性，滿足海綿城市對(duì)土壤滲透性能的要求。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土采自南京工業(yè)大學(xué)生工樓東側(cè)綠地，土壤其植被類型為灌草，土壤類型為輕壤土，通氣性較差，呈暗棕黃色，pH經(jīng)測(cè)定偏中性。經(jīng)測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量為22.9 g/kg，全磷為0.15 g/kg，全氮為1.33 g/kg。

采用前期研究廢棄物資源化所制備的海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1的陶粒[3]與秸稈混合制備為用以改良土壤滲透性能的CJF改良劑，所用海泥均取自連云港市灘涂航道疏浚的清淤海泥，該清淤海泥色黑，海泥基本特性見表1。

表1 清淤海泥基本特性Tab.1 The basic characteristics of dredging sea mud

1.2 試驗(yàn)裝置及處理

室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖1所示，該裝置有PVC圓筒制備的試驗(yàn)土柱、降雨設(shè)備、馬氏瓶供水器及稱重設(shè)備四部分構(gòu)成。土柱直徑15 cm，用以盛放土壤改良劑與原料土混合土樣。降雨設(shè)備采用點(diǎn)膠針頭模擬降雨[4]，通過(guò)點(diǎn)膠針頭與供水器水位控制降雨強(qiáng)度。其中7號(hào)針頭可模擬0.32～1.90 mm/min(19.2～114 mm/h)降雨強(qiáng)度。5號(hào)針頭對(duì)應(yīng)模擬0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨。

圖1 降雨模擬試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Rainfall simulation test device map

試驗(yàn)設(shè)計(jì)用量參照以往相關(guān)研究[5]，試驗(yàn)設(shè)置空白樣，未添加任何土壤改良劑，另外設(shè)置純陶粒組別作為對(duì)照，其中CTF、CTJ、CTS改良劑中清淤海泥制備的陶粒施用量為5%，粗砂與粉煤灰質(zhì)量占總質(zhì)量的3%、5%、10%；秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的0.3%、0.6%、0.9%。試驗(yàn)共設(shè)置13個(gè)試驗(yàn)組，重復(fù)6次。如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理Tab.2 Test design treatment

1.3 研究方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤滲蓄試驗(yàn)

采用配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1制備的粒徑為1～2 cm的陶粒[2]，與秸稈、粉煤灰及粗砂作為原料，按照上述1.2中試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中CTF、CTJ、CTS改良劑中清淤海泥制備的陶粒施用量為5%，粗砂與粉煤灰質(zhì)量占總質(zhì)量的3%、5%、10%；秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的0.3%、0.6%、0.9%。與原料土混合后裝填入PVC土柱中，測(cè)定土壤的在5、8、10、20、30、45、60、75、90、110、120 min的天平質(zhì)量變化并換算成雨水量，計(jì)算不同配比土壤改良劑在各時(shí)刻的土壤滲透速率并記錄。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同配比CT改良劑土壤滲透曲線Fig.2 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CT Modifiers

圖3 不同配比CTS改良劑土壤滲透曲線Fig.3 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTS Modifiers

由圖2可知：在未添加任何改良劑的條件下，使用原料土等體積裝填土柱，其滲透速率隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，純?cè)贤量瞻讟拥某跏既霛B速率為2.34 mm/min，120 min后穩(wěn)定入滲速率為0.54 mm/min，120 min的平均入滲速率為1.66 mm/min。而當(dāng)在原料土中加入單一改良劑時(shí)，即配比為3%、5%、8%廢棄泥陶粒時(shí)，隨著陶粒比例增加，土壤的入滲速率也隨之增加。當(dāng)配比為3%陶粒時(shí)，其平均入滲速率稍大于空白樣，為2.02 mm/min。其初始入滲速率及穩(wěn)定入滲速率分別為2.88及0.89 mm/min。

當(dāng)配比為5%陶粒時(shí)，其平均入滲速率為3.55 mm/min，其初始入滲速率及穩(wěn)定入滲速率分別為5.55及2.21 mm/min。并且在60 min左右時(shí)，土壤入滲速率增勢(shì)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

