＊?jiǎng)④娢?方迎春 傅曉華,2* 黃劉輝

（1.湖南凱迪工程科技有限公司 湖南 414000 2.中南林業(yè)科技大學(xué)生態(tài)環(huán)境管理與評(píng)估中心 湖南 410004）

我國(guó)已有約五分之四的河湖出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，幾大主要湖泊如太湖、巢湖、洪澤湖、滇池均發(fā)生過較為嚴(yán)重的大面積水華，嚴(yán)重影響了周邊居民的生產(chǎn)生活[1]。外源污染物進(jìn)入水體后，逐漸富集在底泥中，形成較高污染物含量的淤泥；在外源污染物得到有效的控制后，底泥中的污染物產(chǎn)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，從而向水體釋放污染物，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而威脅人類的身體健康[2]。

為改善人居環(huán)境，重塑河湖生態(tài)環(huán)境，開展了大量河湖疏浚工程，產(chǎn)生大量河湖淤泥。河湖淤泥的處理處置應(yīng)遵循減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化的原則[3]，學(xué)者們?yōu)榭朔雍倌嗪瘦^高、強(qiáng)度較低，且污染物種類多、難降解的缺點(diǎn)，針對(duì)淤泥脫水和資源化利用展開了大量研究。

1.國(guó)內(nèi)淤泥處理的常見技術(shù)

(1)淤泥脫水

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的淤泥脫水技術(shù)主要分為脫水和固化[4-5]，脫水法包括自然脫水法、機(jī)械脫水法、造粒脫水法以及淤泥干化。自然干化法是指構(gòu)建污泥干化場(chǎng)，在底部鋪薄層碎石和沙子，并設(shè)排水暗管，依靠下滲和蒸發(fā)降低堆放在場(chǎng)上的淤泥含水量，適宜在干燥、少雨、沙質(zhì)土壤地區(qū)采用，這種方法建設(shè)成本低但耗時(shí)較久。造粒脫水機(jī)分為造粒部、脫水部和壓密部，淤泥加入混凝劑后，先進(jìn)入造粒部，在自身重力作用下，經(jīng)過絮凝壓縮分層滾成泥丸，泥丸和水進(jìn)入脫水部，水從環(huán)向泄水斜縫中排出，最后進(jìn)入壓密部，泥丸在自重下進(jìn)一步壓縮脫水，形成粒大密實(shí)的泥丸，推出筒體，這種方法裝置復(fù)雜，處理效率偏低，但脫水效果較好。機(jī)械脫水法是指先投加無(wú)機(jī)鹽或高分子混凝劑[6]，隨后通過過濾、離心等方法，將脫水濾餅留在濾層上，過濾機(jī)分為真空過濾機(jī)、板框壓濾機(jī)和帶式壓濾機(jī)，真空過濾機(jī)連續(xù)進(jìn)泥，連續(xù)出泥，運(yùn)行平穩(wěn)，泥餅含水率為60%～80%，但附屬設(shè)施較多。板框壓濾機(jī)為化工常用設(shè)備，過濾推動(dòng)力大，泥餅含水率較低，間歇進(jìn)出泥，生產(chǎn)率較低，泥餅含水率為45%～80%。離心法是借淤泥中固、液比重差所產(chǎn)生的不同離心力達(dá)到泥水分離的效果，離心脫水后的泥餅含水率為80%～85%。

淤泥脫水后的尾水含有大量污染物，且懸浮顆粒物較多，需要進(jìn)行有效處理。化學(xué)絮凝是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的疏浚底泥余水處理技術(shù)，通過絮凝劑的作用，使余水中的顆粒聚集并脫穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)余水凈化的目的。除化學(xué)絮凝法外，余水處理其它技術(shù)還包括水生植物過濾帶、間歇吹填與多級(jí)溢流等[7]。

