葉 晶，懷志文，黃詠文，徐濤，藺慶偉，周 林，趙 劍

（1.武漢中科水生生態(tài)環(huán)境股份有限公司，武漢 430000；2.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

中國(guó)內(nèi)陸河流污染問(wèn)題嚴(yán)重，河流底泥疏浚是恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境、改善水質(zhì)、控制內(nèi)源負(fù)荷的重要途徑［1，2］。2016 年中國(guó)年產(chǎn)疏浚底泥共計(jì)5 億m3（水下體積），疏浚后將形成淤泥（密度為1.4 g/cm3）約6.7 億m3，2020 年中國(guó)疏浚底泥達(dá)到51.7 億m3［3］。不斷增加的淤泥使得堆場(chǎng)用地十分緊缺，同時(shí)存在堆場(chǎng)長(zhǎng)期占用土地和處理不當(dāng)易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。對(duì)疏浚底泥的處理方法一般為土地利用，制造填方材料和建筑材料［4-6］。這些處理方法使得底泥中的有益物質(zhì)無(wú)法被利用，造成資源浪費(fèi)［7］。由于部分底泥污染嚴(yán)重，富集重金屬等物質(zhì)，常規(guī)填埋和土地利用等方法均存在重金屬和有機(jī)物污染的風(fēng)險(xiǎn)［8，9］，底泥處置和資源化利用亟需科學(xué)合理的方法。

國(guó)內(nèi)外研究人員使用清淤底泥制作陶粒。Yue等［10］以脫水污泥和黃河底泥為原料，進(jìn)行超輕陶粒生產(chǎn)試驗(yàn)。Wang 等［11］通過(guò)引入沸石和膨潤(rùn)土來(lái)確定沉積陶粒燒結(jié)三組分混合料的最佳配比。關(guān)于陶粒凈化水體的研究主要包括煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒［12］，粉煤灰陶粒是研究人數(shù)最多、技術(shù)最為成熟的1 種固體廢物生產(chǎn)的陶粒。以河道底泥制備陶粒去除污染物的研究鮮有報(bào)道。底泥陶粒具有孔隙率高、化學(xué)和熱穩(wěn)定性佳等特性，使其成為一種良好的磷吸附劑［13-15］。同時(shí)，其表面積大、密度小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，使得能夠覆蓋在河湖底泥表層，抑制底泥的再懸浮，并吸附水體中過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物等［16］。這些優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)使得底泥陶粒對(duì)于改善水質(zhì)和控制富營(yíng)養(yǎng)化有良好的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò)高溫（溫度需大于1 000 ℃）燒結(jié)后的陶粒，其中的重金屬能夠得到有效的固定，避免造成二次污染［16］。底泥中含有的Al、Fe、Ca、Mg 等元素，還是制造功能性陶粒的良好原料［17］。底泥的陶?；粌H為清淤底泥提供了去處，也實(shí)現(xiàn)了清淤底泥的生態(tài)處置和資源化利用，變廢為寶，產(chǎn)生積極的生態(tài)效應(yīng)，對(duì)中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究結(jié)合底泥陶粒的特點(diǎn)及在水質(zhì)凈化過(guò)程中的高效作用，詳細(xì)分析了底泥陶粒在水生態(tài)修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)底泥陶粒未來(lái)在水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用提出展望，旨在為底泥陶粒的應(yīng)用提供新的思路。

1 底泥陶粒的制備及特點(diǎn)

1.1 底泥陶粒的制備

1973 年挪威首先進(jìn)行了底泥陶粒生產(chǎn)［18］，中國(guó)底泥陶粒的制備起步較晚，1999 年才開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究［19］。底泥陶粒的制備過(guò)程一般分為原料的預(yù)處理、底泥的性質(zhì)分析、配料、混合和成型、干燥和預(yù)燒、焙燒、冷卻等步驟。清淤底泥在制作陶粒前需要進(jìn)行泥水分離，脫水干化是實(shí)現(xiàn)減量化的有效措施［20］，底泥脫水方法主要有自然干化法、機(jī)械脫水法和土工管袋法。脫水后的底泥需要篩出細(xì)小雜質(zhì)并使底泥各部分均勻混合，并進(jìn)一步對(duì)底泥的性質(zhì)進(jìn)行分析判定，底泥的塑性、化學(xué)組成、顆粒大小等因素都會(huì)對(duì)底泥陶粒的燒制產(chǎn)生較大影響［17］。不同用途的底泥陶粒其最佳原料成分和最佳含量有所不同，超輕陶粒的最佳原料成分和配比范圍為SiO2，48%～65%；Al2O3，14%～20%；Fe2O3，5%～9%；MgO，CaO，3%～5%；Na2O+K2O，1.5%～3.0%；燒失量2%～5%［21，22］，而高強(qiáng)陶粒為SiO2，55%～65%；Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O，50%；Al2O3，18%～25%；Fe2O3+FeO，6%～10%；CaO+MgO，4%～6%；K2O+Na2O，1.5%～4.0%；燒失量3%～5%［23］，具體根據(jù)底泥成分及目標(biāo)陶粒的用途精準(zhǔn)調(diào)配，以達(dá)到最好的制備效果。

