宋 嵩，李 晶，梅愛華，黃海明

（1.東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523000；2.深圳市華遠(yuǎn)環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

在國家“水十條”的推動(dòng)下，近年來我國水體質(zhì)量總體呈改善趨勢(shì)。然而，在外源污染得以控制之后，水體底部沉積的黑臭底泥仍不斷釋放有機(jī)污染物及氮磷，導(dǎo)致水體功能無法快速恢復(fù)，對(duì)水體水質(zhì)構(gòu)成長期威脅［1-3］，促使我國黑臭水體的治理從控源截污階段進(jìn)入消除內(nèi)源污染階段，即由地表水的治理階段進(jìn)入底泥治理階段。

黑臭底泥的形成機(jī)制如圖1 所示。河床底部沉積的有機(jī)污染物在供氧不足的情況下，經(jīng)厭氧發(fā)酵使表層底泥形成厭氧甚至極度厭氧環(huán)境，底泥呈還原狀態(tài)［4-5］，促使H2S、NH3等氣體及FeS、MnS 等沉積物產(chǎn)生與釋放［1,6］，導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭。

圖1 黑臭底泥的形成機(jī)制Figure 1 Generation mechanism of black and odorous sediment

為推動(dòng)黑臭水體的治理工作，我國實(shí)行了嚴(yán)格環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)及檢查督辦制度。許多地區(qū)為盡快使黑臭水體滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，采用了“大躍進(jìn)”式的應(yīng)急治理方式，產(chǎn)生了大量的清淤黑臭底泥。然而，對(duì)清淤產(chǎn)生的黑臭底泥缺乏有效管理，導(dǎo)致許多底泥不規(guī)范處置［7］。目前我國在對(duì)黑臭底泥形成的生化原因、物化特性、生物特性、力學(xué)特性等方面依舊認(rèn)識(shí)不足，對(duì)黑臭底泥的處理上沿用了城市污泥的處理方法，即填埋處置，整個(gè)過程涉及污泥脫水處理、滲濾液處理及填埋場底部的防滲處理，綜合土地成本、滲濾液處理成本、填埋場建設(shè)成本、填埋管理成本、脫水成本和運(yùn)輸成本，規(guī)范處理的總成本在500 元/m3以上［8］。為了節(jié)約成本，許多地區(qū)將黑臭底泥進(jìn)行簡易填埋或傾倒于溝坑塘渠，或拋撒于農(nóng)田，黑臭底泥發(fā)出的惡臭嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?，所含重金屬污染物通過地表徑流進(jìn)入河流、湖泊中污染水質(zhì)，或造成土壤污染。

因此，我國黑臭水體治理過程中，清淤產(chǎn)生的大量黑臭底泥高效利用處置問題亟待解決。針對(duì)上述問題，本研究通過具體工程實(shí)踐分析，論述了就地除黑除臭、就地固化、就地資源化利用的技術(shù)原理、工程效果、技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其在我國的應(yīng)用前景。

2 黑臭底泥原位處理及資源化技術(shù)原理

2.1 技術(shù)原理及反應(yīng)過程

將生物與化學(xué)處理技術(shù)相結(jié)合，通過向清淤底泥中加入氧化劑（過氧化鈣、過氧化氫）及電子受體（硝酸鹽）［9］，促使生物反應(yīng)，除去黑臭物質(zhì)，分解固定污染物，使底泥自然化學(xué)脫水，形成可以被資源化利用的固化體。

硝酸鹽作為電子受體應(yīng)用于黑臭底泥的治理工藝中已被證實(shí)是一種有效的處理方法［10-11］，反硝化細(xì)菌利用NO-3將揮發(fā)性硫化物（AVS）氧化為SO2-4，獲得代謝需要的能量，反應(yīng)方程式如下:在這一過程中，硝酸鹽提供化合態(tài)氧，促進(jìn)反硝化細(xì)菌的繁殖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硫酸鹽還原菌（SRB）的生長抑制和硫化物的氧化［12-13］。另一方面，反硝化過程產(chǎn)生的氮氧化物（NO 和N2O 等）促使底泥的氧化還原電位（ORP）升高，抑制H2S的產(chǎn)生［14-15］。

