（環(huán)境工程專業(yè)論文）河道底泥制備陶粒的研究.pdf

東華大學碩士學位論文摘要 河道底泥制備陶粒的研究 摘要 隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，河道的污染越來越嚴重，且產(chǎn)生了 大量污染底泥。如對底泥處置不當，很容易引起二次污染問題。目前， 我國河道底泥的處理處置方式主要以固化填埋和土地利用為主，但這 些處理處置方式都存在著一些問題。因此，開辟一條新的底泥資源化 利用途徑顯得尤為重要。 本文對上海新涇港河道底泥的主要化學成分、粒徑分布、礦物成 分以及重金屬含量的進行了分析，結果表明河道底泥的主要化學成分 同粘土類原料比較接近，這為河道底泥制備陶粒提供了有利的依據(jù)； 河道底泥中重金屬含量和浸出液濃度均較高，但對其c u 、z n 、p b 、 c d 、c ，、h g 的分析結果表明底泥樣品還不屬于危險廢物。 綜合考慮原料的化學組成及燒制陶粒對原料化學組成的要求，本 文確定了以河道底泥、生活污泥、廣西白泥和水玻璃為原料制備底泥 陶粒。通過正交試驗確定了制備底泥陶粒的最佳工藝條件和配方，即 河道底泥：廣西白泥：生活污泥：粘結劑= 1 0 0 ：2 0 ：1 5 ：6 ，燒成溫度為 1 1 4 0 ，保溫時間為9 m i n 。同時通過單因素實驗，研究了生活污泥 添加量、粘結劑添加量和燒成溫度對底泥陶粒的比表面積、堆積密度、 表觀密度、空隙率和吸水率的影響趨勢。按試驗確定的最佳工藝條件 進行實驗，所制備的底泥陶粒其比表面積3 6 7m 2 g - 1 ，堆積密度7 1 0 k g r n 一，表觀密度1 51 7 蠔m 3 ，空隙率5 3 ，筒壓強度在3 m p a 以 上，與同類產(chǎn)品相比具有比表面積大，堆積密度低，空隙率高的優(yōu)點。 摘要 對自制底泥陶粒的性能進行了系統(tǒng)測定和分析，重點研究了底泥 陶粒的技術性能、形貌特征、重金屬的浸出率和吸附性能，分析表明 自制的底泥陶粒可作為生物膜載體應用于污水處理中，所含的重金屬 經(jīng)過高溫燒結，已經(jīng)固化在底泥陶粒中，活動能力已經(jīng)大大降低，不 會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，且其對有機物和氨氮有較強的吸附性能，但 對純?nèi)玖蠌U水色度的吸附能力不是太理想。 對自制底泥陶粒的效益分析表明，利用河道底泥制備底泥陶粒， 具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，開辟了一條河道底泥處 理、處置和資源化利用的新途徑。 關鍵詞：河道底泥，資源化，陶粒，重金屬 i i s t u d yo nt h ep r o d u c t i o no fc e r a m i s i t e u s i n gr i v e rs e d i m 哐n t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn a t i o n a li n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，t h e p r o b l e mo fr i v e rp o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a tt h es a m e t i m e ，al o to fr i v e rs e d i m e n tp o l l u t e da r ep r o d u c t e d i fn o tp r o p e r l yt r e a t e d ， t h es e d i m e n tm a yr e s u l ti ns e c o n d a r yp o l l u t i o n a tp r e s e n t ，t h ed i s p o s a l a n dr e c y c l eo ff i v e rs e d i m e n tm a i n l yc e n t e r sa r o u n db u r ya n dl a n du s ei n o u rc o u n t r y ，h o w e v e r ，t h ed r a w b a c k so ft h e s em e t h o d sa r e o b v i o u s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pan e ww a yo ft h er e u t i l i z a t i o n o fr i v e rs e d i m e n t t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，m i n e r a lc o m p o n e n t a n dh e a v ym e t a l si nt h ef i v e rs e d i m e n tf r o ms h a n g h a ix i n j i n gg a n ga r e a n a l y z e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em a i nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa r e s i m i l a rt ot h eo n eo fc l a yr a wm a t e r i a l s ，w h i c hp r o v i d ep o s s i b i l i t yo