羅 剛，漆磊廷，段騰騰，耿 震

（無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無(wú)錫 214072）

0 引言

2016年國(guó)務(wù)院頒布實(shí)施了《關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》(“水十條”)，明確指出2020年底前地級(jí)以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)，到2030年，全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。全國(guó)各地黑臭河道整治工作隨之如火如荼地開展。河道底泥作為黑臭河道的“源”和“匯”，“匯”集了排放到河道中的初雨污染、生活污水和部分工業(yè)廢水中的大量污染物沉積，而隨著控源截污工程的實(shí)施和河道底泥污染濃度飽和后還會(huì)向水體釋放污染物成為污染“源”，故河道底泥的處置是黑臭河道治理工作中的重要一環(huán)。

目前開展黑臭河道整治的城市均面臨著體量巨大的河道底泥處置壓力。因?yàn)楹拥赖啄嗪室话阍?0%-99%之間，含水率高，自重大，導(dǎo)致河道底泥處置難度大、成本高。上海市自2000年以來(lái)相繼開展了“萬(wàn)河整治”、“近郊六鎮(zhèn)黑臭河道整治”工程，進(jìn)行了大范圍的中小河道整治，全市每年疏浚河道底泥總量為3 000萬(wàn)～4 000萬(wàn)m3[1]。而廣州市內(nèi)部現(xiàn)有230多條河道，需要清理底泥總計(jì)約700多萬(wàn)m2[2]。

同時(shí)，我國(guó)城內(nèi)大部分河道還存在河道底泥重金屬污染嚴(yán)重的現(xiàn)象，李繼周等[3]對(duì)南京城區(qū)8條典型黑臭河道底泥污染特征調(diào)查發(fā)現(xiàn)底泥重金屬污染嚴(yán)重，84.2%的河道具有高潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。余世清等[4]對(duì)杭州城區(qū)34條河道底泥重金屬含量檢測(cè)表明，其中危害程度很強(qiáng)的河道4條，危害強(qiáng)的8條，中等的16條，輕微6條。上海作為老工業(yè)城市河道底泥重金屬污染同樣較為嚴(yán)重，抽取的4條河道重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（RI）顯示4條河道沉積物重金屬污染均為中等[5]。由于河道底泥成分復(fù)雜，重金屬以吸附/絡(luò)合等方式積累在河道底泥中，處置難度大、代價(jià)高，不處置或處置不當(dāng)均存在重金屬污染轉(zhuǎn)移再釋放的風(fēng)險(xiǎn)，故河道底泥二次污染的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題突出。

因此，如何低廉高效地對(duì)重金屬污染河道底泥處理和處置，實(shí)現(xiàn)河道底泥減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化、資源化是擺在城市黑臭河道治理面前的重要難題。

1 河道底泥的處置方法

目前河道底泥處置方法主要有異位處理和原位修復(fù)技術(shù)。異位處理法包括填埋、焚燒和綜合利用。

填埋是目前國(guó)內(nèi)外常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是投資少、見效快，但是底泥填埋需要大面積的場(chǎng)地和運(yùn)輸費(fèi)用，對(duì)含有重金屬污染底泥的脫水、防滲處理及填埋要求更高。焚燒是傳統(tǒng)污泥處置最徹底的處理方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以快速并最大程度地實(shí)現(xiàn)污泥減容。與傳統(tǒng)污泥相比重金屬污染河道底泥中有機(jī)物含量較低，直接影響其燃燒熱值，焚燒效果較差，需要增加輔助燃料改善燃燒質(zhì)量，焚燒時(shí)動(dòng)力消耗較大，成本較高。同時(shí)焚燒后的殘?jiān)詾橛泻ξ镔|(zhì)，還需進(jìn)行最終處置和運(yùn)輸。綜合利用主要包括堆肥和建材利用。堆肥是一種較好的底泥處置方法，但是河道底泥中有機(jī)物含量低，重金屬污染底泥中的重金屬離子等有毒有害物質(zhì)難降解。利用底泥替代部分黏土制造磚或陶瓷等建材是一種廢物利用的方法，但是建材利用對(duì)底泥的預(yù)處理要求較高，重金屬污染的底泥需除臭除毒處理方可用來(lái)制造建材。

