賈偉東， 殷嬌嬌

（1.南京佳的建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司， 江蘇 南京 210000；2.南京中創(chuàng)水務(wù)集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京210000）

0 引言

城市河道是一個(gè)城市水環(huán)境的重要組成部分，對(duì)城市的環(huán)境及氣候調(diào)節(jié)有著不可或缺的作用。然而近年來(lái)，隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活污水不斷排入城市河道中，給城市河道水環(huán)境造成了巨大的威脅。針對(duì)河道底部淤泥進(jìn)行清理，是目前恢復(fù)黑臭河道水環(huán)境較為理想的處理方法。河道底泥是粘土，泥沙，有機(jī)物和各種礦物質(zhì)經(jīng)物理、化學(xué)、生物、水力輸送等作用下在河道底部淤積的沉積物[1-3]。河底底泥中的主要污染物包括：①重金屬污染如 Cu，Pb，Ni，Cr等；②氮磷有機(jī)化合物；③有機(jī)污染物等，其中重金屬污染最為嚴(yán)重[4-5]。

底泥不恰當(dāng)?shù)奶幚頃?huì)導(dǎo)致重金屬等污染物重新進(jìn)入水體造成二次污染，針對(duì)清出底泥如何處理成為了一大難題。河道底泥中的污染物主要包括：重金屬如Cu，Pb，Ni，Cr等；氮磷有機(jī)物；持久性污染物等。目前針對(duì)底泥的處理方法有：①充分利用底泥中的有機(jī)物及養(yǎng)分，運(yùn)用于農(nóng)田、林地、市政綠化等；②將底泥進(jìn)行固化做填方材料；③將底泥制備建筑材料等[6]。

充分利用底泥中的砂土、泥沙等組成部分，將底泥制作磚塊是實(shí)現(xiàn)底泥資源化的一種處理方法[7]。但是目前針對(duì)底泥直接進(jìn)行制磚研究相對(duì)缺乏，并且底泥在制磚后重金屬并沒(méi)有能夠完全去除，充分考慮環(huán)境許可容量下的底泥制磚研究更是少之又少。因此針對(duì)南方3條河道底泥中的重金屬進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，探究環(huán)境許可容量下的底泥燒結(jié)磚的制備，為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地處理河道底泥提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 河道水樣及底泥采集

水樣及河底底泥取自南方某城市A，B，C 3條城市河道，河道基本情況見(jiàn)表1。所取底泥放置室溫干燥，去除大量雜質(zhì)塊后，人工破碎，用0.85 mm尼龍篩進(jìn)行篩分后混勻備用。

表1 南方某城市3條河道基本情況

1.2 水樣及底泥中的重金屬分析

本次實(shí)驗(yàn)充分考慮底泥中重金屬在制磚后對(duì)環(huán)境的作用，因此本次實(shí)驗(yàn)選取Cu，Pb，Cr，Ni 4類底泥中對(duì)環(huán)境污染影響較大的常見(jiàn)金屬作為研究對(duì)象。底泥中的重金屬分析借鑒SONG[8]的方法，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行改進(jìn)。將備用底泥研磨后過(guò)0.098 mm尼龍篩，稱取樣品于消解罐后加入HNO3與HClO4，搖勻擰緊至180℃烘箱中加熱3 h。將溶液取出，移至聚四氟乙烯燒杯中并加入HF后送至加熱蒸發(fā)，待燒杯中溶液剩下約3 mL時(shí)將溫度調(diào)至190℃將杯中液體緩緩蒸發(fā)至近干，后定溶于50 mL容量瓶中，并加入HNO3保持溶液5%酸度。將消解液送采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES）進(jìn)行金屬測(cè)定。同時(shí)采用Tessier五步提取法對(duì)底泥中的重金屬形態(tài)進(jìn)行分析[9]。

1.3 底泥磚樣制備與性能檢測(cè)

本次底泥磚的采用底泥磚與輔料混合進(jìn)行制備，底泥摻雜量根據(jù)3處河道底泥各自的環(huán)境許可容量。根據(jù)資料發(fā)現(xiàn)采用頁(yè)巖搭配煤矸石的方法，可以充分利用頁(yè)巖的固性與煤矸石的熱值，并且一定程度上可以解決煤矸石不及時(shí)處理造成二次污染的問(wèn)題[10]。因此在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用頁(yè)巖與煤矸石作為制磚輔料與河道底泥混摻制磚。本次實(shí)驗(yàn)主要制磚步驟主要分為：①磚坯制作；②陳化干燥；③高溫焙燒。實(shí)驗(yàn)磚坯尺寸統(tǒng)一壓制為10cm×6cm×2cm（長(zhǎng)×寬×高）。磚坯成型后放置室溫下陳化1 d，并在陳化過(guò)程中每2 h對(duì)磚坯進(jìn)行翻面，保證陳化均勻。陳化后的磚坯送至磚窯中焙燒。磚坯在磚窯中總時(shí)間為50 h，其中高溫焙燒時(shí)間為4 h，焙燒溫度為960℃。焙燒后的底泥磚在室溫下靜置1 d后待檢。本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)底泥磚的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，強(qiáng)度檢測(cè)采用時(shí)代試金集團(tuán)有限公司微機(jī)控制電液式水泥壓力試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為YAW-300B，實(shí)驗(yàn)級(jí)別為一級(jí)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

