史燕南，占 川，張超杰，吳文華，楊 煒

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

為了改善和提升水環(huán)境、水生態(tài)，增加調(diào)蓄庫容、提高行洪排澇能力和航運(yùn)能力，清淤疏浚成為河湖庫塘治理的常用方法之一。近年來，水利部加大河湖長制建設(shè)，加強(qiáng)河湖黑臭水體治理，如太湖、滇池、巢湖、鄱陽湖等重要湖泊，以及河道、水庫等，每年均有大量淤泥產(chǎn)生[1-2]，其中大部分疏浚淤泥用于農(nóng)田施肥、魚塘回填、廢棄礦坑復(fù)墾等。

疏浚淤泥普遍具有含水率高、固結(jié)難、體積大的特點(diǎn)。城鎮(zhèn)水底淤泥在很大程度上受到有機(jī)物、營養(yǎng)鹽、重金屬或難降解高分子有機(jī)物的污染，若未及時(shí)處理，大量污染淤泥直接堆放并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，極易對土壤環(huán)境、水環(huán)境等造成污染[3]，甚至對食物鏈造成威脅[4]，因此，受到污染的淤泥處置備受水利、巖土、環(huán)境等多學(xué)科的研究者們關(guān)注。

固化穩(wěn)定化技術(shù)能改善淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)，并將游離態(tài)的有毒有害物質(zhì)穩(wěn)固于固化體中，減少污染物的溶出[5-6]。國內(nèi)外在固化材料篩選、有機(jī)質(zhì)含量對固化淤泥影響、力學(xué)性質(zhì)變化、水分轉(zhuǎn)化、氮磷和重金屬釋放等方面進(jìn)行了較多的研究[7-15]，但對污染疏浚淤泥固化穩(wěn)定化處理后進(jìn)行種植應(yīng)用的研究較少。疏浚淤泥中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)可被植物利用[16-17]，但干化后的疏浚淤泥孔隙率低、易板結(jié)，影響植物根部吸水、呼吸和無機(jī)鹽的吸收等，不宜直接進(jìn)行種植。為了探討污染疏浚淤泥的種植利用可行性，本文對重金屬污染的淤泥進(jìn)行固化穩(wěn)定化配比試驗(yàn)，通過改變固化穩(wěn)定化試劑摻量調(diào)節(jié)土體pH、孔隙、重金屬溶出濃度等，解決重金屬溶出超標(biāo)、土壤板結(jié)不透氣等問題；通過羽衣甘藍(lán)等綠化植物種植試驗(yàn)研究植物生長特性，探索重金屬固化穩(wěn)定化機(jī)理，并篩選出適宜羽衣甘藍(lán)等綠化植物的最佳種植配比方案，為污染淤泥進(jìn)行種植利用提供更多可能性。

1 試驗(yàn)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)淤泥來自浙江省某城市湖蕩淤泥。經(jīng)勘測，該湖蕩平均淤積厚度為42 cm，因此現(xiàn)場采樣時(shí)，主要采集其岸邊約3～5 m處0～50 cm的淤泥。淤泥存在部分有分層情況，整體呈黑色，有強(qiáng)烈的腐臭味。采樣后立即將淤泥封裝于PVC桶，防止淤泥失水。

1.1 淤泥物理性質(zhì)

該湖蕩淤泥為高含水率的流泥，具流動(dòng)性，自身強(qiáng)度極低，滲透性?。缓幱俜e層均為高壓縮性、低強(qiáng)度的超軟土，作為堆場直接填土其固結(jié)性能極差。淤泥的顆粒組成以粉粒、黏粒和膠粒等為主，其中粒徑小于等于0.005 mm的淤泥顆粒含量約為45%，中值粒徑d50=0.006 mm，具體性質(zhì)見表1和表2。

表1 淤泥顆粒組成

表2 淤泥物理性質(zhì)