f r e u t i l i z a t i o nf i v e rs e d i m e n t h e a v ym e t a l sc o n t e n ti nt h ef i v e rs e d i m e n t a n dc o n c e n t r a t i o ni nt h el e a c h a t ea r ev e r yh i g hb u tn o tr e a c h i n gt h el e v e l o fh a z a r dw a s t e c o n s i d e rs y n t h e t i c a l l y ，r i v e rs e d i m e n t ，s e w a g es l u d g e ，g u a n g x i b a i n ia n dw a t e rg l a s sa r ec h o s e nt ob et h er a wm a t e r i a l so ft h ec e r a m i s i t e t h r o u g h o r t h o r h o m b i ce x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lt e c h n i q u ec o n d i t i o n sa n d i i i 東畢大學碩 ：學位論文 摘要 b a t c hf o r m u l af o rp r o d u c t i o no fc e r a m i s i t ei sd e t e r m i n e d ，n a m e l yr i v e r s e d i m e n t ：g u a n g x ib a i n i ：s e w a g es l u d g e ：w a t e rg l a s s 2 1 0 0 ：2 0 ：1 5 ：6 ， s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e 1 14 0 。c ，s i n t e r i n gt i m e9m i n a tt h es a m et i m e ， e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，s e w a g es l u d g ec o n t e n ta n da d h e r e n t c o n t e n tt ot h ec h a r a c t e r so fc e r a m i s i t e ，w h i c ha r es p e c i f i cs u r f a c ea r e a ， p a c k i n gd e n i s t y ，a p p a r e n td e n i s t y ，p o r o s i t ya n dw a t e ra b s o r p t i o nr a t e ，a r e s t u d i e dt h r o u g h s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t i nl a b o r a t o r y ，h i g h - q u a l i t y s e d i m e n tc e r a m i s i t eh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r o d u c e da c c o r d i n gt ot h e o p t i m a lt e c h n i q u ec o n d i t i o n s i t sp a c k i n gd e n s i t yi s7 10 k g m 3 ，a p p a r e n t d e n i s t yi s 1517 k g m ，p o r o s i t yi s5 3 a n dt u b es t r e n g t hi sm o r et h a n 3 0 m p a c o m p a r e dw i t ho t h e rc e r a m i s i t e ，i th a sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s t h ep e r f o r m a n c e so fr i v e rs e d i m e n tc e r a m i s i t ei st e s t e da n da n a l y z e d ， w h i c hi n c l u d ei nt e c h n i c a l p e r f o r m a n c e ，m o r p h o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ， e x t r a c t i o nr a t eo fh e a v ym e t a l sa n da d s o r p t i v ec a p a c i t y t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fb i o f i l mc a r r i e ra n dc a nb e a p p l i e dw i d e l yt ow a s t e w a t e rt r e a t m e n t b yh i g ht e m p e r a t u r es i n t e r i n g ， h e a v ym e t a l sh a v ea l r e a d