淤泥处理技术研究综述

淤泥是粘土矿物等细小颗粒在粒间静电力和分子引力的作用下, 在海洋或湖泊地区等缓慢的流水环境中发生沉积所形成的絮状和蜂窝状结构。由于我国海洋国土广阔、河流湖泊众多, 因此有大量的淤泥产生。淤泥的大量产生已成为难以回避的现实, 生态环境也面临日益严重的破坏压力, 必须对湖泊河道的淤泥加以疏浚, 减小河道通航和对环境的压力。工程实际表明, 对淤泥的采集和处理往往工程量大、耗资惊人。例如, 无锡五里湖的水环境整治过程中, 疏浚泥量达2 5 0万m 3, 按堆放厚度3.5m计, 需要征用土地约1100亩进行放置, 在南北水调东线工程中, 产生的疏浚淤泥的征地费用就达到6.4亿人民币。这些堆放的淤泥一般含水率高、强度低、还含有有毒化学物质、病原生物等一些有害成份, 在运输过程中易洒落, 干燥后形成扬尘, 在堆放地产生难闻气味, 污染空气, 在降水的作用下又会产生泥浆液, 被雨水带走。如果被带入河流湖泊, 将形成二次污染, 成为河道、湖沼治理中的难点, 直接关系到土地资源的利用、疏浚成本、疏浚的社会效益和经济效益。

为了有效处理和利用淤泥, 不少发达国家以商业化方式对淤泥进行综合开发利用。英国、荷兰、法国、瑞典和澳大利亚等国家, 早在2 0世纪8 0年代末就开始利用淤泥为主要原料, 制造高效净化燃料, 其热值比普通煤高出3 0%, 而且燃烧过程中不会排放出有害气体。德国目前已有5家淤泥收集、处理工厂, 每年处理淤泥3 0 0万吨。在日本, 淤泥已被用来生产各类建筑材料, 以淤泥为主要原料制成的砖块透气性好, 重量轻, 容易制出不同的色彩, 很适宜用于建筑物的装饰, 已成为国际市场的畅销货。

然而在我国, 由于经费和技术上的原因, 目前淤泥尚无稳定而合理的出路, 总的状况还是以农肥的形式用于农业。采集淤泥并进行处理, 不仅有利于疏浚河道湖泊等、防止水质富营养化和净化城市环境, 而且对淤泥综合开发利用可以化害为利, 在国内形成一个极有发展前途的新兴产业。因此, 探讨适合我国国情的有效处置和利用淤泥的技术, 具有重要的现实意义。

1 常用的淤泥处置方法研究现状

1.1 淤泥无害化处理

淤泥处理的重点是重金属和有机质, 由于城镇工业三废的排放, 使得淤泥中大多含有毒性较大的重金属元素, 降低或去除淤泥中的超标重金属元素成为有效处置和利用淤泥的关键。

从当前的文献报道来看, 去除淤泥中重金属的研究主要集中在以下几个方面:利用微生物方法降低淤泥中的重金属含量[1]、通过化学方法去除淤泥中的重金属[2];采用电化学方法降低淤泥中的重金属含量[3]、利用植物的修复作用降低淤泥中的重金属含量。

1.1.1 微生物方法

近年来, 国内许多学者对采用微生物方法来降低城市淤泥中的重金属含量作了大量的试验研究。该方法主要利用自然界中一些微生物的直接作用或者由其代谢产物的间接作用, 以产生氧化、还原、络合、吸附或者溶解作用, 将固相中的一些不溶性成分 (如重金属、硫及其它金属) 分离出来, 微生物方法最开始应用于提取矿石或者贫矿中的金属, 目前它的研究正被扩展到环境污染治理领域, 在去除污水淤泥或其焚烧灰分中的重金属以及在重金属污染土壤的生物修复方面得到了广泛的应用。据报道[4], 通过微生物方法能够去除淤泥中的70%~90%Cu、Zn、Cd、Ni。

生物淋滤效果主要与温度、氧气浓度、二氧化碳浓度、起始p H值底物种类和浓度、某些重金属阳离子等抑制因子及F e 3+等有较大的关系。吴启堂等在利用微生物的吸附作用降低淤泥中的重金属含量方面作了一定的研究[5]。赵一德等人对生物浸沥作了详细介绍, 并将其分为直接浸沥和间接浸沥, 认为影响处理效果的主要因素有p H值、微生物的数量、温度及其淤泥浓度[6]。还有学者发现用固定芽孢菌和藻类吸附剂对淤泥进行处理, 能吸附99%以上的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn, 然后用电解质 (如硫酸) 或络合剂 (如EDTA) 进行淋滤, 同样可以去除淤泥中大量的重金属[13]。Tyagi[8]的研究认为, 在高固体浓度 (7 0 g/L) 下仍可以去除重金属, 并通过试验得出生物淋滤主要是间接机理起作用的结论。