上述分析均進(jìn)行3次重復(fù)，并且每8個(gè)測(cè)定樣品間采用標(biāo)準(zhǔn)樣檢測(cè)結(jié)果，保證測(cè)定精度。本次實(shí)驗(yàn)采用SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，并且采用單因素方差分析進(jìn)行差異檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 河道底泥中的重金屬及其形態(tài)分析

2.1.1 河道底泥中的重金屬分析

本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)南方某市3條河道底泥中的4類常見(jiàn)污染重金屬質(zhì)量比進(jìn)行研究，調(diào)查的底泥重金屬質(zhì)量比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 南方某城市3條河道底泥中的重金屬質(zhì)量比

由表2可以看出，3條河道中的Pb質(zhì)量比在199.65～229.7之間，均低于《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中不同pH值下的限制質(zhì)量比。而3條河道對(duì)應(yīng)底泥中的Cu，Ni及Cr質(zhì)量比分別在600.5～951.8，315.4～1 421.6，1 489.5～6 999.1之間，均高于不同pH值下的污染物控制標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量比。并且3條河道底泥中的重金屬均超過(guò)該地的土壤平均值。據(jù)現(xiàn)有資料發(fā)現(xiàn)，河道底泥中的重金屬含量受到河流水質(zhì)、排入河道污水種類、河水流速以及清淤頻率等因素的影響，其中排入河道污水種類對(duì)河道底泥中的重金屬含量影響較大[11]?；ぁ⒁苯?、電鍍等行業(yè)污水是河道底泥中 Cu，Pb，Ni，Cr重金屬的主要來(lái)源，這類污水進(jìn)入河道后，重金屬在水力作用下沉積于底泥中，最終造成了河道底泥中的重金屬累積。因此直接針對(duì)河道沿岸工業(yè)污水排放進(jìn)行嚴(yán)格限制是降低河道底泥重金屬含量較為有效的方法。

同時(shí)由表2還可以發(fā)現(xiàn)，除Pb外其余3類重金屬質(zhì)量比，均出現(xiàn)大于環(huán)境容量限值的現(xiàn)象。因此為了保證不產(chǎn)生二次污染，在底泥資源化制磚前需要對(duì)底泥中的重金屬進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.1.2 河道底泥中的重金屬形態(tài)分析

河道底泥中的重金屬形態(tài)會(huì)影響重金屬在底泥資源化中的環(huán)境作用、元素遷移轉(zhuǎn)化能力及生物累積毒性。根據(jù)研究，我們將重金屬的化學(xué)形態(tài)分為3類：①有效態(tài)，其中包括金屬的可交換態(tài)及碳酸鹽態(tài)，會(huì)被當(dāng)?shù)丨h(huán)境植物所吸收；②潛在利用態(tài)，其中包括金屬的Fe，Mn化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)，會(huì)在一定條件下轉(zhuǎn)化為有效態(tài)；③不可利用態(tài)，即殘?jiān)鼞B(tài)，幾乎沒(méi)有生物利用性[12]。本次實(shí)驗(yàn)的河道底泥重金屬形態(tài)分布結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 城市河道底泥中的重金屬形態(tài)分布

由圖1可以看出，Cu，Pb及Cr金屬在3條河道底泥中主要以潛在利用態(tài)與不可利用態(tài)為主，雖然部分金屬均以潛在利用態(tài)的形式出現(xiàn)，但是當(dāng)金屬所處環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，潛在利用態(tài)的金屬會(huì)被轉(zhuǎn)化為有效態(tài)金屬，易于被生物吸收利用，因此此類金屬的環(huán)境安全性不可忽略。由圖1可發(fā)現(xiàn)，在A河道底泥中的Ni金屬的有效態(tài)比例超過(guò)了60%，具有極強(qiáng)直接生物有效性，并且在B，C河道底泥中，Ni金屬的有效態(tài)與潛在利用態(tài)比例之和均超過(guò)了60%，也會(huì)潛在造成環(huán)境二次污染，因此Ni金屬在底泥制磚過(guò)程中需要嚴(yán)格控制。

2.2 環(huán)境許可容量下的底泥制磚利用量分析

為了避免底泥中的重金屬在制磚資源化后對(duì)環(huán)境造成二次污染，我們借鑒污水處理廠污泥制磚的環(huán)境容量要求[13]，并且結(jié)合污泥制磚混摻比小于10%制磚標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)底泥中的重金屬含量進(jìn)行限制，確定環(huán)境許可容量下的底泥摻雜比例（X）。具體計(jì)算方式如下：