ys o l i d i f i e di nc e r a m i s i t e ，s oi td o s en o tr e s u l ti n s e c o n d a r yp o l l u t i o n m o r e o v e r , i th a sa l s ov e r yg o o da d s o r p t i v ec a p a c i t y t oo r g a n i cm a t t e ra n da m m o n i a n i t r o g e n a n a l y s i so ft h ep r o d u c t i o no fc e r a m i s i t eu s i n gr i v e rs e d i m e n ts h o w t h a ti tc a nb r i n gr e m a r k a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s ，e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s a n ds o c i a lb e n e f i t s t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c t i o no fc e r a m i s i t eu s i n gr i v e r s e d i m e n ti san e we f f e c t i v ea p p r o a c hf o rd i s p o s a lo fr i v e rs e d i m e n t k e yw o r d ：r i v e rs e d i m e n t ，r e u t i l i z a t i o n ，c e r a m i s i t e ，h e a v ym e t a l s 東華大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學術道德，崇尚嚴謹學風。所呈交的學位 論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除 文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對 所寫的內(nèi)容負責，并完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：張囝鋒 日期：扣卯年f 月2 日 東華大學學位論文版權使用授權書 學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同 意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允 許論文被查閱或借閱。本人授權東華大學可以將本學位論文的全部或 部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復 制手段保存和匯編本學位論文。 保密口，在年解密后適用本版權書。 本學位論文屬于 不保密函。 學位論文作者簽名：撒國韋 日期：硎7 年j 月2 6 日 指導教師簽名：關旦之 日期：矗護哆年p 陰彤e l 東華大學碩上學位論文 河道底泥制備陶粒的研究 1 1 河道底泥的產(chǎn)生及危害 第一章前言 河道底泥是各種來源的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)一系列物理、化學及生化作用，沉積于河 底，形成疏松狀、富含有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽的灰黑色淤泥。污染物通過大氣沉降、廢 水排放、雨水淋溶與沖刷進入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，使底泥受到 嚴重污染。 污染底泥具有含水量高，粘土顆粒含量多，強度低，成分復雜且具有明顯的層 序結構。以上海的蘇州河為例川，其底泥具有明顯的層序結構，表層為黑色浮泥 層，中部為黑色近代沉積層，下層為灰黃色的原始沉積層。表層流動浮泥層厚度 約為0 2 0 3 m ，呈黑色絮凝狀，含水量很高，粒徑較細，以粉砂、粘土為主， 置于水中稍加攪動就能再懸浮，使清水變黑。故浮泥層是蘇州河底泥中最易污染 上覆水體的部分。中部黑色污泥層厚度約為0 5 , - - - 2 5 m 間，有機污染嚴重，重金 屬含量高，成分復雜，有明顯臭味；底部為原始沉積層，污染少，含水量較低。 工業(yè)化的快速發(fā)展，使排放的大量難降解污染物相當一部分積累在水體底泥 中，對水生態(tài)系統(tǒng)構成長期威脅。在污染源控制達到一定程度后，底泥中的污染 物又會釋放，成為水體污染的主要來源。美國e p a 在1 9 9 8 年的調(diào)查報告中指出， 美國已發(fā)生的2 1 0 0 起事件聲稱魚類消費中的問題，多次證實污染來自底泥【2 】。在 我國，也己發(fā)現(xiàn)并證實了水體底泥具有生物毒性，如樂安江在2 0 - - - 1 9 5 k m 段沉積 物均顯示出毒性1 3 】。 水體底泥污染，是世界范圍內(nèi)的一個環(huán)境問題。底泥的污染歸根結底是對水 體的污染和底棲生物的危害等。( 1 ) 對水體的污染：底泥中累積了大量的有毒、 有害、有機和無機污染物，通過與上覆水體間的物理、化學和生物交換作用，底 泥中的污染物在適當條件下會重新釋放，成為影響和制約上覆水質(zhì)的主要二次污 染源。在水體環(huán)境發(fā)生變化的時候，底泥中的營養(yǎng)源可能會重新釋放出來進入水 體，造成水體富營養(yǎng)化，使水體水質(zhì)惡化。