表3 自然干化后淤泥浸出液重金屬檢測結(jié)果 mg/L

1.2 淤泥污染特性

該湖蕩長期受納周圍居民生活、企業(yè)生產(chǎn)排放的部分污水，淤泥中部分重金屬超出可直接農(nóng)業(yè)利用范圍，具體檢測結(jié)果：pH為6.85，有機(jī)物為85.4 g/kg,全氮0.341%,氨氮為104 mg/kg,總磷為1 060 mg/kg,銅為1 079 mg/kg,鋅為208 mg/kg,鉛為104 mg/kg,鎘為0.27 mg/kg，鎳為45 mg/kg，汞為0.389 mg/kg，砷為18.3 mg/kg，總鉻為73 mg/kg，六六六為0.098 mg/kg，滴滴涕未檢出(ND)，總大腸菌群為8.5×105MPN/kg，細(xì)菌總數(shù)為9.9×107個(gè)/kg。其銅含量為1 079 mg/kg，對照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[18]，遠(yuǎn)高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值200 mg/kg(果園)、100 mg/kg(其他)。該淤泥對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、農(nóng)作物生長或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測，原則上應(yīng)當(dāng)采取安全利用措施。但是，穩(wěn)定在土壤中的重金屬對生物生長影響并不大[19]，因此需要了解溶出的重金屬濃度。自然干化后淤泥浸出質(zhì)量濃度檢測結(jié)果如表3所示。浸出液pH為6.9，銅、鉛、鎘離子質(zhì)量濃度符合地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 主要材料

粉煤灰：二級灰，粉末狀，呈灰白色，pH為8.6，密度為2.2 g/cm3。石灰：浙江省建德市蓮花化工有限公司的分析純CaO(≥98%)，白色或微帶黃色的不定形塊狀或粒狀粉末，在濕空氣中易吸收二氧化碳及水分，遇水生高熱，pH為12.7，分子量為56.08。

高嶺土：氧化硅含量為45%，pH為7.8，規(guī)格為600目。

碳酸鈉：杭州高晶精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的分析純Na2CO3，白色粉末，暴露于空氣中逐漸吸水成為一水合物，溶于水，不溶于乙醇，分子量為105.99。

硫酸鐵：上海山海工學(xué)團(tuán)實(shí)驗(yàn)二廠生產(chǎn)的分析純Fe2(SO4)3·xH2O，白色或黃色粉末，易潮解，溶于水和醇，水溶液呈酸性，分子量為399.87(以無水鹽計(jì))。

硫酸鎂：上海試四赫維化工有限公司生產(chǎn)的分析純MgSO4·7H2O(≥99%)，白色結(jié)晶或粉末，味苦咸而涼，25℃時(shí)50 g/L的溶液pH為5.0～8.0，分子量為246.47。

硅酸鈉：如皋市金陵試劑廠生產(chǎn)的分析純Na2SiO3·9H2O，別名：偏硅酸鈉，白色或灰白色塊狀物粉末，溶于水和堿溶液，由于水解，其水溶液呈強(qiáng)堿性，不溶于醇和酸，分子量為284.20。

纖維：規(guī)格為9 mm的聚乙烯醇(PVA)纖維。

2 污染淤泥的試驗(yàn)方法

2.1 固化穩(wěn)定化試驗(yàn)

表4 淤泥固化土重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果

通過pH的調(diào)整確定5個(gè)固化穩(wěn)定化配比方案和原狀土方案，分別為GW0(原狀土)、GW1(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硅酸鈉+硫酸鐵)、GW2(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+碳酸鈉+硫酸鐵)、GW3(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硅酸鈉+碳酸鈉+硫酸鎂+硫酸鐵)、GW4(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硫酸鎂+硫酸鐵)、GW5(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硫酸鎂)，其中粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維的摻量為10%(摻量以干泥質(zhì)量百分比計(jì))，其余部分摻量為6%。