當(dāng)配比為8%陶粒時(shí)，一方面，其整體入滲速率優(yōu)于上述三組，其初始入滲速率達(dá)到8.87 mm/min，穩(wěn)定入滲速率分別為2.1 mm/min，與配比為5%陶粒組持平。另一方面，與上述三組相比，該組土柱入滲速率斜率較大，降低速率較快。

由此可見，隨著土壤中廢棄泥陶粒添加量增加，土壤入滲速率呈上升趨勢(shì)，因此可知在使用純廢棄泥陶粒作為改良劑時(shí)，廢棄泥陶粒含量的增加可在一定范圍使土壤的滲透速率得到增加。

由圖3可知：在使用廢棄泥陶粒及粗砂混合制備的CTS改良劑用于原料土中時(shí)，依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果選用5%廢棄泥陶粒并添加3%、5%、10%粗砂混合。三組初始入滲速率分別為3.01、5.89及9.88 mm/min，穩(wěn)定入滲速率為1.01、2.11及3.1 mm/min。平均入滲速率為1.96、3.95及6.39 mm/min，均稍優(yōu)于純陶粒組及空白組。

由圖4可知：當(dāng)使用5%廢棄泥陶?；旌?.3%、0.6%、0.9%的秸稈制備而成的CTJ改良劑用于土壤改良時(shí)，在5～10 min之間，土壤的入滲速率快速下降，表現(xiàn)為滲透曲線的前半段快速遞減出現(xiàn)折點(diǎn)。在45 min左右，施放量為0.3%秸稈組別與0.6%組別滲透速率較為接近，均為3.66 mm/min。在45～60 min時(shí)0.3%秸稈組別與0.9%組別滲透速率下降較快。而在90 min左右時(shí)，添加量為0.9%秸稈試驗(yàn)組的滲透速率再次快速下降，此時(shí)添加量為0.6%秸稈組別滲透速率稍大于0.9%組別。之后三組滲透速率均趨于穩(wěn)定。其穩(wěn)定入滲速率分別為1.11、2.11及2.09 mm/min。初始入滲速率分別為3.89、6.89及10.98 mm/min，平均入滲速率為2.67、4.09及5.94 mm/min。該試驗(yàn)組滲透速率與純陶粒組及CTS改良劑相比較優(yōu)。

圖4 不同配比CTJ改良劑土壤滲透曲線Fig.4 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTJ Modifiers

圖5 不同配比CTF改良劑土壤滲透曲線Fig.5 Soil Permeability Curves of Different Proportioned CTF Modifiers

由圖5可知：當(dāng)使用5%廢棄泥陶?；旌?%、5%、10%粉煤灰制備而成的CTF改良劑用于土壤改良時(shí)，在5～20 min時(shí)三組滲透速率相對(duì)穩(wěn)定，30 min時(shí)，粉煤灰施加量為10%組別滲透速率下降速度增加，降至3.1 mm/min，與施加量為5%組別持平，而后上升在45 min左右達(dá)到4.32 mm/min，在60 min后，該組滲透速率趨于穩(wěn)定，滲透速率為1.78 mm/min。而另外兩試驗(yàn)組60～90 min之間同步增降，75 min滲透速率達(dá)到2.21 mm/min。之后趨于穩(wěn)定。三組平均入滲速率分別為1.83、2.22及3.50 mm/min。

通過(guò)對(duì)以上不同配比制備的4種土壤改良劑在不同施加量下對(duì)土壤滲透性能的影響試驗(yàn)可以得出：利用清淤海泥∶污泥∶碳酸鈣=5∶4∶1制備的粒徑為1～2 cm的陶粒作為土壤改良劑一定范圍內(nèi)，土壤的滲透性能隨陶粒的施放量增加而增加。與未添加改良劑的空白組別相比，當(dāng)施加3%廢棄泥陶粒作為改良劑時(shí)，可將初始入滲速率由2.34 mm/min提高至2.88 mm/min，穩(wěn)定入滲速率由0.54 mm/min提高至0.89 mm/min，平均入滲速率由1.66 mm/min提高至2.02 mm/min。

