當前位置：在人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的雙重壓力下,我國水污染問(wèn)題日益凸顯,特別是城市河道、湖泊和水庫,由于長(cháng)期處于封閉或半封閉狀態(tài),流速緩慢、水體交換少、自?xún)裟芰θ?/span>,導致底泥大量沉積,水體富營(yíng)養化和重金屬污染等問(wèn)題嚴重。數據顯示，2005—2017年,我國142個(gè)湖泊和水庫中有31個(gè)湖泊和7個(gè)水庫水體污染明顯，其中，2005—2011年由富營(yíng)養化導致的水體污染超60%。作為河道、湖泊、水庫等水體主要內源污染(“源”),底泥匯存了水體中30%~50%的污染物并可能持續向上覆水體釋放,因此解決以底泥為主的內源污染問(wèn)題已經(jīng)成為我國水污染治理的關(guān)鍵和難點(diǎn)。
傳統的河湖清淤底泥處置方式會(huì )占用土地資源、導致二次污染和土壤污染,且底泥中的有害物質(zhì)可能會(huì )對生態(tài)系統和人類(lèi)健康造成威脅。底泥中富含的有機質(zhì)、氮、磷等養分可以促進(jìn)植物生長(cháng)；底泥中的無(wú)機礦物質(zhì)可用于制備建筑材料。因此，近年來(lái)底泥的資源化利用成為水環(huán)境治理的重要方向之一。
底泥資源化利用的方式多種多樣，主要包括土地利用、建筑材料制作、能源回收以及生態(tài)修復等幾個(gè)方面。
一、土地利用
土地利用是底泥資源化利用的主要方式之一。通過(guò)將處理后的底泥作為土壤改良劑或肥料施用于農田、林地等，可以改善土壤結構，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長(cháng)。此外，底泥還可以用于城市綠化、景觀(guān)建設等領(lǐng)域，為城市環(huán)境的美化提供材料支持。
（一）技術(shù)優(yōu)化方面
底泥經(jīng)過(guò)適當處理后，可以作為土壤改良劑使用。底泥富含有機質(zhì)和營(yíng)養元素，能夠改善土壤結構，增加土壤肥力。但需要注意的是，底泥中的重金屬和有機污染物需要通過(guò)穩定化/固化技術(shù)進(jìn)行處理，以防止對土壤和作物造成二次污染。近年來(lái)，劉永兵等人在底泥土地利用的技術(shù)優(yōu)化方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展，通過(guò)添加適量的固化劑、穩定劑等材料，可以有效降低底泥中的重金屬和有機污染物含量，提高底泥的土地利用安全性。經(jīng)過(guò)處理后，重金屬的遷移率最高可以降低85.69%，施加底泥的耕地作物產(chǎn)量增產(chǎn)15%左右。
圖1 底泥林用
（二）環(huán)境效益評估方面
底泥中可能含有重金屬以及多種病毒及有害微生物，因此底泥的土地利用需要進(jìn)行多方面的環(huán)境評估。目前向甲甲等人對底泥土地利用后的環(huán)境效益進(jìn)行了全面評估，包括土壤質(zhì)量改善、植物生長(cháng)促進(jìn)、水體凈化等方面，為底泥土地利用的推廣提供了科學(xué)依據。他們的研究發(fā)現直接土地利用的底泥中，8 種重金屬的污染程度由高到低依次為：Hg>Cd>Ni>Pb>As>Cu>Zn>Cr。Hg、Cu和Ni有4%的樣品為偏中度污染，其他重金屬重金屬污染程度均不超過(guò)偏中度污染。因此，底泥直接土地利用時(shí)，需根據底泥的污染特性、污染物的暴露途徑等采取相應措施降低底泥帶來(lái)的風(fēng)險。
圖2 底泥重金屬風(fēng)險評價(jià)
二、建筑材料制作
底泥中含有豐富的黏土礦物和有機質(zhì)等成分，經(jīng)過(guò)適當處理后可以制成各種建筑材料，如陶粒、磚塊、水泥等。通過(guò)高溫燒結或化學(xué)處理，底泥中的有害成分可以被固定或去除，同時(shí)底泥中的硅、鋁、鐵等成分可以作為原料的一部分。研究者們正在探索更高效的處理工藝，以提高底泥在建筑材料中的應用比例。這些建筑材料不僅具有良好的物理性能和力學(xué)性能，還能在一定程度上減少天然資源的開(kāi)采，降低建筑行業(yè)的環(huán)境壓力。