污染物固化原理：在污泥中加入固化劑并充分?jǐn)嚢杌旌虾?，固化劑中的氧、鈣、鋁、鎂、硅等離子與黑臭底泥中的污染物反應(yīng)生成針狀的結(jié)晶物（主要成分是鈣礬石）存在于泥土的顆粒結(jié)構(gòu)空隙中［16］，迅速產(chǎn)生絮凝物沉淀，將重金屬物質(zhì)固化于其中［17］，使高含水率的底泥快速實(shí)現(xiàn)水與固體顆粒物的分離和沉積，含水率自然降低，形成與自然土體相似的固化產(chǎn)物。

2.2 工程實(shí)踐案例分析

黑臭底泥就地除黑除臭、就地固化、就地資源化利用技術(shù)于2018 年11 月至2019 年2 月應(yīng)用于廣西南寧市心圩江支流羅賴溝黑臭底泥處理。首先采用勾機(jī)將羅賴溝黑臭底泥清理到河床旁邊，在不同時(shí)段分別加入除黑除臭劑和固化劑。除黑除臭約耗時(shí)2～3 周，固化時(shí)間約為1 周，黑臭底泥除黑除臭與固化總成本約為150 元/m3，從清淤到資源化利用全過程總成本約250 元/m3，遠(yuǎn)低于規(guī)范化填埋處理成本。

羅賴溝黑臭底泥固化處理前后的物化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。經(jīng)過除黑除臭處理后底泥的AVS 降低了99.2%以上，ORP 提高了88.0%以上，含水率降低了51.8% 以上，均達(dá)到要求。該技術(shù)除黑除臭效果顯著，化學(xué)脫水效果良好。

表1 南寧市心圩江羅賴溝底泥就地除黑除臭測(cè)試結(jié)果Table 1 Results of on-site deodorization of sediment in Luolai gully of Xinxu River in Nanning City

采用水平振蕩法（HJ 557—2010 固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法）對(duì)羅賴溝黑臭底泥的重金屬浸出毒性進(jìn)行測(cè)定，底泥中污染物固化效果測(cè)試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，經(jīng)固化處理后，固化產(chǎn)物中總Zn、總Cu、總Ni、總Hg、總Cd、Cr6+、總Pb 的浸出液濃度分別降低了88.9%、77.8%、95.6%、75.0%、90.9%、90.5%、91.8%，根據(jù)GB 18918—2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了污染物浸出液限值要求。底泥中的重金屬得到充分固定，浸出率明顯降低。

表2 南寧心圩江羅賴溝底泥重金屬固化效果（浸出率）測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of immobilization effect of heavy metals from Luolai gully sediment of Xinxu River in Nanning City

羅賴溝黑臭底泥就地除黑除臭就地固化后，用作羅賴溝岸邊護(hù)坡用土，并在護(hù)坡上種植綠草花卉。羅賴溝黑臭底泥處理前后照片及就地資源化利用情況見圖2。采用這種方法除黑除臭效果明顯，對(duì)重金屬污染物的固化效果顯著。固化土的承載比（CBR）為52%，大于JTG D30—2015 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)路床和路堤的填料最小CBR 值，壓縮系數(shù)均值為0.1 MPa-1，固化產(chǎn)物土力學(xué)性能良好，可以用作回填或護(hù)坡材料。固化產(chǎn)物上種植的花草長勢(shì)良好，就地資源化利用途徑具有可行性。

圖2 羅賴溝黑臭底泥處理前后對(duì)比Figure 2 Comparison of sediment before and after treatment in Luolai gully

3 黑臭底泥原位處理及資源化技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

3.1 原位處理及資源化利用過程

底泥固化過程實(shí)現(xiàn)了部分有機(jī)污染物的氧化分解及重金屬污染物的固定，并形成了具有良好土力學(xué)性質(zhì)的固化產(chǎn)物。同時(shí)，化學(xué)物質(zhì)對(duì)固體顆粒的凝聚作用使底泥中的粒間水自動(dòng)瀝出，因經(jīng)過凝聚處理，瀝出水水質(zhì)較優(yōu)。