原位修復(fù)技術(shù)包括化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和原位穩(wěn)定化。生物化學(xué)修復(fù)是指在不破壞河道底泥條件下投加親合性微生物或化學(xué)藥劑，優(yōu)點(diǎn)在于工程實(shí)施中較為便利，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，但是生物修復(fù)技術(shù)對(duì)環(huán)境要求苛刻，同時(shí)周期長(zhǎng)見效慢，化學(xué)修復(fù)易破壞水生態(tài)系統(tǒng)。原位穩(wěn)定化則是使用化學(xué)藥劑或使用水泥、生石灰等進(jìn)行原位封裝，此法一般效率較低。原位修復(fù)存在增加河床高度，使水體庫(kù)容變小，削弱河道的行洪能力，不適用城內(nèi)河道治理。

相比以上技術(shù)，異位固化、穩(wěn)定化技術(shù)則是通過(guò)向疏浚底泥中加入特殊的化學(xué)物質(zhì)固化并穩(wěn)定底泥中的重金屬和其他污染物，降低重金屬和其他污染物在環(huán)境中的釋放析出。固化主要是向底泥中投加固化劑將底泥變成不可流動(dòng)固體的物化反應(yīng)過(guò)程，穩(wěn)定化則是通過(guò)向底泥中添加化學(xué)物質(zhì)將污染物變成低毒性和低遷移性物質(zhì)的化學(xué)過(guò)程。固化和穩(wěn)定化可作為一個(gè)連續(xù)過(guò)程技術(shù)運(yùn)用，亦可根據(jù)工程需要單獨(dú)使用某一技術(shù)，主要取決于加入的化學(xué)物質(zhì)及其影響因素。

2 河道底泥固化/穩(wěn)定化技術(shù)

2.1 固化技術(shù)

常規(guī)的固化技術(shù)包括水泥、石灰和玻璃化等，但最常用的方法還是水泥固化技術(shù)。其主要機(jī)理包括重金屬同氫氧根離子或硅酸鹽結(jié)合成含鈣的水化反應(yīng)、重金屬被水化硅酸鈣粒子吸附的碳酸化反應(yīng)或重金屬通過(guò)離子交換的方式進(jìn)入水化產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)中的離子交換反應(yīng)[6]。用水泥處理底泥效果較好，但仍存在著固化效率低、對(duì)個(gè)別元素穩(wěn)定化不佳的問(wèn)題。因此添加其他材料輔助或共同固化的改進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，如用水泥固化時(shí)輔以碳酸鈉和二氧化碳后底泥中Pb、Zn、Ni析出明顯減少[7]。賈曉蕾等[8]和喬秀臣等[9]在使用不同比例的粉煤灰與水泥共同固化底泥中的重金屬時(shí)發(fā)現(xiàn)Cd、Pb和Zn的浸出濃度均低于GB5085.3-2007中規(guī)定的限值。但常規(guī)的固化手段不僅會(huì)導(dǎo)致底泥容量增加，同時(shí)存在對(duì)部分重金屬固化效果差的問(wèn)題。

2.2 穩(wěn)定化技術(shù)