式中：L為金屬制磚環(huán)境容量限值，見(jiàn)表2；W為河道底泥中的重金屬平均質(zhì)量比。

對(duì)比河道底泥金屬質(zhì)量比與環(huán)境容量質(zhì)量比我們發(fā)現(xiàn)，各河道底泥中的Ni，Cr金屬均超過(guò)環(huán)境容許質(zhì)量比，而Cu金屬僅B河底泥超過(guò)環(huán)境容許質(zhì)量比，并且Pb金屬均低于環(huán)境容許質(zhì)量比。因此針對(duì)超出環(huán)境容量質(zhì)量比金屬我們進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)境許可條件下底泥制磚添加比例

由表3可以看出，在各河道底泥金屬中，Ni金屬在環(huán)境容量下的摻雜比最低，這是因?yàn)榈啄嘀械腘i質(zhì)量比遠(yuǎn)大于環(huán)境許可容量。并且在污泥制磚過(guò)程中，Ni的潛在利用態(tài)會(huì)在高溫條件下發(fā)生轉(zhuǎn)化，對(duì)環(huán)境造成威脅。因此根據(jù)充分考慮金屬形態(tài)與最低環(huán)境允許摻雜量原則，A，B，C河道底泥環(huán)境許可容量摻雜比分別為6.33%，2.54%，1.4%。

2.3 不同底泥磚的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

根據(jù)環(huán)境許可容量下的底泥摻雜量，我們將底泥與輔料混合進(jìn)行底泥磚制備。本次實(shí)驗(yàn)采用2種混摻方式：混摻1將頁(yè)巖煤矸石混料作為輔料；混摻2將頁(yè)巖分作為輔料。同時(shí)我們選擇城市當(dāng)?shù)仄胀ùu塊與踏腳磚塊作為對(duì)比。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同磚樣的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

由圖2可以看出，在混摻1的條件下，A河道底泥磚的抗壓強(qiáng)度僅為踏腳磚塊強(qiáng)度的50%、普通磚塊的25%，而B底泥磚與C底泥磚強(qiáng)度均高于踏腳磚的強(qiáng)度。在混摻2的條件下，A河道底泥磚的抗壓強(qiáng)度高于踏腳磚強(qiáng)度，而B，C河道底泥磚的強(qiáng)度均達(dá)到普通磚塊強(qiáng)度。B，C河道底泥受到底泥中高重金屬質(zhì)量比的限制，因此環(huán)境許可下的混摻量較低，而A河道底泥中金屬質(zhì)量比較低，因而環(huán)境許可摻雜量較大，降低了底泥磚的強(qiáng)度。但是相比于頁(yè)巖與煤矸石混料，頁(yè)巖混料擁有更強(qiáng)的粘結(jié)度，在與底泥混合后會(huì)與底泥緊密結(jié)合[14]，從而提高了底泥磚的抗壓強(qiáng)度，使A河道底泥磚達(dá)到踏腳磚塊的抗壓強(qiáng)度。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在低底泥摻雜量下，采用頁(yè)巖與煤矸石混料作為輔料可以保證底泥磚的強(qiáng)度與實(shí)用價(jià)值；而在相對(duì)較高的底泥摻雜量下，采用頁(yè)巖作為輔料可以提高底泥磚的強(qiáng)度，提高底泥磚的使用價(jià)值。

2.4 環(huán)境容量底泥磚的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益分析

傳統(tǒng)針對(duì)底泥的快捷處理方法是就地填埋，但底泥中的重金屬成分會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染。將河道底泥作為材料制磚一方面降低了河道的污染，同時(shí)另一方面實(shí)現(xiàn)了河道底泥的資源化，創(chuàng)造了底泥的使用價(jià)值。同時(shí)本次底泥磚制作充分考慮底泥中的重金屬的環(huán)境許可容量，大大降低了底泥重金屬的二次污染。并且低底泥摻雜比的底泥磚還可以采用煤矸石作為混料，一定程度上降低了煤矸石的處理費(fèi)用，避免了煤矸石堆放的二次污染。因此將河道底泥在環(huán)境許可容量下進(jìn)行制磚具有極高的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

3 結(jié) 論

（1）不同河道底泥中的重金屬質(zhì)量比與形態(tài)各異，直接針對(duì)河道沿岸工業(yè)污水排放進(jìn)行嚴(yán)格限制是降低河道底泥重金屬含量較為有效的方法。

（2）根據(jù)3條河道的底泥環(huán)境許可容量分析，Ni金屬對(duì)底泥摻雜量起主要限制作用，并且3條河道的底泥中的Ni金屬以潛在利用態(tài)與有效態(tài)為主，因此建議將Ni作為該地入河污水水質(zhì)的主要考察指標(biāo)。

（3）采用頁(yè)巖與煤矸石混料作為輔料可以保證在低底泥摻雜量底泥磚的強(qiáng)度，而采用頁(yè)巖作為輔料可以提高較高底泥摻雜量底泥磚的強(qiáng)度，保證底泥磚的使用價(jià)值。

（4）將河道底泥，在環(huán)境容量控制制作底泥磚具有極高的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。