(2)淤泥的資源化利用

不同河湖的底泥其元素組成有一定的差異，同一河湖中不同區(qū)域其污染狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況也有一定的差異，因此，在開展資源化利用之前，要對(duì)相應(yīng)片區(qū)的淤泥進(jìn)行取樣檢測(cè)，按照相應(yīng)條件進(jìn)行與之匹配的資源化利用。目前，常用的河湖淤泥的處理及資源化利用方法主要包括填埋、土地利用、建材化利用等[8]。填埋法簡(jiǎn)單方便，成本低，但簡(jiǎn)單的填埋，會(huì)導(dǎo)致疏浚淤泥中的污染物滲透到地下水，對(duì)土壤及地下水造成二次污染，因此必須設(shè)置隔斷層?，F(xiàn)階段主要利用黏土構(gòu)建隔斷層，然而這種處理方式會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，留下環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于含有氮磷等植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素且重金屬等污染物含量不高的淤泥，可以以淤泥為主要原料，添加適當(dāng)?shù)奈⑸锞鷦?，進(jìn)行厭氧或好氧堆肥，合理施用在農(nóng)林土壤或亟待修復(fù)的貧瘠土壤中，可以達(dá)到較好的資源化利用效果。李金文等[9]發(fā)現(xiàn)淤泥與秸稈以2:1的比例混合進(jìn)行好氧混堆發(fā)酵后，發(fā)酵時(shí)間縮短7d，并發(fā)現(xiàn)，堆肥產(chǎn)品與草炭、蛭石、腐殖酸、石膏、普鈣進(jìn)行混合得到的基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)均衡、理化性質(zhì)和保水保肥性能好，能滿足稻田育秧的需求。直接利用微生物對(duì)淤泥性質(zhì)進(jìn)行改良，用于育苗也有其可能性，陳立華等[10]發(fā)現(xiàn)微生物處理可以提高淤泥基質(zhì)的最大持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、通氣孔隙度等物理性質(zhì)，增加了植物苗的株高、鮮重、干重、葉綠素含量、根際活力、根際微生物數(shù)量、葉片酶活等生物性質(zhì)，育苗質(zhì)量顯著得到提高。

許盛英等[11]公開了一種湖泊淤泥壓縮營(yíng)養(yǎng)土的生產(chǎn)方法，將湖泊淤泥、高粘凹凸棒石粘土、花卉陶粒、泥炭土、沼渣、粉碎后的植物纖維、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、硫酸亞鐵和高吸水樹脂混合，通過低溫滅菌，制得的壓縮營(yíng)養(yǎng)土含水量≤15%，含有大量氮磷鉀有機(jī)質(zhì)和多種微量元素，是一種肥效高、無(wú)毒、無(wú)害、保水性能好的優(yōu)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)土，有利于植物的正常生長(zhǎng)。淤泥的主要成分為SiO2和Al2O3等氧化物，崔衛(wèi)方等[12]分析了河湖淤泥用于農(nóng)用土地及園林綠化的可能性，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥可以達(dá)到土地利用的要求，而有機(jī)物含量較低的淤泥則需要通過預(yù)處理或與化肥混合加工。

對(duì)于營(yíng)養(yǎng)元素含量低或重金屬等污染物含量較高的淤泥，可以用于制作建筑材料。崔敬軒等[13]分析了河湖淤泥制備燒結(jié)磚的可能性及必要條件，SiO2含量在55%-70%之間且含有一定量的K2O、CaO、MgO等助熔劑氧化物的淤泥具有制備燒結(jié)磚的條件，對(duì)于部分地區(qū)淤泥SiO2含量偏低或Al2O3含量偏高的情況，可以添加粉煤灰[14]、煤矸石[15]、生活污泥[16]等工業(yè)固廢進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，淤泥的占比、輔料的添加以及焙燒溫度都會(huì)影響燒結(jié)磚的品質(zhì)。高鵬等[17]以疏浚淤泥為主要原料制作免燒陶粒，發(fā)現(xiàn)淤泥:水泥以5:1，添加10%的石膏和1%的粘連劑，淤泥利用率超過60%，經(jīng)過28d的養(yǎng)護(hù)，可以得到抗壓強(qiáng)度為4.49MPa，顆粒密度為1.3g·cm-3的陶粒，且陶粒內(nèi)部孔隙封閉，晶粒緊密結(jié)合，水化硬化反應(yīng)生成水華硅酸鈣和鈣常石類晶態(tài)組織，陶粒的綜合物理性能優(yōu)秀。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種全新的河湖淤泥資源化利用及生態(tài)治理路線，先將淤泥按照資源化利用的條件進(jìn)行分類，隨后分別用于制作土壤基肥、燒制陶粒、免燒磚、生態(tài)護(hù)坡材料等。本治理路線還包括了底泥挖掘系統(tǒng)、檢測(cè)中心、特種物質(zhì)處理裝置、泥水分離系統(tǒng)、底泥脫水系統(tǒng)、廢水處理處置系統(tǒng)以及水生態(tài)修復(fù)和檢測(cè)系統(tǒng)，在設(shè)備選擇和安裝過程中，嚴(yán)格控制其體積、重量、耗能等因素，實(shí)現(xiàn)了在三條船上完成生態(tài)治理的目標(biāo)，達(dá)到“原位修復(fù)”的目的。