當(dāng)使用5%廢棄泥陶粒分別與秸稈、粗砂及粉煤灰混合制備成CTJ、CTS及CTF 3種改良劑并用于原料土中，3種改良劑對(duì)土壤的滲透速率均有不同程度的提高，具體效用表現(xiàn)為秸稈>粗砂>廢棄泥陶粒>粉煤灰。即廢棄泥陶粒與秸稈組合對(duì)土壤的滲透性能影響優(yōu)于其他組別。相反地，粉煤灰與廢棄泥陶粒組合對(duì)土壤滲透性能影響稍差于另外3個(gè)試驗(yàn)組。

2.2 水質(zhì)凈化試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用5號(hào)針頭作為降雨系統(tǒng)模擬0.10～0.32 mm/min(6～19.2 mm/h)降雨，降雨強(qiáng)度設(shè)為恒定，未加以研究。當(dāng)試驗(yàn)水頭達(dá)到5 cm時(shí)開始計(jì)時(shí)。待雨水由土柱下滲后，靜置后采集并測(cè)定其對(duì)降雨徑流污染物去除率。試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.2.1 氨氮、總氮去除效果

各試驗(yàn)組對(duì)氨氮的去除情況及出水濃度見圖6：試驗(yàn)用雨水經(jīng)測(cè)定氨氮的初始值為7.6 mg/L，CTF改良劑對(duì)氨氮的去除效果優(yōu)于其他組別，其中B1組出水濃度為5.25 mg/L，B2組出水濃度與B1組較接近，為5.21 mg/L。而當(dāng)粉煤灰添加量為10%時(shí)，其出水氨氮濃度為4.89 mg/L，三組氨氮去除率為30.29%、31.45%及35.66%，平均去除率達(dá)到32.68%。 與此相反，單一廢棄泥陶粒試驗(yàn)組(A組)對(duì)氨氮的去除效果最差，去除率僅為10.79%～18.16%。當(dāng)添加量為3%廢棄泥陶粒時(shí)，氨氮出水濃度為6.78 mg/L。另外，CTJ及CTS改良劑對(duì)氨氮的去除效果均良好，其中C2與D2組出水濃度為5.11及6.23 mg/L。

圖6 氨氮出水濃度及去除率Fig.6 effluent concentration and removal rate

各試驗(yàn)組對(duì)總氮的去除情況及出水總氮濃度見圖7：在試驗(yàn)原水總氮濃度為13.8 mg/L條件下，添加粉煤灰的CTF型改良劑對(duì)總氮的去除效果最佳，CTJ改良劑次之，CTS型與CT型再次之。其中B1B2B3中原水經(jīng)土柱凈化后出水總氮濃度為7.23、 6.65及6.78 mg/L，去除率分別為47.61%、51.81%及50.87%，CTJ型改良劑3個(gè)試驗(yàn)組，即C1C2C3，出水總氮濃度為8.12、7.65、7.12 mg/L，去除率范圍為41.16%～48.41%，平均去除率為44.71%。單一廢棄泥陶粒試驗(yàn)組對(duì)總氮去除效果稍差于其他組別，其中A2組出水總氮濃度為9.47 mg/L，三組平均去除率為31.04%。

圖7 總氮出水濃度及去除率Fig.7 Total Nitrogen effluent concentration and removal rate

2.2.2 總磷、CODMn去除效果

各試驗(yàn)組對(duì)總磷的去除情況及出水濃度見圖8：在原水總磷濃度為1.5mg/L情況下，5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對(duì)總磷去除效果較優(yōu)，CTF型改良劑次之，CTS及CT型再次之。對(duì)總磷去除效果表現(xiàn)為CTJ>CTF>CT>CTS。其中C3組在12個(gè)試驗(yàn)組中去除效果最好，出水中總磷濃度由初始濃度1.5 mg/L降至0.59 mg/L，去除率達(dá)60.67%。C1C2組出水總磷濃度為0.68及0.65 mg/L，去除效果較為接近。此外，CTS型改良劑對(duì)總磷去除效果較差，平均去速率僅為29.33%。

