當(dāng)前位置：在人類活動和氣候變化的雙重壓力下,我國水污染問題日益凸顯,特別是城市河道、湖泊和水庫,由于長期處于封閉或半封閉狀態(tài),流速緩慢、水體交換少、自凈能力弱,導(dǎo)致底泥大量沉積,水體富營養(yǎng)化和重金屬污染等問題嚴(yán)重。數(shù)據(jù)顯示，2005—2017年,我國142個湖泊和水庫中有31個湖泊和7個水庫水體污染明顯，其中，2005—2011年由富營養(yǎng)化導(dǎo)致的水體污染超60%。作為河道、湖泊、水庫等水體主要內(nèi)源污染(“源”),底泥匯存了水體中30%~50%的污染物并可能持續(xù)向上覆水體釋放,因此解決以底泥為主的內(nèi)源污染問題已經(jīng)成為我國水污染治理的關(guān)鍵和難點。
傳統(tǒng)的河湖清淤底泥處置方式會占用土地資源、導(dǎo)致二次污染和土壤污染,且底泥中的有害物質(zhì)可能會對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成威脅。底泥中富含的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分可以促進(jìn)植物生長；底泥中的無機(jī)礦物質(zhì)可用于制備建筑材料。因此，近年來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(fù)等幾個方面。
一、土地利用
土地利用是底泥資源化利用的主要方式之一。通過將處理后的底泥作為土壤改良劑或肥料施用于農(nóng)田、林地等，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長。此外，底泥還可以用于城市綠化、景觀建設(shè)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)過適當(dāng)處理后，可以作為土壤改良劑使用。底泥富含有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力。但需要注意的是，底泥中的重金屬和有機(jī)污染物需要通過穩(wěn)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，劉永兵等人在底泥土地利用的技術(shù)優(yōu)化方面取得了顯著進(jìn)展，通過添加適量的固化劑、穩(wěn)定劑等材料，可以有效降低底泥中的重金屬和有機(jī)污染物含量，提高底泥的土地利用安全性。經(jīng)過處理后，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(jù)。他們的研究發(fā)現(xiàn)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偏中度污染。因此，底泥直接土地利用時，需根據(jù)底泥的污染特性、污染物的暴露途徑等采取相應(yīng)措施降低底泥帶來的風(fēng)險。
圖2 底泥重金屬風(fēng)險評價
二、建筑材料制作
底泥中含有豐富的黏土礦物和有機(jī)質(zhì)等成分，經(jīng)過適當(dāng)處理后可以制成各種建筑材料，如陶粒、磚塊、水泥等。通過高溫?zé)Y(jié)或化學(xué)處理，底泥中的有害成分可以被固定或去除，同時底泥中的硅、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(yīng)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采，降低建筑行業(yè)的環(huán)境壓力。
武勝萍團(tuán)隊利用南京市九龍湖底泥成功開發(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(qiáng)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(qū)，已經(jīng)有小型陶粒廠原料中摻入不同比例的當(dāng)?shù)睾雍倌鄟砩a(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(jì)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(qiáng)等人利用引黃灌區(qū)泥沙制備免燒磚，抗壓強(qiáng)度達(dá)到28.00MPa,滿足規(guī)范JC/T411-2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》要求，符合實際工程利用。
圖3 生態(tài)磚
三、能源回收
底泥中含有大量的有機(jī)物，可以通過厭氧消化等生物處理技術(shù)轉(zhuǎn)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，通過熱解、氣化等技術(shù)轉(zhuǎn)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(tuán)隊研究了污泥熱水解的最佳處理條件，即熱水解溫度和時間分別為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(tuán)隊利用高溫好氧細(xì)菌分泌蛋白酶等在內(nèi)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(dá)到40%，產(chǎn)甲烷量提高50%。
圖4 厭氧消化效率
四、生態(tài)修復(fù)
底泥生態(tài)修復(fù)是通過構(gòu)建人工濕地、生態(tài)浮島等生態(tài)系統(tǒng)來凈化水體和修復(fù)底泥的方法。這些生態(tài)系統(tǒng)可以吸收底泥中的有害物質(zhì)，促進(jìn)水體自凈能力的提升，同時改善底泥的生態(tài)環(huán)境。例如，經(jīng)過穩(wěn)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、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除，同時提供微生物附著的表面，增強(qiáng)水體自凈能力。
鄭州大學(xué)的于魯冀等人根據(jù)底泥污染特點和環(huán)境條件構(gòu)建了多種新型生態(tài)系統(tǒng)，如垂直流人工濕地、水平潛流人工濕地等。這些生態(tài)系統(tǒng)具有更高的凈化效率和更好的適應(yīng)性，能夠滿足不同條件下的底泥修復(fù)需求。通過構(gòu)造多單元生態(tài)凈化系統(tǒng),實現(xiàn)對底泥和水體污染物的同時去除,具有明顯的生態(tài)效益和景觀效應(yīng),而且不會影響河道行洪,提升了河流的景觀多樣性。黃河勘測設(shè)計研究院有限公司蔡明團(tuán)隊利用底泥制成生物塘/人工濕地床組合用于處理污水廠尾水，該系統(tǒng)對污水處理廠尾水中的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(fù)材料
目前，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司裴向陽博士后針對烏梁素海底泥熱解制備改性生物炭的技術(shù)展開了研究。該技術(shù)通過在底泥熱解過程中摻雜雜原子耦合，改變原有生物炭晶格結(jié)構(gòu)，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，解決了底泥處置的難題。底泥改性生物炭可以同時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(fù)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(jī)污染物的機(jī)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)等多個領(lǐng)域。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，底泥資源化利用將為環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約提供新的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。未來的研究應(yīng)更加注重技術(shù)的實用性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境安全性，以實現(xiàn)底泥資源化利用的可持續(xù)發(fā)展。