2.河湖底泥生態(tài)治理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河湖底泥生態(tài)治理體系共包含四個(gè)系統(tǒng)，分別是供能系統(tǒng)、淤泥處理系統(tǒng)、淤泥回收再利用系統(tǒng)以及水生態(tài)重建系統(tǒng)。通過嚴(yán)格控制各個(gè)部分的體積和重量，實(shí)現(xiàn)了在三條船上完成生態(tài)治理的目標(biāo)，達(dá)到原位修復(fù)的目的，減少了運(yùn)輸過程中帶來(lái)的資源浪費(fèi)和二次污染。第一條船是淤泥處理系統(tǒng)，用于淤泥提升與分流，主要有環(huán)保絞吸式底泥挖掘、泥水分離以及尾水處理。第二條船和第三條船屬于淤泥回收再利用系統(tǒng)，分別用于有害淤泥的資源化利用和無(wú)害淤泥的資源化利用。三條船均設(shè)有供能系統(tǒng)和生態(tài)修復(fù)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝太陽(yáng)能電池板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，水生態(tài)的重建依托于一種用于淡水環(huán)境的生態(tài)綠植投種裝置，用于打撈收集浮萍、藻類以及向水體中輸送水生植物株種。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 河湖底泥生態(tài)治理成套技術(shù)裝備處理流程

(1)淤泥處理系統(tǒng)

第一條船包括淤泥的提升、檢測(cè)、脫水。清淤方式采取環(huán)保絞吸式清淤[18]，在吸水管前端設(shè)置旋轉(zhuǎn)鉸刀，對(duì)底泥進(jìn)行切割和攪動(dòng)，借助泵力，經(jīng)過吸泥管將絞起的泥沙物料進(jìn)行提升，清淤對(duì)象主要是懸浮在淤泥表層的膠狀懸浮質(zhì)及表層污染淤泥，清淤過程中采取措施減少由于機(jī)械振動(dòng)造成的二次污染，同時(shí)保護(hù)無(wú)污染的下層底泥不被破壞，有利于水生態(tài)環(huán)境的重建[19]。

在處置開始前，對(duì)此地的淤泥進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)其中氮、磷、有機(jī)質(zhì)、各項(xiàng)重金屬以及有機(jī)污染物的情況，判斷其資源化利用的可能性[20]。采用環(huán)保絞吸式清淤法對(duì)淤泥進(jìn)行提升后，對(duì)淤泥進(jìn)行脫水處理。對(duì)于處理特種物質(zhì)處理過程及脫水系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水，應(yīng)妥善處理，避免二次污染。對(duì)于無(wú)毒污泥脫水產(chǎn)生的廢水，污染含量達(dá)標(biāo)的可以直接排放至水體，對(duì)于污染含量較高的廢水，應(yīng)采取吸附法、絮凝法、生化法等手段，進(jìn)行妥善處理后排放，對(duì)于污染物難以處理的廢水，采用濃縮法，減少?gòu)U水體積，運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行深度處理。

(2)淤泥回收再利用系統(tǒng)

經(jīng)檢測(cè)脫水后的無(wú)害有營(yíng)養(yǎng)淤泥，進(jìn)入第二條船，作為礦山修復(fù)或沙質(zhì)土壤修復(fù)的基肥[21]。將脫水后的淤泥與蘆葦桿、秸稈等進(jìn)行混合壓縮，形成20～30cm厚的土壤基肥材料，運(yùn)輸?shù)截汃せ蝻L(fēng)沙較大的地區(qū)發(fā)揮固定土壤、增加土壤營(yíng)養(yǎng)的作用，有效降低生態(tài)修復(fù)的成本，提高修復(fù)效果。

經(jīng)檢測(cè)、脫水后，有機(jī)污染或重金屬含量較高的淤泥，進(jìn)入第三條船，作為制做陶粒、免燒磚、生態(tài)護(hù)坡材料或其他建材的原料[22]。經(jīng)過燒制、固化的淤泥，有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)被破壞，重金屬賦存形態(tài)被改變，造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很小。

(3)供能系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)淤泥的原位處理，減少運(yùn)輸過程中的資源浪費(fèi)和二次污染，對(duì)設(shè)備的體積和重量進(jìn)行控制，利用三條船在水面及岸邊實(shí)現(xiàn)河湖底泥生態(tài)治理。為達(dá)到資源的充分利用，減少碳排放，在每條船上安裝三個(gè)太陽(yáng)能電池板，收集太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。