采用5 mm×5 mm×5 mm試模，每種配比配制置3個(gè)平行試樣，共配制18個(gè)試樣。以固化體毒性浸出液銅、鉛、鎘等離子濃度減少率、滲透系數(shù)、中值粒徑等為考察指標(biāo)，探索重金屬污染淤泥處理60 d后的固化穩(wěn)定化機(jī)理。

2.2 種植試驗(yàn)

由于在冬天和初春開展試驗(yàn)，氣候比較干冷，試驗(yàn)周期較短，因此選擇耐寒、生長周期短的羽衣甘藍(lán)幼苗作為植生性能研究對象。每個(gè)配比種植2盆，共種植12盆，每盆1株羽衣甘藍(lán)。為了保證陽光充足，晝夜溫度保持穩(wěn)定，選用在2 m×2 m的透明花棚中進(jìn)行，在花棚內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，可隨時(shí)觀察棚內(nèi)溫度，并適時(shí)通風(fēng)。

種植試驗(yàn)主要研究植物的株高、根長、莖葉重量、生長速率、莖葉重金屬含量和種植60 d后固化土中重金屬離子浸出濃度變化等，從而篩選出適宜羽衣甘藍(lán)生長的固化穩(wěn)定化配比方案，探討重金屬污染淤泥用于種植的可行性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 固化穩(wěn)定化試驗(yàn)

3.1.1淤泥固化土滲透性

土壤中存在一定的空氣和連通的輸水通道是植物根部生長呼吸的前提條件。Taylor[21]提出土滲透系數(shù)和孔隙比存在半對數(shù)關(guān)系，并在軟土工程中得到較多的應(yīng)用。本文采用變水頭滲透試驗(yàn)，在20℃室溫中進(jìn)行，測試不同摻量固化穩(wěn)定化淤泥的滲透系數(shù),結(jié)果如圖1所示。

從圖1中知，滲透性從大到小排序?yàn)镚W5、GW3、GW4、GW2、GW1、GW0，其對應(yīng)的中值粒徑分別為0.067 mm、0.051 mm、0.044 mm、0.035 mm、0.038 mm和0.006 mm，基本可以說明粗顆粒含量越多，滲透性越好；GW5的滲透系數(shù)為10-4cm/s數(shù)量級，GW1～GW4的滲透系數(shù)均為10-5cm/s數(shù)量級，相比GW0原狀樣來說滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級，主要由于土體里加入纖維，隨著土體里水的排出，一條條纖維形成一條條的滲水通道，導(dǎo)致淤泥固化土的滲透性增大。

3.1.2淤泥固化土浸出毒性

重金屬毒性浸出試驗(yàn)浸提液為醋酸溶液(pH值為4.93±0.05)，通過試驗(yàn)來模擬固化體在酸性條件下或進(jìn)入填埋場后重金屬的浸出過程，了解各種淤泥固化土污染物的穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，固化土的毒性浸出穩(wěn)定效果較好，浸出液為Ⅰ～Ⅲ類水(《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[20]，下同)，而原狀土浸出液為劣Ⅴ類水，固化土中重金屬穩(wěn)定性有不同程度提高。

統(tǒng)計(jì)各類固化土相較于原狀土的重金屬浸出質(zhì)量濃度減少率如圖2所示。由圖2可知，8項(xiàng)重金屬的浸出濃度均有不同程度的降低，可能由于疏浚淤泥在固化穩(wěn)定化處理前，各項(xiàng)重金屬都存在一定濃度的可溶可交換態(tài)，在摻入了石灰、粉煤灰、硅酸鈉、碳酸鈉等堿性材料，提高土體pH值，降低污染淤泥中的微生物和有機(jī)物含量，在微生物的分解代謝作用下，淤泥中的化學(xué)條件不斷發(fā)生變化，從而穩(wěn)定了重金屬的形態(tài)[22]。超標(biāo)重金屬銅、鉛、鎘浸出減少效果最佳，銅、鉛的浸出減少率超過95%，鎘的浸出減少率超過85%，說明固化劑碳酸鈉、硅酸鈉、硫酸鐵、硫酸鎂的組合可以有效穩(wěn)定游離態(tài)的銅、鉛、鎘等離子。GW3和GW4固化土浸出減少效果稍差，可能由于GW3和GW4組合中，pH分別為6.2和5.4，在酸性條件下，H+會(huì)破壞化產(chǎn)物和阻礙金屬化合物的沉降，或與OH-發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致氫氧化鈣濃度降低，進(jìn)而促進(jìn)水化產(chǎn)物的溶解，加速重金屬的浸出[15]。