( 2 ) 對底棲生物的作用：污染的底泥 可以影響小型動物的生長，例如棲息于水體底部的蠕蟲、甲殼類、昆蟲幼體等， 東畢大學碩j ：學位論文河道底泥制各陶粒的研究 有些毒性很強的底泥還可能會殺死深海有機物，造成食物鏈的部分缺失，進而破 壞整個水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。底泥中有些污染物還會被深海中的有機體吸收，即所謂 的生物蓄積作用，當高一級的動物食用了這些有機體后，有毒物質(zhì)得以傳遞，有 毒物質(zhì)在食物鏈中的傳遞則會產(chǎn)生生物放大作用，結果魚類、貝類、水禽、淡水 和海洋哺乳動物，甚至深海有機體都被污染底泥所影響。不能承受底泥中的有毒 物質(zhì)的物種自然慢慢死亡，使生物多樣性減少，生存下來的物種會產(chǎn)生嚴重的健 康問題，如濫鰓病、瘤和生殖系統(tǒng)疾病等。當污染物的生物放大作用發(fā)生于一些 食用動物中時，例如娃魚、大馬哈魚、鴨子等，就會對人類的健康造成很大威脅。 1 9 9 8 年美國魚類消費數(shù)據(jù)庫公布了2 5 0 6 種水產(chǎn)物，長期食用受污染的魚類可能誘 發(fā)癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。 1 2 河道底泥的主要污染和評價方法 1 2 1 河道底泥中主要污染物 就底泥污染物的種類而言，主要有以下幾個方面【4 】： 1 、重金屬，包括m n 、p b 、c d 、z n 、h g 、c r 、c u 、z n 等。重金屬通 過吸附、絡合、沉淀等作用而沉積到底泥中，同時與水相保持一定的動態(tài)平衡。 當環(huán)境條件發(fā)生變化時，重金屬極易再次進入水體，成為二次污染源。 2 、營養(yǎng)元素。經(jīng)各種途徑進入水體的n ，p 等營養(yǎng)元素，相當一部分沉積到 底泥中。水生植物的生長會吸收部分營養(yǎng)成分，但大部分仍與水體保持動態(tài)平衡。 當水體污染源得到一定控制后，n 、p 則可能主要來自底泥的釋放，嚴重時可造 成水體富營養(yǎng)化。 3 、難降解有機物。聚芳香碳氫化合物( p a h ) 、聚氯聯(lián)苯化合物( p c b s ) 等有 機物，由于疏水性強、難降解，在底泥中大量積累。通過生物富集作用，有毒有 機物可以在生物體內(nèi)達到較高的水平，從而產(chǎn)生較強的毒害作用，通過食物鏈還 可能危害到人類。 4 、持久性有毒污染物( p t s ) 。底泥中的p t s 類污染物能夠通過生物富集作用 在生物體內(nèi)達到較高的濃度，從而對生物體產(chǎn)生較強的毒害作用。這些污染物還 能夠通過水一泥界面的遷移轉化作用重新進入水體，并通過復雜的污染生態(tài)化學 過程，即在氣一水一生物底泥等多介質(zhì)環(huán)境體系中的遷移、轉化和暴露，在人 2 東華大學碩士學位論文 河道底泥制備陶粒的研究 和動物體內(nèi)大量累積，影響人和動物的生殖系統(tǒng)健康，從而對人類未來的生存發(fā) 展構成嚴重威脅【5 6 】。 1 2 2 污染底泥的評價方法 7 0 年代以前，國際上對水環(huán)境質(zhì)量的評價只側重從水相和生物相方面進行， 隨著對河流沉積物結合污染物問題研究的深入，人們逐步認識到沉積物污染評價 的重要性，特別是沉積物中重金屬的污染程度。通過多種途徑進入水體的重金屬 絕大部分迅速地轉移入沉積物中，沉積物中重金屬的含量能明顯地反映水體被重 金屬污染的程度。經(jīng)總結，沉積物中重金屬污染水平的評價方法主要有四種【_ ， 即地累積指數(shù)法( i g e o ) ，沉積物富集指數(shù)法( s e f ) ，次生相與原生相分布比值法 ( r s p ) 和次生相富集系數(shù)法( p e f ) 。這四種評價方法的特點和適用范圍見表1 1 。 表1 1 四種方法的特點和適用范圍 地累積指數(shù)法沉積物富集系數(shù)法 次生相與原生相 次生物相富集系數(shù)法 評價方法 分布比值法 ( 1 9 e o ) ( s e f ) ( p e f ) ( r s p ) 以顆粒物中重 以a l 作參比消除在較小區(qū)域范 以當?shù)厍鍧嶞c為參比 金屬含量高低 不同區(qū)城條件對重 圍，該比值可表 消除區(qū)域條件差異， 方法意義金屬含量的影響，示顆粒物中外源 可對不同區(qū)域河流顆 反映污染水平粒物中外源重金屬的 反映顆粒物中重金重金屬的富集程 屬富集程度度 富集程度進行對比研 究 需重金屬含量 需測定所有樣品 需重金屬在次生需所有樣點( 包括當 所需資料( 包括各處對照點) 相和原生相中的地清潔參比點) 次生 數(shù)據(jù)含量或卣分含量相與原生相分布比數(shù) 重金屬和a l 的含量 數(shù)據(jù)據(jù) 不能反映重金屬來源、化學活性和生 從重金屬來源、化學活性和生物可利用性 主要缺點考慮顆粒物中重金屬污染程度，更為合理 物可利用性 完善 另外，方宇翹等【8 1 應用底泥中污染物釋放至水相的邊界環(huán)境為研究對象，以 地面水水質(zhì)標準為環(huán)境基準基礎，擬定出蘇州河的底泥評價分級標準，見表1 2 。 表1 - 2 底泥污染類型分級依據(jù) 污染類型未污染底泥污染底泥重污染底泥 地表水標準 三級標準 東華人學碩l 學位論文河道底泥制各陶粒的研究 根據(jù)以上標準，對上海蘇州河底泥的黃渡斷面、上游市區(qū)周家橋斷面、中游 西康路斷面和下游西藏路斷面的評價發(fā)現(xiàn)：蘇州河底泥除未酚受污染外，市區(qū)段 底泥已受到不同程度的污染。