蔡 壯
(北京市密云區(qū)潮白河道管理所,北京市 101500)
河道底泥是水體中的泥沙、礦物和有機質(zhì)經(jīng)過一系列反應而形成的。在工業(yè)污染加劇的背景下,工農(nóng)業(yè)污染物流入河內(nèi)最終沉積到底泥中,導致重金屬污染嚴重,進而影響地下水、森林和土壤等生態(tài)系統(tǒng),如來自采礦業(yè)的Sb、As、Mn、Pb以及來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的Co、Zn、Cd和Cu。同時也危害河道中的生物,進入到食物鏈系統(tǒng)中。傳統(tǒng)就地堆置或填埋會導致重金屬繼續(xù)沉淀,還會以硫化物等形式進入到環(huán)境中,繼續(xù)造成污染。因此,河道底泥的資源化利用勢在必行,如結合粉煤灰使用碳酸鈣技術制作覆蓋材料。但是傳統(tǒng)底泥利用方法耗費巨大的人力物力,且不能保證有效防止污染,探索一種無污染的高效利用方法成為必然選擇。
1.1.1 上覆水曝氣技術。通過充氧,改善水質(zhì),對氧化硫化物的去除率高達90%,也有一定的吸附態(tài)氨氮功能。
1.1.2 覆蓋技術。在底泥上覆蓋隔絕材料,吸附重金屬,如使用天然富含鈣的黏土礦物、生物炭、脫堿赤泥、粉煤灰等。
1.1.3 電動力學技術。通過直流電場驅(qū)動陰陽離子向陰極和陽極遷移,主要用于去除重金屬。
1.1.4 生物修復技術。培植水生植物,實現(xiàn)除臭和去除重金屬,如荷花、睡蓮等。馴化土著微生物,如使用沸石去除氨氮磷等有機質(zhì)。
1.1.5 異位修復技術,進行疏浚脫水,將底泥從河道中清出。
1.2.1 農(nóng)林利用。鑒于底泥中含大量有機質(zhì),施用在農(nóng)田中,可以提升土壤肥力,但是容易造成重金屬污染,也容易造成土壤氮、磷的過度堆積。不過,如果利用得當,底泥中的一些金屬元素也可以促進作物生長。為解決這一問題,一般可進行好氧堆肥處理,將底泥中的污染物分解,降低重金屬遷移。
1.2.2 填方材料。用于路基填筑、筑堤護岸和回填工程等。如加入煤灰粉等固化劑用于堤防建設,但需要灑水養(yǎng)護。對輕污染底泥進行處理能夠用于路面土方工程。在一些強度不高的填方工程中,也可利用固化底泥進行回填,實現(xiàn)資源節(jié)約。
1.2.3 建筑材料。這是當前利用的重點方向,如混凝土骨料、陶粒、底泥磚、泡沫混凝土等。硅酸鹽水泥和熱處理底泥能夠制備新型水泥,但是養(yǎng)護期更長。與鋼渣和適量爐渣結合,在高溫條件可以燒結成輕質(zhì)骨料,重金屬含量也大大降低。底泥摻70%左右,可以制作陶粒,有固化重金屬的作用。底泥也可以燒制黏土磚,在15%左右效果好,適當配比,壓強度能達到30 MPa。85%底泥加入玻璃粉等改性劑,也能制作出強度較好的磚。河道底泥還可以制備多孔凈水材料,用于生物濾池,鹽去除率較高。此外,底泥在填充墻、生產(chǎn)保溫板、現(xiàn)場澆筑外墻等生產(chǎn)方面也有應用。
全球范圍內(nèi),每年產(chǎn)生數(shù)億噸河道底泥,堆放和土地利用處理方式容易造成二次污染,因此將其制備成建筑材料就是一個很好的選擇。但是傳統(tǒng)高溫燒結方式能耗巨大,制備鋪路磚、填充塊等方式添加比例低,不足以消納巨大存量。因此,探索輕質(zhì)建材的利用途徑成為必然選擇。泡沫混凝土等輕質(zhì)材料具有多孔、質(zhì)輕、低能耗和良好的保溫隔熱性能等優(yōu)勢,與河道底泥的微孔特性相符合,具有加工優(yōu)勢,既能實現(xiàn)大量消納底泥,又能減少河砂過度開采。
選擇大量堆積的河道底泥,含水率為70%,風干后將其破碎為2 mm左右的顆粒。其中含量以SiO2和Al2O3為主,也含有Cr、Cd、Cu和Zn等成分。購買普通硅酸鹽水泥、高效減水劑、發(fā)泡劑等材料。