圖2 各固化土不同污染物的浸出減少率

3.2 種植試驗(yàn)

3.2.1植生特性

羽衣甘藍(lán)的平均株高、莖葉重量、根長、生長情況等如表5所示。觀察羽衣甘藍(lán)生長態(tài)勢，通過植株生長速率曲線進(jìn)行線性擬合，得到不同固化穩(wěn)定化試劑作用下的生長趨勢擬合系數(shù)如圖3所示，羽衣甘藍(lán)生長情況如圖4所示。

表5 羽衣甘藍(lán)植生性能觀測結(jié)果

圖3 不同配比下的羽衣甘藍(lán)生長趨勢擬合系數(shù)

圖4 不同配比下的羽衣甘藍(lán)生長情況

總體上，5個(gè)配比所種植的羽衣甘藍(lán)，其平均株高、莖葉重量相比原狀土長勢更好。其中，GW2、GW3和GW4羽衣甘藍(lán)的葉片顏色呈現(xiàn)鮮艷的紫色，生長趨勢擬合系數(shù)分別為0.007 1、0.006 7和0.009 1，其余配比顏色較暗，尤其GW0顏色略微泛白。主要由于GW0滲透系數(shù)極小，僅普通鋤松不能解決土壤根部呼吸問題，其土壤板結(jié)影響根部吸收水分和無機(jī)鹽類，導(dǎo)致其植株特別矮小。此外，適量的銅可保障植物維持正常的光合作用和呼吸作用，但過量會(huì)對植物產(chǎn)生生物脅迫和非生物脅迫，如引起光合作用的改變、呼吸作用的異常等，從而影響植物的正常生長[19]，GW0的銅、鉛、鉻溶出超標(biāo)，影響了羽衣甘藍(lán)的光合作用和呼吸作用。

3.2.2植物莖葉重金屬含量

由于淤泥在固化穩(wěn)定化處理前銅、鉛、鎘溶出超標(biāo)，因此，本文探討這3種重金屬的莖葉吸收情況，檢測結(jié)果見表6。5組固化穩(wěn)定化配比種植的羽衣甘藍(lán)莖葉中的銅為1.5～4.9 mg/kg，相比GW0都有一定程度的減少，羽衣甘藍(lán)莖葉中未檢出鎘、鉛，進(jìn)一步說明處理后土體中游離態(tài)的重金屬含量減少，重金屬穩(wěn)定性提高，進(jìn)入植物體內(nèi)的重金屬減少；GW2配比種植的羽衣甘藍(lán)長勢良好，其莖葉中的重金屬含量最少，說明該配比對銅的固化穩(wěn)定化效果較好，適宜作為羽衣甘藍(lán)等綠化植物的種植土。

表6 不同試樣土種植的羽衣甘藍(lán)莖葉中的重金屬 mg/kg

3.2.3種植后盆土中總氮、總磷和超標(biāo)重金屬的浸出結(jié)果

5種固化土浸出液中的總磷和總氮質(zhì)量濃度如圖5所示。從圖5可以看出，5種固化土浸出液中總磷、總氮的質(zhì)量濃度較GW0有所降低，說明固化對總磷、總氮的穩(wěn)定也有一定的作用；GW2、GW3和GW4組浸出液中總磷、總氮質(zhì)量濃度最小，而這3組羽衣甘藍(lán)長勢較好，可能由于這3組植株對N、P的吸收較多。