按使用穩(wěn)定劑分類目前穩(wěn)定化技術(shù)主要包括無(wú)機(jī)物混合穩(wěn)定化及有機(jī)物穩(wěn)定化。

利用重金屬在中堿性環(huán)境會(huì)產(chǎn)生沉淀的特性，氧化鈣和碳酸鈣等作為廉價(jià)易得的無(wú)機(jī)物都可以提高底泥pH值使重金屬以沉淀形式穩(wěn)定存在，有效減少了重金屬的釋放[10]。周雪飛等[11]發(fā)現(xiàn)底泥中加入氧化鈣和二氧化鈣后pH值明顯升高，Zn、Cd、Ni三種重金屬的遷移速度隨之變緩，但是其他研究表明石灰無(wú)法固化Pb、Cr一類重金屬。磷酸鹽類化合物是典型的無(wú)機(jī)重金屬穩(wěn)定劑之一，能夠有效降低重金屬污染物的生物危害性和毒性。研究者用水鐵礦和磷灰石作為穩(wěn)定劑添加到污染底泥中，結(jié)果顯示底泥的生物危害性和毒性降低，底泥中Pb、Cu、Zn、Cd等基本以氧化物結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)穩(wěn)定存在[12]。有機(jī)物穩(wěn)定化目前應(yīng)用雖然較少，但是相關(guān)研究已經(jīng)很多，主要是利用有機(jī)螯合劑與重金屬發(fā)生螯合作用形成形態(tài)穩(wěn)定的難溶性螯合物[13]。黃鴿等[14]通過(guò)向底泥中分別添加殼聚糖、單寧酸和羥基磷灰石以穩(wěn)定化其中的Pb、Cu、Zn和Cd，研究發(fā)現(xiàn)三種添加劑都有不錯(cuò)的穩(wěn)定化效果，其中羥基磷灰石效果最佳。穩(wěn)定化技術(shù)實(shí)施后存在底泥仍為流塑態(tài)問(wèn)題，故主要在原位修復(fù)時(shí)采用。

表1為固化與穩(wěn)定化技術(shù)比較表。

表1 固化與穩(wěn)定化技術(shù)比較表

2.3 固化穩(wěn)定化技術(shù)

固化穩(wěn)定化技術(shù)，顧名思義是將底泥固定化和穩(wěn)定化，是在固定化過(guò)程時(shí)輔以穩(wěn)定化技術(shù)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。王川等[15]使用DTCR與水泥聯(lián)合固化穩(wěn)定化重金屬污染底泥時(shí)發(fā)現(xiàn)，水泥水化包容重金屬的同時(shí)DTCR與重金屬發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成穩(wěn)定的重金屬螯合物。使用水泥、粉煤灰配合有機(jī)硫穩(wěn)定劑DTCR進(jìn)行固化穩(wěn)定化污染底泥中重金屬，添加DTCR后浸出濃度對(duì)比不添加的明顯降低，用粉煤灰替代部分水泥發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰后固化抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)[16]。

綜上所述，固化穩(wěn)定化技術(shù)處理重金屬污染河道底泥效果較好，底泥中重金屬穩(wěn)定浸出風(fēng)險(xiǎn)小，同時(shí)可有效實(shí)現(xiàn)底泥的減量和強(qiáng)度的提高，優(yōu)勢(shì)明顯。

3 河道底泥固化穩(wěn)定化工藝影響要素及調(diào)整

河道底泥固化穩(wěn)定技術(shù)處理運(yùn)用適當(dāng)不僅可以實(shí)現(xiàn)底泥的減容減量，同時(shí)可以避免二次污染。在實(shí)際工程中，為了更加經(jīng)濟(jì)可行應(yīng)從以下要素進(jìn)行固化穩(wěn)定化工藝優(yōu)化。

3.1 底泥含水率對(duì)固化劑、穩(wěn)定劑添加量及添加時(shí)序的影響

河道底泥含水率較高，受清淤方式的影響一般在95%～99%之間，導(dǎo)致河道底泥量大且不便運(yùn)輸，添加時(shí)序的選擇直接決定了固化劑、穩(wěn)定劑添加量進(jìn)而影響工程成本。根據(jù)污泥的這一特性應(yīng)合理選擇河道底泥的疏浚方式，然后就近進(jìn)行脫水實(shí)現(xiàn)減量化處理，脫水至含水率80%～90%左右呈半流塑態(tài)。既保證了后續(xù)固化劑、穩(wěn)定劑與底泥拌和均勻性和易操作性又降低了其添加量。