其中底泥耗氧速率s o d 指標從黃渡斷面開始已屬于 污染類型級別，至市區(qū)中游段西康路斷面以下已達重污染類型。b o d 5 、c o d c r 、 k t n 、油指標除了市郊黃渡對照斷面至上游周家橋斷面未受污染外( k t n 至市區(qū) 上游斷面已受到污染) ，至市區(qū)中游西康路斷面己受到污染，到下游西藏路斷面 已超過重污染類型級別。蘇州河支流中的底泥，除遠郊( 封浜) 未受污染外，近郊 支流僅有個別指標受到污染( 華槽的c o d c r 、申紀港的b o d 5 、s o d ) 。至市區(qū)上 游段的支流除酚指標外，均受到污染，其中新徑港的c o d c r 、b o d 5 、s o d ，木 讀港的油、s o d 、b o d 5 、k t n 均己達到重污染級別。到市區(qū)中游段的支流，除 彭越浦的油未受污染，彭越浦的k t n 及真如港的酚己受污染外，均屬于重污染類 型的底泥。 1 3 污染底泥對上覆水體的二次污染 在控制污染源之后，河流水質(zhì)相對清潔時，影響水質(zhì)的重要因素之一就是底 泥釋放對上覆水體水質(zhì)的二次污染作用。在受污染的水體中，如果底泥的污染嚴 重，則底泥中的有機物、重金屬以及營養(yǎng)元素的釋放就成為是水體的一個重要的 污染源。底泥所產(chǎn)生的二次污染，會使水質(zhì)惡化程度加重。 1 3 1 有機物的釋放機制 底泥中有機物在細菌作用下，易發(fā)生好氧性和厭氧性兩種分解過程，前者消 耗水中的溶解氧，后者則產(chǎn)生有機酸、二氧化碳、甲烷、氨、硫化物等有害物質(zhì)。 當?shù)啄嘤伤w下部向上部溢出時，會發(fā)生降解作用，進一步消耗水體中的溶解氧， 加劇水質(zhì)的黑臭程度。如穿越上海市區(qū)的蘇州河1 1 l ，在一定流速條件下，底泥的 作用可使水中c o d c r 增加1 5 - 一6 7 m g 1 ，這樣，底泥就成為潛在的污染源。根據(jù)水 利部門1 9 9 7 年的測算，當時蘇州河污泥淤積厚度約1 0 - - 3 0 m ，底泥淤積量較大 的河段主要在黃渡以下，約3 1 5 k m ，合計污泥量約1 2 0 萬m 3 。據(jù)計算，蘇州河底 泥的污染物釋放量分別是：c o d e r ：1 8x 1 0 4 t d ：b o d s ：0 3 1 0 4 t d ：n h 3 一n ：0 2 1 0 t d ；油：o 0 1 l x l 0 4 t d ：( 另有一說法是蘇州河底泥造成的污染負荷大約為 4 東華大學碩 學位論文河道底泥制備陶粒的研究 c o d e r ：2 0 t d ，b o d 5 ：8 t d ，n h 3 - n 5 t d n ) 。在蘇州河水污染較嚴重時，底泥 與河水之間存在著一種吸收和釋放的動態(tài)平衡，污染物釋放影響尚不明顯，隨著 污水截流工程的開展，河水污染物含量減少，底泥中污染的釋放量就將增加，這 樣底泥對河水的二次污染將同趨嚴重。 研究表明，吸附在底泥顆粒上的污染物只有在與孔隙水發(fā)生交換后，或底泥 顆粒分散懸浮于水流中，才能向河流釋放污染物，并形成二次污染，其污染過程， 特別是黑色富集層的污染釋放過程將延續(xù)很長時間，污染物的釋放速率也相應地 隨時間而緩慢下降。如果河流的水質(zhì)因其它原因暫時惡化，仍可能使底泥污染物 含量再度上升。由此可見，底泥的二次污染是河流治理控制規(guī)劃中必須加以重視 的問題。 底泥二次污染作用的影響因素主要有：河流流速、底泥污染程度、河段流量 和底泥面積。根據(jù)蘇州河當時的水文狀況和污染狀況，經(jīng)計算，僅浙江路橋到長 壽路橋河段的底泥，就會使上覆水體b o d 濃度增加1 3 m g 1 ，c o d 增加3 9 6 m g l 。 研究表面，底泥對河流的二次污染不容忽視，必須采取一定的措施才能使底泥對 上覆水的影響降低到可忽略的程度，否則，僅蘇州河市區(qū)段底泥的影響就將使河 流的水質(zhì)狀況下降約兩個等級，使水質(zhì)劣于國家v 類地面水標準。 1 3 2 重金屬的作用機制 底泥中的重金屬釋放到上覆水體中，會造成二次污染，其影響因素主要有【l o 】： 可交換離子的加入；主要水化學性質(zhì)的改變；水體p h 值的變化等。許多研究表 明，重金屬從沉積物中釋放的機制j 主要為：溶解作用；陽離子交換作用；解吸 作用。同時，一些環(huán)境因子如p h 、離子強度、其它重金屬存在時的競爭作用都 會影響沉積物中金屬污染物的釋放過程。如圖1 1 所示。 一般情況下，沉積物中重金屬的釋放量隨著反應體系p h 的升高而降低。其 原因既有h + 離子的競爭吸附作用，也有金屬在低p h 條件下，致使金屬難溶鹽類 以及絡合物的溶解等。因此，在受納酸性廢水的排放的水體中，水中重金屬濃度 往往很高：離子強度對金屬釋放作用的影響，一般為離子強度越大，離子的化合 價越高，其影響也越大。 張淑香【1 2 】等對二道坊河的河道沉積物中鉛的存在形態(tài)進行了研究。鉛在沉積 東華人學碩i j 學位論文河道底泥制備陶粒的研究 物的主要存在形態(tài)有鐵錳氧化物相、殘渣相、有機相、碳酸鹽結合相、可交換相 等。鐵錳氧化物相鉛很容易在還原條件下釋放出來，成為水質(zhì)鉛污染的潛在污染 源。鉛各形態(tài)的含量主要受總鉛、總鐵、有機質(zhì)、比表面、粘粒、粉粒、游離鐵 氧化物、無定形鐵、鋁氧化物影響，與陽離子交換量、總錳及游離、無定形氧化 錳、p h 值、游離氧化鋁的含量關系不大。 沉積物 圖1 1 金屬在水一沉積物之間的反應機制示意圖 1 3 3 氮和磷的釋放特征 底泥中氮和磷的釋放機理不同【1 3 1 引，前者取決于含氮化合物分解的程度，而 后者與其化學沉淀的形態(tài)有關。 含氮化合物在細菌的作用下可以相互轉化，不同形態(tài)的氮，其釋放能力不同， 溶出的溶解態(tài)有機氮在沉積物表面的水層進行擴散。