本工藝的特點(diǎn)是：處理過程簡單易行，綜合處理成本低廉，僅為傳統(tǒng)方法的50%。采用自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)固化劑與污泥優(yōu)化配比，處理效果良好。就地處理就地利用，實(shí)現(xiàn)黑臭底泥的最終處置。施工周期短，二次污染少。

3.2 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

該技術(shù)可以應(yīng)用于河道、湖泊、魚塘以及水庫的清淤底泥處理處置，也可以應(yīng)用到海域、漁港、碼頭清淤底泥處理處置。

經(jīng)過除黑除臭及固化形成的固化產(chǎn)物可廣泛地用于河道、湖庫、排渠的護(hù)坡以及堤壩用土，低洼路段、坑塘、溝渠的填方用土，道路路基用土，垃圾填埋場覆蓋用土，花卉、樹木的綠化用土。

3.3 與其他技術(shù)的綜合對(duì)比

黑臭底泥常規(guī)處理技術(shù)（如自然晾曬干化法、機(jī)械脫水法、土工管袋法）僅能降低底泥的含水率，并未解決其黑臭及重金屬污染問題，對(duì)環(huán)境二次污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)依然存在［18-20］，且處理后的底泥不能直接資源化利用，增加了后續(xù)處理流程及費(fèi)用。

對(duì)于黑臭底泥處理工程設(shè)備投資，其他脫水方法需要購置大量的機(jī)械設(shè)備（如板框壓濾機(jī)、水力篩、加藥設(shè)備、溶藥設(shè)備、裝卸設(shè)備等），與之相比，就地除黑除臭、就地固化技術(shù)只需要加藥、溶藥設(shè)備和租用水陸兩棲攪拌機(jī)，投資遠(yuǎn)小于其他技術(shù)。

對(duì)于底泥脫水運(yùn)行成本，機(jī)械方法（如板框壓濾機(jī)）脫水涉及雜物分離、加藥等流程，動(dòng)力消耗大，操作過程復(fù)雜，運(yùn)行成本較高。就地固化技術(shù)只需加入藥劑，攪拌均勻放置陳化即可，操作過程簡單，動(dòng)力消耗與人工成本較低。然而，就地固化過程需要加入多種藥劑，投藥量高于板框壓濾過程，因此，其脫水成本略高于板框壓濾過程，但其綜合成本（包括底泥運(yùn)輸、最終處置）遠(yuǎn)低于板框壓濾方法。不同技術(shù)的綜合對(duì)比［18，21］見表3。

表3 黑臭底泥處理處置技術(shù)綜合比較Table 3 Comparison of treatment and disposal technologies ofblack and odorous sediment

黑臭底泥就地除黑除臭、就地固化、就地利用技術(shù)具有處理過程簡單、不占用土地、處理成本低、二次污染少等優(yōu)勢(shì)，固化產(chǎn)物可以作為護(hù)坡、綠化、回填、筑壩、路基等材料多渠道利用，解決了底泥的最終出路問題，與其他技術(shù)相比具有優(yōu)勢(shì)，因此，這種技術(shù)易于產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用并具有良好的市場前景。

4 結(jié)論與建議

1）我國黑臭水體治理產(chǎn)生大量的黑臭底泥。目前不規(guī)范處理處置方式存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。我國普遍采用的黑臭底泥清淤、機(jī)械脫水處理、填埋處置等方式，處理過程復(fù)雜，處理成本高，不能徹底消除黑臭污染、固定重金屬，后續(xù)填埋占用大量土地，二次污染嚴(yán)重。

2）黑臭底泥的形成是由于耗氧性污染物沉積，在厭氧條件下形成還原性氛圍，導(dǎo)致高價(jià)物質(zhì)還原形成硫化物等黑臭味物質(zhì)。通過加入過氧化物，可提高底泥的氧化能力，在生物的作用下阻斷厭氧反應(yīng)，消除黑臭物質(zhì)。

3）以生物氧化還原及化學(xué)沉淀結(jié)晶理論為基礎(chǔ)，采用就地除黑除臭、就地污染物固化、就地資源化利用技術(shù)集成，具有工藝過程簡單、二次污染少、處理成本低、固化物具有資源化利用途徑等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。