3.2 底泥中重金屬污染程度及類別對(duì)固化劑、穩(wěn)定劑種類選擇和比例的影響

由于河道外部環(huán)境的不同，受重金屬污染的程度等級(jí)亦不同，即使程度一致也存在受污染重金屬的類別不一致，如受電子、五金廠污染河道底泥中銅、鎘、鋅、鉻等污染可能比較突出，鄒凱旋等[17]對(duì)深圳某工業(yè)區(qū)重金屬污泥處理時(shí)發(fā)現(xiàn)采用水泥穩(wěn)定化工藝時(shí)添加量8%最佳，石灰穩(wěn)定化工藝時(shí)添加量2%最佳，石灰粉煤灰穩(wěn)定化工藝時(shí)10%石灰+10%粉煤灰最佳，而石灰穩(wěn)定化時(shí)鉻的浸出濃度相對(duì)較大，需輔以FeSO4·7H2O。而制革廢水污染的河道底泥可能鉻等影響更明顯，徐娜等[18]通過(guò)氧化鈣、人造沸石和硅酸鈉對(duì)污泥中鉻的穩(wěn)定化作用對(duì)比發(fā)現(xiàn)，氧化鈣的穩(wěn)定效果最好，氧化鈣與制革污泥的質(zhì)量比為0.15～0.2。所以不同河道的底泥應(yīng)根據(jù)其污染程度進(jìn)行分析試驗(yàn)選擇添加何種固化劑、穩(wěn)定劑，優(yōu)化添加量，得到最優(yōu)配方。

3.3 底泥中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化穩(wěn)定化效果和底泥力學(xué)性能的影響

河道底泥中有機(jī)質(zhì)含量雖然較低，但是底泥中重金屬和有機(jī)質(zhì)等污染物易發(fā)生吸附、絡(luò)合等作用形成有機(jī)結(jié)合態(tài)，影響固化穩(wěn)定化效果和重金屬的穩(wěn)定性。同時(shí)土的液、塑限會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增大，底泥中的有機(jī)質(zhì)會(huì)減緩水化產(chǎn)物的生成，因而對(duì)固化的強(qiáng)度造成影響。YANG等[19]在對(duì)幾種不同有機(jī)質(zhì)含量的軟土中分別加入石膏和SN-210A復(fù)合添加劑發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻加量為15%時(shí)加入水泥量3%的石膏后水泥土的強(qiáng)度提高了1.5～2.2倍，當(dāng)水泥摻加量為12%時(shí)加入水泥量1.5%的SN-210A復(fù)合添加劑后水泥土的強(qiáng)度提高了2～3倍。

3.4 處置后污泥的用途對(duì)固化劑、穩(wěn)定劑種類和添加量的影響

經(jīng)固化穩(wěn)定化處理的底泥可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)利用途徑：園林綠化種植用土、道路回填工程用土、建材制磚用土及生態(tài)修復(fù)材料用土。不同的用途對(duì)處理后底泥的環(huán)境安全要求，以及要達(dá)到的物理、化學(xué)性能指標(biāo)也不同。因此固化劑、穩(wěn)定劑種類和添加量要根據(jù)用途的需要進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述，在實(shí)際工程中，應(yīng)首先對(duì)河道底泥特性及各種污染物的含量及形態(tài)等進(jìn)行分析，并根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)制定底泥的最終處置方式，以確保資源化過(guò)程中取得最優(yōu)配方。在此基礎(chǔ)上制定基于固化穩(wěn)定技術(shù)處理重金屬污染河道底泥的方案和參數(shù)設(shè)置（見圖1）。

圖1 基于固化穩(wěn)定化技術(shù)重金屬污染河道底泥處置技術(shù)路線圖

4 結(jié)語(yǔ)

城市黑臭河道的治理迫在眉睫，重金屬污染河道底泥處理已成為黑臭河道治理中無(wú)法回避的重大難題。針對(duì)城市河道底泥量大、含水率高、重金屬污染嚴(yán)重等特性，通過(guò)對(duì)固化穩(wěn)定化技術(shù)在城市重金屬污染河道底泥適用性及優(yōu)勢(shì)分析，探究工程運(yùn)用影響因素，從工程應(yīng)用角度提出基于固化穩(wěn)定化技術(shù)的城市重金屬污染河道底泥處置全流程技術(shù)路線：預(yù)處理—脫水—固化穩(wěn)定化—脫水—資源化利用，實(shí)現(xiàn)底泥處置減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化、資源化，為環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供一種可行性技術(shù)模式。