但是由于表面的水層含氮量 不同，溶出情況也不同。在厭氧條件下，溶出的總氮中絕大部分是氨態(tài)氮，而在 好氧狀態(tài)下，水體中的氮大部分是以硝態(tài)氮形式溶出，且溶出速度比厭氣性為快。 沉積物中的磷主要是有機態(tài)的正磷酸鹽占大部分。一旦出現(xiàn)利于鈣、鋁、鐵 等不溶性磷酸鹽沉淀物溶解的條件，磷就釋放。底質(zhì)中磷的積累與釋放是比較復 雜的動態(tài)過程，與磷的存在形式、氧化還原電位、溶解氧、溫度、p h 值、生物以 及水體的擾動等因素有關。一般而言，水體中的溶解氧越高，有利于磷的吸附， 而溶解氧越低，有利于磷的釋放：水體中的p h 值接近中性時，在其它條件不變時， 6 東華人學碩l - 學位論文 河道底泥制各陶粒的研究 磷釋放量較小，而在酸性或堿性范圍內(nèi)磷釋放量較大；水體的擾動可以使底泥中 顆粒磷在懸浮，同時也加速了底泥間隙水中磷的擴散，從而增加磷的釋放；溫度 升高，磷的釋放增加。 因此，在適宜的條件下，底泥中的氮、磷會重新釋放到水體中，造成二次污 染，延續(xù)水體的富營養(yǎng)化過程從而加劇水體的惡化。 1 4 河道底泥治理的目的和意義 隨著城市規(guī)模的日益擴大和工業(yè)的迅速發(fā)展，城市周圍的河道不但河水污染 嚴重，而且底泥也受到嚴重污染。許多專家認為【1 9 】彳艮多受污染的水體其底泥已經(jīng) 受到污染，而且日益成為嚴重的問題。我國目前有9 0 的城市河湖受到嚴重污染， 而底泥污染是河湖水體污染的一個重要污染源1 2 0 1 。污染底泥中有重金屬、有機質(zhì) 分解物和動植物腐爛物，即便在其他水污染源得到控制的情況下，底泥仍可對河 流產(chǎn)生二次污染，使河流水質(zhì)惡化，嚴重時造成水體富營養(yǎng)化。因此，在受污染 河道的治理中，對河道底泥的治理就顯得尤為重要。 河道底泥治理的目的可以概括為：( 1 ) 徹底清除河道底部淤積的底泥，將底 泥內(nèi)蓄積的污染物清除出河道，減少底泥對河流水質(zhì)的潛在影響，改善河流的污 染狀況，逐漸恢復水體生態(tài)系統(tǒng)。( 2 ) 通過河道底泥疏?？梢杂行У馗纳坪恿魉?質(zhì)，從而提高河道的景觀娛樂功能。( 3 ) 能有效拓寬河道，改善河道過水能力， 提高河道的排洪能力和航運能力。 河道底泥的治理對污染物去除、生態(tài)系統(tǒng)修復和重建具有十分重要的作用 1 2 ，世界上已有許多成功例子。例如，日本東京市內(nèi)的隅m ) l l t 2 2 1 曾于1 9 5 8 年清 除河床污泥4 0 0 萬m 3 ，再加上引水沖污等措施，使水質(zhì)迅速得以恢復。莫斯科河 采取先引水沖污，然后挖除8 0 0 萬m 3 底泥，最后再鋪上細砂和石頭的措施，徹底 改變了莫斯科河的污染狀況。瑞典t r u m m e n 湖在清除表層l m 富含營養(yǎng)物的底泥 后，水深增加了1 1 1 7 m ，總磷濃度迅速下斛2 3 】。1 9 9 9 年上海市全年投入河道 治理資金9 4 億元，整治河道8 8 1 2 條( 段) ，總長7 3 3 5 k m ，清除垃圾、水生植物3 1 5 萬t ，疏浚淤泥2 8 8 6 萬m 3 ，新建綠化1 3 6 ) j m 3 ，2 0 0 1 年全市中小河道因地制宜地建 成了一批水質(zhì)改善型、濱河景觀型、生態(tài)環(huán)境型的樣板河段；重點推進了淀浦河 以北、蘊藻派以南的骨干河道整治，以及中心城區(qū)主要河道“面清、岸潔 和郊 7 東華人學碩l j 學位論文 河道底泥制備陶粒的研究 區(qū)縣級以上河道“面清、岸潔、有綠”的長效管理。累計整治河道1 0 0 6 9 條( 段) ， 總長度達7 3 9 8 1 m ，新增河道岸邊綠化2 9 4 ) - i m 2 ，疏浚淤泥7 5 6 2 萬m 3 。通過這些整 治措施，2 0 0 1 年上海市蘇州河及支流水質(zhì)呈穩(wěn)定改善的趨勢，水體生態(tài)系統(tǒng)逐漸 得到恢復，并且出現(xiàn)了4 種魚類。 1 5 國內(nèi)外底泥處理與處置及資源化研究進展 1 5 1 底泥的處理與處置方法 河道底泥的污染歸根結蒂是對水體的污染和底棲生物的危害。如果能消除其 對水體和底棲生物的作用，則能有效降低污染底泥的環(huán)境影響。因而，底泥污染 的控制既可采用固定的方法阻止污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移，也可采用各種處理 方法降低或消除污染物的毒性，以減小其危害。目前，底泥處置方式主要有原位 處置和異位處置兩種。 1 5 1 1 原位處置技術 原位處理是底泥不疏浚而直接采用物理化學或生物的方法減少受污染底泥 的容積，減少污染物的量或降低污染物的溶解度、毒性或遷移性，并減少污染物 的釋放控制和修復技術。目前，原位處理技術主要有底泥氧化技術、覆蓋技術、 上覆水充氧技術、原位生物修復技術等。 1 、底泥氧化技術 底泥氧化技術是將氧化藥劑注入底泥內(nèi)部。氧化其中有機物并脫氮，將亞鐵 轉化為三價鐵( 氫氧化鐵) ，使磷與氫氧化物緊密結合起來，從而達到控制內(nèi)源性 磷的目的。底泥氧化技術被視為是一種代替鋁鹽的鈍化處理技術，它同鋁鹽的鈍 化技術相比較，有不容易影響水體生物、氧化技術效果更加長久的優(yōu)點。常用的 藥劑包括硝酸鈣、氯化鐵和石灰。底泥氧化適用于鐵氧化還原控制內(nèi)源性磷的情 況。不適于底泥高p h 和高溫度控制內(nèi)源性磷的情況【2 4 1 。 2 、原位覆蓋技術 原位覆蓋是將粗沙、土壤甚至未污染底泥等均勻沉壓在污染底泥的上部，以 有效地限制污染底泥對上覆水體影響的技術【2 引。