原料搭配后必須混合均勻以達(dá)到陶粒質(zhì)量均質(zhì)化的效果，并使用塑化法、干法、泥漿法或粉末成球法、成球盤(pán)法等方法對(duì)陶粒進(jìn)行成型處理［24］，并使其含水量控制在10%～30%［25］。預(yù)成型陶粒經(jīng)自然干燥或者烘箱干燥可以減少能耗并起到陳化作用，而預(yù)熱則可以預(yù)防陶粒在制備過(guò)程中炸裂，減少消耗［17］。焙燒是制備底泥陶粒最重要的環(huán)節(jié)，不同的陶粒對(duì)焙燒的要求也有所不同，燒脹的焙燒溫度應(yīng)在1 000～1 250 ℃，焙燒時(shí)間為10～35 min［26］。當(dāng)制作高強(qiáng)陶粒時(shí)，時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)以維持陶粒的強(qiáng)度。冷卻對(duì)陶粒的性能也能產(chǎn)生一定影響，冷卻速率過(guò)快會(huì)造成陶粒破裂，質(zhì)量下降，在冷卻過(guò)程中，700～400 ℃內(nèi)需要緩慢冷卻，以降低陶粒的筒壓強(qiáng)度。

1.2 底泥陶粒的特點(diǎn)

底泥陶粒作為類球狀材料，特殊的形狀決定了陶粒的比表面積相對(duì)較大（圖1）［27］。巨大的比表面積能使其與周?chē)慕橘|(zhì)充分接觸，可以有效吸附和過(guò)濾水中的有毒有害物質(zhì)。預(yù)熱和焙燒過(guò)程中的高溫煅燒能使底泥中的豐富有機(jī)碳燃燒并產(chǎn)生氣腔和空洞，最后使底泥陶粒相對(duì)于同體積的底泥具有質(zhì)輕多孔、孔隙率高的特點(diǎn)［28］。由于經(jīng)過(guò)高溫的煅燒，底泥中的SiO2、Al2O3等物質(zhì)在高溫下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，使得陶粒的強(qiáng)度更高，不易損壞，并且為了提高陶粒的強(qiáng)度，在底泥配料過(guò)程中還可加入黏土等物質(zhì)。此外，底泥陶粒還具有表面粗糙、易掛膜、能有效進(jìn)行生物降解等特點(diǎn)［29，30］，這些特點(diǎn)使得底泥陶粒在污水處理濾料方向有較多研究和應(yīng)用。

2 對(duì)底泥的原位治理

底泥疏浚后陶?；幕靥钅軌蚱鸬椒€(wěn)定河床，減少擾動(dòng)的作用。相對(duì)于自然底泥，底泥陶?；蟮母邚?qiáng)度結(jié)構(gòu)及類球狀的外形對(duì)外界的抗干擾能力更強(qiáng)，不易受風(fēng)浪影響，能夠避免底泥翻涌而引起的水體透明度下降、湖底地形變化。底泥陶粒的回填能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)和重金屬的覆蓋，阻隔底泥與上層水體的直接接觸，進(jìn)而減少污染物向水體的遷移，減輕水體水質(zhì)惡化和水體富營(yíng)養(yǎng)化。底泥陶粒的多孔結(jié)構(gòu)以及球狀結(jié)構(gòu)還能增加河流底部的溶氧量，為底泥中微生物群落的生長(zhǎng)和發(fā)育提供良好的環(huán)境，保證微生物的生理生化過(guò)程，促進(jìn)對(duì)底泥中有機(jī)物質(zhì)的礦化分解作用，弱化底泥的污染性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)清淤。方紅衛(wèi)等［31］研究表明，陶?；靥詈?，床面穩(wěn)定性增加，相同水動(dòng)力條件下顆粒不易再懸浮，底泥釋放通量明顯減小，床面溶解氧滲透深度增加。范錦忠［18，22］的研究也證明了底泥陶泥在泥水交界面形成的隔絕帶，能夠有效地阻止水中的污染物質(zhì)向上層水體轉(zhuǎn)移遷徙。