調(diào)整干物質(zhì),包括水泥和煤灰粉等。控制水料比為0.45,以450轉(zhuǎn)/min的速度攪拌,1 min后加入高效減水劑,以改善其可加工性。1 min后將1∶45的蛋白質(zhì)發(fā)泡劑水溶液泡沫與之混合。此后以300轉(zhuǎn)/min的速度繼續(xù)攪拌,25 s左右后注入磨具。靜置1天后養(yǎng)護4周左右,溫度在23℃左右,濕度為95%左右。以50%底泥作為最佳摻量,將泡沫摻量控制為54%、孔隙率為45%,保持流動度在240~260 mm之間。
加入石灰、粉煤灰、微硅粉等摻料,提高建材性能。生石灰遇水反應可以吸附Na+、K+等離子,形成較大的團聚體,從而增加建材的強度。Ca(OH)2可以發(fā)生火山灰反應,從而生產(chǎn)水化產(chǎn)物。粉煤灰也能夠發(fā)揮這一作用。微硅粉既能夠填充有害孔隙,也能夠與水泥反應形成水化產(chǎn)物。在工藝中,為減少水泥用量,提高機械性能,可適當減少石灰和煤灰粉的比例,加入10%微硅粉,其性能最佳。
加入偏硅酸鈉、水玻璃、生物炭等改性劑。水玻璃能夠提升水泥固化土的強度,偏硅酸鈉能夠改善混凝土性能,生物炭有吸附污染物的能力,改善輕質(zhì)建材的相容性和孔結構,其低導熱性和材料多孔性能夠改善混凝土的熱和聲學性能,還能夠有效提升機械強度。在改性劑添加中以生物炭為主,與水及適量減水劑混合,進行攪拌,超聲溶解30 min,使之均勻分散。將生物炭的用量控制在1%之內(nèi),可采用大麥草生物炭等物質(zhì),牛糞生物炭效果更好,因此其更為輕質(zhì)。同時,高溫生物炭pH值耕地含氧官能團少,孔隙結構好,更有利于水化反應。
目前,傳統(tǒng)建筑材料主要采用砂石,造成了大量的開采和資源環(huán)境破壞,采用河道底泥能夠?qū)崿F(xiàn)替代作用,在經(jīng)濟上也更為節(jié)約。有效地避免了土壤資源的浪費,實現(xiàn)了廢物利用。另一方面,底泥自身性狀優(yōu)良,不但可以在一些建筑領域代替黏土,而且本身具有小孔的特征,可更好地發(fā)揮冬暖夏涼的功能,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的目的。底泥輕量化建筑材料加工不僅有利于降低河道污染,而且對陸地環(huán)境污染也小于傳統(tǒng)混凝土加工,資源消耗潛勢低,更加節(jié)約能源。特別是對海洋河流污染改善效益最大,如果應用得當,改善效應高達40%,也抑制了土壤酸化,降低了生態(tài)污染。
輕質(zhì)化建材能更好地發(fā)揮重金屬封裝效應,減少重金屬污染,本文提出的泡沫混凝土技術,生物炭可以吸附重金屬,底泥可通過物理封裝和發(fā)生化學沉淀固定底泥。經(jīng)過28天固化,重金屬浸出大大減少,比如Cu、Ni、Zn、Cd、Pb和Cr等,都遠低于原有排放量。二氧化硅中的硅能夠吸附重金屬,加入改性材料之后固化能力增強,對于降低河道重金屬污染和轉(zhuǎn)移有著重要的作用。
傳統(tǒng)加工方式土地成本、開采成本和資源成本都較高,加上運輸成本上升,微硅粉成本上升以及減水劑成本增加,材料成本將會大幅上升。同時,處理底泥又需要大量的環(huán)保投入,而變廢為寶,實現(xiàn)資源化利用,不僅減少河砂和黏土采集的成本,減少了水泥等材料的使用,可減少環(huán)保投入的壓力,又創(chuàng)造了新型建材市場的效益。河道得以疏浚的同時,城市固廢也大量削減,比如,每天制備70 m3輕型建筑材料,就可以消納30 t底泥,減少了由于建筑廢棄物處理造成的一系列經(jīng)濟連鎖反應和問題。
將河道底泥作為輕質(zhì)建筑材料加以利用,有著巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益.而且重金屬固化作用非常顯著,大大改善了河道污染環(huán)境,也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益,為建筑行業(yè)低碳發(fā)展提供了思路。因此在未來的資源化利用中,應加大這方面的研究。