原位覆蓋主要是將污染沉積物與 底棲生物，用物理性的方法分開并固定污染沉積物，防止其再懸浮或遷移；降低 8 東華人學碩l 二學位論文河道底泥制備陶粒的研究 污染物向水中的擴散通量。但在覆蓋的同時也降低了水深或湖泊的庫容，對底棲 生態(tài)系統(tǒng)有較大影響。目前覆蓋法在日本k i h u m u 湖和a k a n c i 灣、美國華盛頓 s i p m s o n - - t a c o m a 海濱、加拿大安大略省h a m i l t o n 港等近海、河1 3 等地已成功使 用。 3 、上覆水充氧技術 原位上覆水充氧技術就是對水體充氧，使水體保持一定的溶解氧，阻止或抑 制底泥釋放污染及對上覆水體的影響。目前，國內(nèi)外治理河湖污染的增氧措施主 要有液態(tài)氧經(jīng)多孔橡膠管向水底增氧；旋槳負壓吸氧并隨水射入水體；噴射引氧 與振蕩射流擴散相結合的充氧技術。m a s a n o b ui s h i k a w a 等人用數(shù)學模型的方 式驗證了磷酸的釋放量同上覆水中的溶解氧水平呈線性遞減關系。向水體底部充 氧可以使水體中的硫化物轉化為無毒的硫酸根，水的顏色變清，臭味消失；使近 表層沉積物中的部分有機物可以轉化為簡單的、無害的、小分子的無機物，可改 善水底生物的棲息環(huán)境，提高魚蝦等水生動物供氧水平。白曉慧等人通過對模擬 河道充氧的實驗【2 7 1 ，發(fā)現(xiàn)停止充氧后，水體中有機物不會很快上升，反而會繼續(xù) 有所下降，這可能是由于沉積物耗氧導致水體缺氧反硝化，而此過程需要消耗碳 源或有機物，進而導致水體中有機物濃度的下降。由于沉積物耗氧使水體呈缺氧 狀態(tài)，氨氮逐漸溶出，而水體中硝酸鹽氮由于缺氧反硝化則逐漸降低，雖然水體 逐漸呈現(xiàn)缺氧，但沉積物中的磷并沒有馬上釋放出來，如果能定期為上覆水充氧， 有效控制磷的釋放是可能的。 4 、原位生物修復技術 生物修復是利用生物體，主要是微生物來降解環(huán)境污染物，消除或降低其毒 性的過程。它是傳統(tǒng)的生物處理方法的延伸，其新穎之處在于它治理的對象是較 大面積的污染2 引。生物修復主要是利用生物的自然凈化能力或者強化生物體的某 些特定作用來把環(huán)境中的污染物的濃度降低到安全范圍以下【2 9 】。 ( 1 ) 植物修復 植物修復是利用植物體內(nèi)對某些污染物的累積，植物代謝過程對某些污染物 的轉化和礦化。植物修復污染底泥基于：持續(xù)植物提取( c o n t i n u o u sp t o e x t r a c t i o n ) 、 誘導植物提取( i n d u c t e dp t o e x t r a c t i o n ) 、植物揮發(fā)( p h y t o v o l a t i h z a t i o n ) 、植物過濾 ( p h y t o f i l t r a t - - i o n ) 、根系過濾( r h i z o f f i t r a t i o n ) 和植物鈍化( p h y t o s t a - - b i l i z a t i o n ) 等多種原理。通過人工篩選和基因工程等手段，世界各國已篩選培育出很多生物 9 東+ 蘆人學碩 j 學位論文河道底泥制備陶粒的研究 量大、耐污能力強，且具有超富集能力的高效濕地植物，并將其用于修復污染淺 水湖泊底泥【3 0 3 。r o c k l1 3 2 1 認為在污染的沉積物上種植一層植物，可以形成有效 的保護層，防止沉積物的再懸浮和污染物的溶解擴散。據(jù)對玄武湖水生植物重建 示范區(qū)研究，水草的生長可抑制底泥氮磷的平均3 0 釋放量。 ( 2 ) 微生物修復 微生物修復研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過人工馴化、固定化微生物和轉基因工程菌能夠大 大減d x p o p s 類污染物的半衰期。在現(xiàn)場微生物修復工程中，影響微生物活性的 因子較多，而且往往難以控制。要想使微生物的活性達到最大值，需要對微生物 的營養(yǎng)結構、電子受體等進行合理調(diào)控。底泥中的有機物主要存在于固相中，生 物可利用性較差，加入t r i t o 嵌1 0 0 等表面活性劑能促進水相p o p s 的生物降解， 研究表明，非離子表面活性劑可以提高p o p s 的降解程度 3 3 , 3 4 】。采用微生物修復 重金屬污染基于兩方面的原理：即生物氧化還原和生物吸附。生物氧化還原是利 用微生物改變重金屬的氧化還原狀態(tài)，進而降低或消除重金屬的毒性。生物吸附 的脫毒原理則是利用重金屬能夠與微生物體、微生物產(chǎn)物形成穩(wěn)定螯合物或晶體 的特性，使重金屬減少或失去毒性。 1 5 1 2 異位處置技術 當原位處置不能滿足治理的需要或原位處置存在一定的缺陷，而底泥必須進 行疏浚時，就需要考慮對底泥的異位處置，即將底泥疏離河道后再進行處置的方 法。疏浚后底泥的處理則是環(huán)境保護的一個難題。疏浚底泥以其量大、污染物成 分復雜、含水率高而處理困難。 目前，對疏浚底泥進行的處理，常用的方法有固化填埋和農(nóng)用，但這兩種方 法都必須考慮到防止地下水和土壤的二次污染。對污染較重的疏浚污泥，常采取 物化、生物方法進行處理。常用的有顆粒分離、生物降解、化學提取等。由于重 金屬和有機物性質(zhì)上的差異，其處理方法也不同，如果二者同時大量存在，般 需先將其分離，再分別進行處理。采用調(diào)整p h 值或還原的方法，能將底泥中的 重金屬固定，有效防止疏浚污泥中重金屬的遷移。也可用粘土、有機物等來吸附 重金屬以達到固定化的目的，或者用酸或微生物將重金屬溶出，再集中處理。用 某些微生物來溶出重金屬，要比用酸浸提經(jīng)濟得多，處理后的底泥顆粒還能再利 用。 