3 對(duì)水體水質(zhì)的高效凈化

3.1 直接吸附營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬

水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)自底泥中的內(nèi)源污染物和外源污染物，即農(nóng)藥、化肥、生活污水等，底泥陶?？梢杂糜谖廴舅w中氨氮、磷、COD、重金屬和其他難以降解的有機(jī)物的有效去除［31］。底泥陶粒主要利用吸附作用原理去除水體中營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬和COD。如底泥陶粒對(duì)磷的吸附過(guò)程為，①液膜將磷傳遞到吸附劑表面，溫度越高，膜擴(kuò)散過(guò)程越快；②內(nèi)擴(kuò)散和外擴(kuò)散共同組成擴(kuò)散過(guò)程，吸附速率開(kāi)始變慢；③底泥陶粒表面吸附了大面積的磷分子，表面剩余吸附位點(diǎn)較少，水體中磷濃度變低，存在電荷排斥作用，吸附區(qū)域平衡［32］。底泥陶粒的投加量增大，水體總磷濃度降低，當(dāng)投加量為3 g 時(shí)，總磷質(zhì)量濃度降至0.20 mg/L，投加量進(jìn)一步增大，總磷濃度下降緩慢［33］。陶粒的吸附能力與比表面積呈正相關(guān)，而陶粒越小表面積越大、數(shù)量越多，越有助于對(duì)磷的吸附解吸和去除，使得水體中磷含量下降，可以有效地限制藻類大量快速繁殖，降低藻類暴發(fā)［34］。比表面積越大，其可以提供越多的吸附位點(diǎn)和通道，底泥陶粒吸附動(dòng)力學(xué)符合單層吸附的Langmuir 模型，Langmuir 吸附模型作為單層吸附模型，理想狀態(tài)下所有表面位點(diǎn)的吸附能量都相等，吸附位點(diǎn)間互相不影響［35］。

3.2 提高微生物多樣性

水體中游離的微生物存在對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力差且隨著水流流失的問(wèn)題，而底泥陶粒在燒制過(guò)程中形成多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙構(gòu)造，比表面積較大，微生物可以附著在污泥陶?？紫吨?，形成一種承載微生物群落的載體［36］。為微生物的附著、固定、生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境空間，形成一層生物膜，能夠獲得較高的生物量。通過(guò)Hitachi S-520 電子掃描電鏡的觀察，發(fā)現(xiàn)其表面多溝壑，主要以發(fā)達(dá)大孔隙為主，其余是中小孔隙，且微生物可以吸收、轉(zhuǎn)化、清除或者降解水體環(huán)境的污染物，去除水體中的氮、磷。

同時(shí)陶粒給微生物提供了很好的生存和發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所，微生物附著在陶粒的表面和孔隙里，水體中的氨氮通過(guò)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌發(fā)生的硝化作用氧化NH4+-N，NH4+-N 濃度降低即限制性因素中氮含量下降，抑制藻類暴發(fā)［37］。固定化水環(huán)境中微生物群落包括硝化和反硝化細(xì)菌、光和細(xì)菌類、芽孢桿菌，用于水生態(tài)修復(fù)。硝化細(xì)菌廣泛應(yīng)用到水處理，如產(chǎn)堿桿菌屬（Alaligenes）、脫氮副球菌屬（Paracoccusdenitrificans）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等，以硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮為電子受體，將氮源轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓?8］。光合細(xì)菌屬于革蘭氏陰性菌，可以進(jìn)行光合作用，在厭氧光照和黑暗好養(yǎng)條件下生存，陳爽等［39］研究表明以活性底泥和粉煤灰為原材料生產(chǎn)的陶粒能夠固化水中的有效微生物群落。

4 為沉水植物存活提供條件

4.1 提供固著基質(zhì)