圖8 總磷出水濃度及去除率Fig.8 TP effluent concentration and removal rate

各試驗(yàn)組對(duì)CODMn的去除情況及出水濃度見圖9：試驗(yàn)期間保持原水CODMn進(jìn)水濃度為237 mg/L，12個(gè)試驗(yàn)組對(duì)CODMn的去除效果表現(xiàn)為CTS>CTF>CT>CTJ，整體上看，4個(gè)試驗(yàn)組對(duì)CODMn的去除效果均良好，試驗(yàn)結(jié)果較為接近。其中含粗砂的CTS改良劑對(duì)CODMn的去除效果較為理想，去除率范圍為47.26%～56.96%，平均去除速率達(dá)51.48%。由圖9可見，經(jīng)CTF及CT型改良劑改良土柱CODMn出水濃度范圍為123～145 mg/L。去除率為38.82%～48.10%。CTJ型改良劑對(duì)CODMn去除效果稍差，平均去除速率為36.01%。

圖9 CODMn出水濃度及去除率Fig.9 COD effluent concentration and removal rate

2.2.3 綜合分析

綜合土壤滲透性能及污染物去除效果分析，在等體積裝填土柱試驗(yàn)中，通過(guò)添加5%廢棄泥陶粒與粉煤灰混合制備成的CTF型土壤改良劑與5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對(duì)土壤滲透性能及水質(zhì)凈化的效果較好。作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的基質(zhì)，土壤中礦物質(zhì)及有機(jī)成分的組成對(duì)污水凈化起著化學(xué)作用、物理沉淀及生物分解3個(gè)方面的作用，同時(shí)為土壤中微生物提供了適宜的分解條件及環(huán)境。粉煤灰與秸稈的添加有效的增加了土壤的礦物質(zhì)含量及比表面積[11]。微生物作為生物凈化污水的主要角色，粉煤灰與秸稈的添加也使微生物獲得豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使土壤中的能量與物質(zhì)循環(huán)得到有效的改善，從而對(duì)雨水徑流中的污染物起到良好的凈化作用。

此外，使用清淤海泥制備的廢棄泥陶粒有著良好的孔隙度[12]和吸水性能，其良好的孔隙度及吸水性能可以使雨水在滲透過(guò)程中形成良好的過(guò)流通道并實(shí)現(xiàn)良好的滲透效果。與此同時(shí)，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)的清淤海泥陶粒與普通黏土燒結(jié)的陶粒相比造價(jià)更低，并能很好的實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。

表3 綜合分析結(jié)果Tab.3 Comprehensive analysis of the results

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)使用清淤海泥制備的廢棄泥陶粒在作為土壤改良劑用以促進(jìn)徑流滲透與水質(zhì)凈化是可行的。通過(guò)添加海泥、污泥及碳酸鈣，采用一定配比并通過(guò)控制溫度及燒結(jié)時(shí)間制備的廢棄泥陶粒具有良好孔隙度及吸水性能，可使雨污水在土壤中實(shí)現(xiàn)更好的滲蓄。此外，將廢棄泥陶粒將清淤海泥與秸稈、粉煤灰及粗砂混合可使土壤的滲透性能得到進(jìn)一步提高。

(2)根據(jù)土柱滲透試驗(yàn)結(jié)果：在試驗(yàn)的配比范圍內(nèi)，確定5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑對(duì)土壤的滲透性能具有良好的改良作用，其中采用5%廢棄泥陶粒與秸稈混合制備的CTJ型改良劑120 min內(nèi)的平均入滲速率為4.09 mm/min。其次，通過(guò)添加粉煤灰、粗砂及單一廢棄泥陶粒對(duì)土壤滲透系數(shù)均有一定影響。