l o 東乍大學碩士學位論文河道底泥制備陶粒的研究 1 5 2 底泥資源化利用的原則 隨著人們對疏浚物質(zhì)的更全面深入的研究和認識，認為疏浚物質(zhì)也是一種可 利用的資源，因此底泥的資源化利用成為人們研究和應用的重點。 疏浚底泥的資源化利用應遵循無害、穩(wěn)定、可靠的原則。底泥的資源化研究， 必須對底泥的各種性能進行系統(tǒng)和詳細的研究【3 5 。羽，比如污染狀況、地點的選擇、 技術可行性、產(chǎn)品的環(huán)境可接受性、成本和效益以及法律法規(guī)的限制指標等。根 據(jù)疏浚底泥的來源、成分特征，以及當?shù)亟?jīng)濟、技術條件，因地制宜的選用疏浚 底泥資源化的途徑。對疏浚底泥成分和污染程度的相關性進行研究，以確保在資 源化過程中取得最優(yōu)配方。疏浚底泥的資源化利用過程中，應該按污染的程度分 類，對性質(zhì)不同的底泥采用不同的方法進行資源化利用，以取得最優(yōu)經(jīng)濟效益的。 底泥的資源化應采取治理與開發(fā)相結合，集中利用與分散利用相結合，長遠利益 與近期利益相結合的原則，充分利用土地及底泥的資源價值。 1 5 3 底泥資源化的主要途徑 目前，國內(nèi)外底泥的資源化方法主要可以分為土地利用、填方材料和建筑材 料等幾類。 1 5 3 1 土地利用 土地利用是把疏浚底泥應用于農(nóng)田、林地、草地、濕地、市政綠化、育苗基 質(zhì)及嚴重擾動的土地修復與重建等?？茖W合理的土地利用，可減少其負面效應， 使疏浚底泥重新進入自然環(huán)境的物質(zhì)、能量循環(huán)中。土地利用能耗低，是適合我 國國情的安全積極的處理方式。疏浚底泥的土地利用需要具備的一個重要的條件 是：其所含的有害成分不超過環(huán)境所能承受的容量范圍。水體由于接納了含有不 同成份的生活污水和工業(yè)廢水，不可避免地含有一些有害成分。如有機污染物、 重金屬和各種病原菌等。一般來說，污泥要作土地處置必須經(jīng)無毒無害化處理( 一 般采用高溫堆肥) 才能用作土地利用。若疏浚底泥中的重金屬超標，則有可能對 環(huán)境造成的二次污染，需要采取一定措施對疏浚底泥進行預處理，再進行土地利 用。 1 、農(nóng)業(yè)園林利用 東1 # 大學碩l ：學位論文河道底泥制備陶粒的研究 疏浚底泥中含有有機質(zhì)和植物所需的氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)成分，具有化學 肥料所沒有的有機質(zhì)肥料，具有多量的比較均衡的肥料成份和腐殖質(zhì)膠體，能使 土壤形成團粒結構，保持養(yǎng)分作用，是有價值的生物資源【3 9 1 。在我國，用土壤 環(huán)境質(zhì)量標準( g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 和農(nóng)用污泥中污染物控制標準( g b 2 8 4 8 4 ) 作為衡量疏浚底泥的污染程度和土地利用可行性指標。對于不符合標準要求的疏 浚底泥不能直接進行農(nóng)用。疏浚底泥施用于林地、園林綠地可促進樹木、花卉、 草坪的生長，提高其觀賞品質(zhì)，并且不易構成食物鏈污染的危害。 朱廣偉 4 0 , 4 1 】等人對京杭運河( 杭州段) 的疏浚底泥農(nóng)業(yè)利用與園林綠化的可 行性及其生態(tài)影響進行了研究和比較。實驗結果表明土壤中大量摻人疏浚底泥對 種子發(fā)芽率有一定影響，疏浚底泥田間投放量在2 7 0 t - h m - 2 以下，對青菜的生長具 有促進作用，超過2 7 0 t h m 。2 以上對青菜產(chǎn)量有一定影響，底泥用量在1 0 8 0 t h m 五 以下時青菜中c u 、z n 含量均未超過食品衛(wèi)生標準，用量為1 3 5 0t h m 。2 時則均超過 了標準。與青菜相比，草坪草、園藝花卉對底泥投放量具有更大的耐性，表現(xiàn)出 明顯的促進生長現(xiàn)象。原狀土柱淋洗實驗發(fā)現(xiàn)底泥用量在4 5 0 t h m 五以下未造成地 下水污染，這表明運河底泥直接土地利用較一般污水污泥堆肥的危害更小，園林 投放比農(nóng)田投放具有更大的可行性。 王瑋等【4 2 】( 1 9 9 0 ) 利用蘇州河5 個斷面的底泥作為肥料施于同一作物( 青菜) 進 行試驗，設置3 - 5 級投放量比較了用量水平對作物生長和殘留的影響，結果表明， 作物的生長發(fā)育與底泥的施用量一般呈正相關關系，而天原化工廠斷面底泥重金 屬z n 含量過高( 達到1 6 3 5 4 m g k g ) ，隨著底泥用量的增加作物增加產(chǎn)量表現(xiàn)為遞 減，主要是z n 元素對植物的毒害作用就大于其養(yǎng)分對植物的促進作用，抑制了作 物的生長：不同地段蘇州河底泥對青菜可食部位的殘留狀況，隨重金屬含量增加 有所增加，但增加不多，隨不同斷面而異，一般均低于食品衛(wèi)生標準和相關參考 標準；而土壤中重金屬積累與底泥用量及重金屬含量有關，一般土壤重金屬的積 累程度與底泥用量呈正比關系。 2 、濕地及棲息地建設 疏浚底泥還可用于建設濕地，并進一步作為動物的棲息地1 4 3 l 。tn e v i 1l eb u r r m 】等人指出疏浚物質(zhì)可以作為動植物的棲息地。主要包括三種類型：魚類和深海 底有機體等的棲息地、鳥類陸上棲息地、巢和沼澤等。這可能是偶然的也可能是 有計劃的，同時還要考慮很多技術問題，棲息地周圍的環(huán)境、植被狀況( 沒有植 1 2 東華大學碩上學位論文 河道底泥制備陶粒的研究 被覆蓋、稀疏的植被、有樹木灌木等) 可以通過對疏浚物質(zhì)周期性的管理改善， 疏浚底泥的成分含有殘渣