底泥陶粒有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育［34］。陶粒制備成顆粒物，而非沙土，可以為較高的沉水植物提供支撐作用，根系盤(pán)踞在陶粒內(nèi)，保護(hù)其根系不容易發(fā)生斷裂。陶粒吸附磷后表面會(huì)較之前更光滑，因?yàn)榱姿岣赡芘c陶粒成分中Ca、Al 等氧化物發(fā)生反應(yīng)附著在陶粒表面，所以陶粒可能為沉水植物提供需要的元素［40］。陶粒吸附在表面或孔隙中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以給植物、微生物提供其所需的營(yíng)養(yǎng)成分及陶粒和陶粒間具有一定的間隙容易營(yíng)造厭氧區(qū)和好氧區(qū)給微生物提供較好的生長(zhǎng)場(chǎng)所，而植物不能直接吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比如大部分的磷形態(tài)，需要通過(guò)微生物分解轉(zhuǎn)化作用將水和陶粒中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化釋放為植物可以直接吸收的形式，促進(jìn)植物吸收有助于下植物生長(zhǎng)發(fā)育［41］。

4.2 避免植物燒根

當(dāng)?shù)啄酄I(yíng)養(yǎng)物濃度超出臨界閾值時(shí)，沉水植物體的水分就會(huì)隨著植物根部流向營(yíng)養(yǎng)濃度高的底泥中，造成燒根的現(xiàn)象，植物會(huì)出現(xiàn)衰退甚至消失［42］。陶粒和其他填料的回填，植物扎根在陶粒而不是根系直接接觸高營(yíng)養(yǎng)底泥，避免了燒根的情況。同時(shí)，高營(yíng)養(yǎng)底泥在陶粒下面，可以緩慢地釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)到水中，通過(guò)微生物和浮游生物的轉(zhuǎn)化給植物吸收提供生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)成分。

4.3 提高水體透明度

無(wú)論是高溫?zé)Y(jié)還是免燒法制備陶粒，陶粒粒徑相對(duì)于底泥泥沙較大，不容易懸浮在水體，使得泥水分層清晰，能夠最大程度降低水體濁度［31］。

陶粒物理吸附能力強(qiáng)、化學(xué)反應(yīng)能力快，有助于凈化水體中的含油廢水等有機(jī)物質(zhì)，從而降低河流濁度［11］。水體富營(yíng)養(yǎng)化污染主要是由于水中的N、P 限制性營(yíng)養(yǎng)元素超標(biāo)，水中藍(lán)藻、微囊藻等藻類大量繁殖導(dǎo)致水體渾濁不清［43］。陶粒是通過(guò)物理化學(xué)吸附降低水中N、P 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，控制藻類的繁殖。林高瑞等［44］在西安市園林區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水體中的N、P 含量減少時(shí)，能夠在一定程度上抑制水中藻類的生長(zhǎng)。郭雅倩等［45］研究表明，水中N、P 含量的下降能夠影響藻類的繁殖。水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的下降，則依賴于陶粒-微生物-植物三者的共同作用來(lái)凈化水質(zhì)［38］，從而提高水體的透明度以達(dá)到修復(fù)湖泊河流的目的。

5 小結(jié)

利用清淤底泥來(lái)制備陶粒不僅能夠減少底泥污染物對(duì)河流水質(zhì)的影響，實(shí)現(xiàn)底泥的生態(tài)化處理和資源化利用，而且在一定程度上解決了中國(guó)陶?；Y源來(lái)源匱乏的問(wèn)題，在水生態(tài)修復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用空間，但是其中仍有一些問(wèn)題。

1）在底泥陶粒制備方面，需增強(qiáng)功能性填料研究，通過(guò)原料配比、添加劑的篩選、優(yōu)化，改善陶粒性能，提高淤泥的資源化利用效率，獲得適用于不同水質(zhì)條件的陶粒制備工藝及產(chǎn)品，從而進(jìn)一步拓展淤泥陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域。

2）進(jìn)一步優(yōu)化制造工藝，研發(fā)可移動(dòng)式小型燒制設(shè)備，研究就地處置的技術(shù)性、安全性及經(jīng)濟(jì)效益，如減少運(yùn)輸成本等。

3）雖然底泥陶粒化制備對(duì)水生態(tài)修復(fù)具有巨大優(yōu)勢(shì)，但如何將此優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大并充分利用，使其不僅局限于發(fā)達(dá)城市，而且深入到污染同樣嚴(yán)重的農(nóng)村和城市郊區(qū)。

4）利用陶粒修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)僅僅是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康的手段，若內(nèi)源污染減弱而外源污染不變，那么水生態(tài)修復(fù)仍然很難起到有效作用，所以能夠?qū)? 種水質(zhì)治理手段有效結(jié)合以達(dá)到高效治理需要的不僅是技術(shù)更需要政策支持。