圖5 各固化穩(wěn)定化土浸出液中總磷和總氮質(zhì)量濃度

種植羽衣甘藍(lán)后，盆土浸出液中重金屬銅、鉛和鎘的質(zhì)量濃度見表7，重金屬鉛均未檢出；相比種植前，GW0銅的浸出減少率接近100%，鎘的浸出減少率超過85%；經(jīng)過固化穩(wěn)定化處理后，浸出濃度值較小，可能由于誤差導(dǎo)致有幾項(xiàng)濃度相比種植前有些許增加。該試驗(yàn)也進(jìn)一步說明了經(jīng)過處理后的淤泥固化穩(wěn)定化效果較好。

表7 種植羽衣甘藍(lán)后盆土浸出液中的重金屬 mg/L

從表6和表7還可以看出，羽衣甘藍(lán)莖葉中的銅、鉛、鎘含量和種植后盆土中的銅、鉛、鎘浸出質(zhì)量濃度均較低，尤其是種植后GW0盆土中的銅、鉛、鎘浸出質(zhì)量濃度相對種植前降低更為明顯，可能由于GW0土壤在未種植前重金屬銅、鉛、鎘的浸出質(zhì)量濃度相對較高，而羽衣甘藍(lán)對重金屬有很強(qiáng)的富集能力[23]，同時(shí)重金屬濃度未超過破壞根系細(xì)胞壁的范圍，使得羽衣甘藍(lán)根部在重金屬的作用下產(chǎn)生保護(hù)性反應(yīng)，增加了根系對銅、鉛、鎘等重金屬的結(jié)合能力[24]，未轉(zhuǎn)運(yùn)至上部莖葉。

4 結(jié)論與建議

a. 疏浚淤泥在摻入固化穩(wěn)定化劑和纖維后，土體滲透性大大增加，滲透系數(shù)從10-7cm/s提高到10-5cm/s和10-4cm/s，滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級，更適宜植物生長。

b. 摻入石灰、粉煤灰、高嶺土、硅酸鈉、碳酸鈉、硫酸鐵和硫酸鎂等多種材料，調(diào)節(jié)pH，改變土體物理化學(xué)性能，對銅、鋅、鎳、鉛、鎘、總鉻、汞、砷8項(xiàng)重金屬均有固化穩(wěn)定化作用，浸出量、浸出率均有明顯降低且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，超標(biāo)重金屬銅、鉛的浸出減少率超過95%，重金屬鎘的浸出減少率超過85%；GW1、GW2、GW5堿性較強(qiáng)，對重金屬的固化穩(wěn)定化效果更佳。

c. GW0的銅、鉛、鎘溶出超標(biāo)，對羽衣甘藍(lán)生長產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致GW0盆土種植的植株矮小、泛白；經(jīng)過固化穩(wěn)定化處理的淤泥更適宜羽衣甘藍(lán)生長，其生長速率更快，植株生長更有活力，尤其是GW2、GW3和GW4配比；其中，GW2中進(jìn)入植株體內(nèi)的重金屬最少，植株對N、P的吸收量也較多。

綜合考慮固化穩(wěn)定化效果和植生性能影響，GW2更適宜羽衣甘藍(lán)等植物生長，因此建議以10%(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維)+6%(碳酸鈉+硫酸鐵)為綠化植物種植應(yīng)用的固化穩(wěn)定化試劑優(yōu)選方案，為后期污染淤泥的固化穩(wěn)定化、資源化利用提供參考。但是，羽衣甘藍(lán)根系、莖葉中的銅、鉛、鎘以何種形態(tài)存在，以及重金屬在根系與莖葉內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系如何，尚需進(jìn)一步研究。