武勝萍團隊利用南京市九龍湖底泥成功開(kāi)發(fā)了多種新型建筑材料，如輕質(zhì)陶粒、生態(tài)磚等，其中陶粒堆積密度為1005~1291 kg/m3，筒壓強度為4.85~16.22MPa。陳穎等人以福州市晉安河淤泥為主要材料，研究了含水率、水泥與固化劑用量對淤泥免燒磚性能的影響，并制備了MU10.0的底泥免燒磚；謝丹等利用武漢市水果湖、南湖的底泥與鐵粉、石灰石等進(jìn)行配比，制成了符合產(chǎn)品質(zhì)量要求的硅酸鹽水泥。這些材料不僅具有優(yōu)良的物理性能，還具有一定的環(huán)保功能，如吸附污染物、凈化空氣等。目前，在廣東、浙江等地區，已經(jīng)有小型陶粒廠(chǎng)原料中摻入不同比例的當地河湖淤泥來(lái)生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒，處理成本約120~140元/噸，取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。黃河流域泥沙在建材方面的研究也有許多進(jìn)展，如管中強等人利用引黃灌區泥沙制備免燒磚，抗壓強度達到28.00MPa,滿(mǎn)足規范JC/T411-2007《非燒結垃圾尾礦磚》要求，符合實(shí)際工程利用。
圖3 生態(tài)磚
三、能源回收
底泥中含有大量的有機物，可以通過(guò)厭氧消化等生物處理技術(shù)轉化為沼氣，作為能源使用。此外，底泥也可以作為生物質(zhì)能源的原料，通過(guò)熱解、氣化等技術(shù)轉化為固體燃料、液體燃料或氣體燃料。
目前已有多種高效厭氧消化技術(shù)，如兩級厭氧消化、固定化微生物技術(shù)等，清華大學(xué)的王治軍團隊研究了污泥熱水解的最佳處理條件，即熱水解溫度和時(shí)間分別為170℃和30 min，可使污泥的TCOD去除率提高1倍，沼氣產(chǎn)率從160 mL/g提高到250 mL/g。日本國立高級工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的M.S. Miah團隊利用高溫好氧細菌分泌蛋白酶等在內的水解酶，提高污泥厭氧消化性能，該技術(shù)可以使污泥溶解率達到40%，產(chǎn)甲烷量提高50%。
圖4 厭氧消化效率
四、生態(tài)修復
底泥生態(tài)修復是通過(guò)構建人工濕地、生態(tài)浮島等生態(tài)系統來(lái)凈化水體和修復底泥的方法。這些生態(tài)系統可以吸收底泥中的有害物質(zhì)，促進(jìn)水體自?xún)裟芰Φ奶嵘?，同時(shí)改善底泥的生態(tài)環(huán)境。例如，經(jīng)過(guò)穩定化處理的底泥可以作為人工濕地的基質(zhì)，有助于水體中氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)的去除，同時(shí)提供微生物附著(zhù)的表面，增強水體自?xún)裟芰Α?/span>
鄭州大學(xué)的于魯冀等人根據底泥污染特點(diǎn)和環(huán)境條件構建了多種新型生態(tài)系統，如垂直流人工濕地、水平潛流人工濕地等。這些生態(tài)系統具有更高的凈化效率和更好的適應性，能夠滿(mǎn)足不同條件下的底泥修復需求。通過(guò)構造多單元生態(tài)凈化系統,實(shí)現對底泥和水體污染物的同時(shí)去除,具有明顯的生態(tài)效益和景觀(guān)效應,而且不會(huì )影響河道行洪,提升了河流的景觀(guān)多樣性。黃河勘測設計研究院有限公司蔡明團隊利用底泥制成生物塘/人工濕地床組合用于處理污水廠(chǎng)尾水，該系統對污水處理廠(chǎng)尾水中的TN、TP和NH4+等均有良好的去除效果，對于水域污染物總量的消減和控制具有重要意義。
圖5 底泥制人工濕地
五、新型環(huán)境修復材料
目前，黃河勘測規劃設計研究院有限公司裴向陽(yáng)博士后針對烏梁素海底泥熱解制備改性生物炭的技術(shù)展開(kāi)了研究。該技術(shù)通過(guò)在底泥熱解過(guò)程中摻雜雜原子耦合，改變原有生物炭晶格結構，破壞原有的C-C鍵，摻入雜原子，形成新的鍵位，從根本上改變原有生物炭的電子分布，增加改性生物炭的電子逸出能力，提高生物炭活化催化性能。在制備綠色環(huán)保新材料的同時(shí)，解決了底泥處置的難題。底泥改性生物炭可以同時(shí)去除水體中存在的多種污染物，這一技術(shù)為研發(fā)新型廢水修復材料提供了更多的選擇，也為進(jìn)一步完善高級氧化降解有機污染物的機理研究提供理論支持。
圖6 底泥生物炭電鏡圖
底泥資源化利用是一個(gè)多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的領(lǐng)域，涉及環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著(zhù)研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，底泥資源化利用將為環(huán)境保護和資源節約提供新的解決方案，具有廣闊的應用前景。未來(lái)的研究應更加注重技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟性以及環(huán)境安全性，以實(shí)現底泥資源化利用的可持續發(fā)展。