(4)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)

對(duì)疏浚底泥的治理完成后，應(yīng)進(jìn)行水生態(tài)恢復(fù)，并建立檢測(cè)系統(tǒng)，由水生植物進(jìn)行河道的養(yǎng)護(hù)、修復(fù)及預(yù)警。先對(duì)水體中明顯影響生態(tài)平衡的優(yōu)勢(shì)生物進(jìn)行打撈，隨后投放適宜的物種，盡量選擇本土植物、本土動(dòng)物進(jìn)行培養(yǎng)，在河湖生態(tài)中形成健康的食物鏈、食物網(wǎng)，提高水體的自凈能力，達(dá)到生態(tài)平衡的效果。

3.河湖生態(tài)治理技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用

對(duì)于河湖底泥的治理，應(yīng)以恢復(fù)生態(tài)、資源利用為主要目的，采用不同手段進(jìn)行輔助治理，最終達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。在河湖底泥生態(tài)治理過程中，大體上可以分為兩個(gè)階段，先進(jìn)行前期處理，對(duì)淤泥進(jìn)行分流、脫水、資源化利用。第二個(gè)階段則是進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，提升水體的自凈能力，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。關(guān)鍵技術(shù)有河湖淤泥泥水分離技術(shù)、河湖淤泥回收再利用系統(tǒng)以及淡水環(huán)境生態(tài)綠植投種裝置。

泥水分離技術(shù)可以高效便捷地對(duì)河道淤泥進(jìn)行分離。泥水分離加工是指一種包括進(jìn)泥機(jī)構(gòu)、泥水分離機(jī)構(gòu)和出泥機(jī)構(gòu)的泥水分離設(shè)備，確保整個(gè)過程有序緊密進(jìn)行，還能進(jìn)一步滿足對(duì)淤泥的后續(xù)加工要求。打破傳統(tǒng)意義上對(duì)淤泥進(jìn)行挖掘轉(zhuǎn)移堆放的環(huán)境治理方式，采用即挖即用的加工流程，通過相關(guān)設(shè)備在對(duì)河道淤泥進(jìn)行快速挖掘的過程中，與其配合實(shí)現(xiàn)高效快速的泥水分離操作，大大降低了淤泥挖掘上來(lái)影響環(huán)境的時(shí)間，為解決河道淤泥治理提供了一種更為綠色可靠的環(huán)境治理道路。

回收再利用系統(tǒng)包括混合加工機(jī)構(gòu)和切換插板機(jī)構(gòu)，混合加工機(jī)構(gòu)一側(cè)設(shè)置有制肥機(jī)構(gòu)，混合加工機(jī)構(gòu)前端設(shè)置有用于加入農(nóng)作廢料的進(jìn)料口和用于加入淤泥的進(jìn)泥口，混合加工機(jī)構(gòu)內(nèi)上下分別設(shè)置有破碎混合層和淤泥攪拌層，進(jìn)料口與破碎混合層相通，進(jìn)泥口與淤泥攪拌層相通，不但提高了淤泥加工的處理效率，還節(jié)省了加工設(shè)備所占空間。

淡水環(huán)境生態(tài)綠植投種裝置在船體一側(cè)的投種室，投種室前部設(shè)置有運(yùn)料機(jī)構(gòu)，運(yùn)料機(jī)構(gòu)前端設(shè)置有定位機(jī)構(gòu)，運(yùn)料機(jī)構(gòu)后方設(shè)置有布料機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)河道投放生態(tài)綠植進(jìn)行治理并污染預(yù)警的工作提供生態(tài)綠植投種裝置。在船只航行中不斷均勻合理地投放生態(tài)綠植，針對(duì)不同湖或河岸線進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整投放，在保持與岸邊的投放距離達(dá)到不影響其他用水生產(chǎn)活動(dòng)的情況下，同時(shí)還能保證船體不用頻繁調(diào)整方向就能實(shí)現(xiàn)高效智能地對(duì)河道投放生態(tài)綠植進(jìn)行投放治理并污染預(yù)警的工作。

本治理路線對(duì)河湖淤泥問題進(jìn)行整體規(guī)劃，綜合考慮治理過程各個(gè)環(huán)節(jié)可能造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)影響，將區(qū)域間生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行聯(lián)系，打破空間壁壘，統(tǒng)籌解決生態(tài)環(huán)境問題，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的效果。