1.1.2 化学方法

化学方法是一种易于掌握、操作相对简单的淤泥中重金属去除技术, 主要通过向淤泥中投加化学药剂, 提高淤泥的氧化还原电位 (E h) 或降低淤泥的p H值, 使淤泥中的重金属由不可溶态的化合物向可溶的离子态或络合离子态转化。早在1982年Wozniak等就曾用配比为1∶1的HCl/H2SO4溶液对淤泥进行处理, 发现土体p H为1.5左右时, 重金属元素Cd、Cu、Pb、Zn、Ni的去除率均高于90%, 有的甚至达100%[9]。吴忠艳等人也利用磷酸、硫酸和双氧水混合液脱除淤泥中的重金属, 试验结果表明用含2%双氧水浓度为4 2%的磷酸溶液处理淤泥, 淤泥中重金属Hg、Cd、Cr、Pb、Zn、Ni等去除率均在9 0%[8]以上, 并且处理药剂磷酸也可回收利用, 降低了处理成本。吴启堂等用硫酸、碳酸氢氨、E D T A作为试剂进行了去除淤泥中重金属的试验, 试验结果表明淤泥中Cu的去除率为66.8%, Zn为50.7%[10]。国内外一些学者则对螯合剂去除淤泥中重金属方面开展了一系列的研究, E D T A等络合剂去除重金属的机理普遍认为是络合剂能与重金属元素形成稳定性更高的可溶性络合物, 把淤泥中一些稳定性较差的碳酸盐结合态、铁锰氧化态结合态及部分硫化物形式存在的重金属元素转化为重金属络合物, 再通过固液分离出来。1981年, Jenkins用E D T A作为提取介质进行了去除淤泥中重金属的试验研究, 并取得了较好的效果, 约44%的Cu和52%的Zn被去除[9]。美国的K.F.M o b l y等通过土柱试验证明, 应用EDTA络合剂可去除土壤中80%的Cu、Zn、Ni、Cd[11]。

1.1.3 电化学方法

单纯的化学方法在去除淤泥中的重金属的应用有限。为了拓展淤泥中重金属去除技术的研究思路, 采用无废液产生并可回收金属的电化学法值得人们深入研究。

电化学方法最早称为电提取法, 电提取技术也被称为部分提取金属法 (P a E x t r action of Metals, 其英文缩写为PEM) 。PEM法是20世纪60年代后期至70年初期由圣彼得堡的一些学者所创立的。经过几十年的发展, 该方法得了不断的完善, 取得了令人瞩目的成果[12]。

1.1.4 植物修复方法

利用植物吸附清除土壤和水环境中的有害物质是人们很早就有的一个想法, 因而提出了植物治污的英文专用名词“Phyl Memediation”。国内文献中也称为“植物修复”或“植物整治”[13]。广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、清除放射性元素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染等。狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤或者去除土壤中含有的过量重金属。有些植物的根系能够吸收环境中的有害元素硒和汞, 并将其转化为挥发态的二甲基化硒和汞蒸气 (H g O) , 这就是植物挥发治污法。有些元素如铅被一些植物如毛状剪股颖 (Agrostiscapillaris) 的根吸附后能同磷酸盐发生反应, 形成不溶的化合物氯磷铅石 (Pyromorphyte) , 最终被固定在土壤中, 可以减少重金属被淋滤到地下水或通过空气载体进一步扩散污染环境的可能性, 这被称为植物固定治污法 (P h y t o extraction) 。大多数的治污策略是利用植物将土壤中元素吸收富集到植物体内, 以减少其在土壤或水环境中的残留量, 被称为植物萃取治污法 (Phytoextraction) 。植物治污为清除环境中日益加剧的有毒元素以及有机残留物带来的污染问题提供了一条新途径。同化学和工程治污方法相比, 它的优点在于更为廉价, 并能带来中长期的环境效益。因此, 许多国家对利用植物治理污染的研究日趋重视[14]。

1.2 淤泥固化处理技术

淤泥作为填筑材料时, 其处理的重点是降低淤泥的含水率和提高淤泥的强度, 以满足土方填筑的要求。目前, 国内外对于淤泥固化土的研究还处于起步阶段, 相关的研究结果较少, 疏浚泥固化处理所使用的固化材料主要有水泥类固化剂和石灰类固化剂。其中水泥类固化方法应用最多, 采用水泥作为固化材料固化淤泥所产生的水化反应类似于使用水泥基质材料固化软土、淤泥等废弃物。如果单纯利用水泥的水化作用对淤泥进行固化, 达到一定强度显然需要消耗大量水泥。但是水泥与含有大量粘土矿物的淤泥之间的反应也不可忽视, 水泥与粘土矿物的反应, 显著提高了淤泥的固化效果并节约了水泥用量。

影响淤泥固化土强度的主要因素包括水泥掺量、水泥标号、养护龄期、土样含水率、外掺加剂和土中有机质的含量。张春雷[15]认为, 水泥掺量存在一个最低掺量, 当水泥固化土中的水泥掺量小于这个最低掺量时, 水泥就没有固化效果。水泥土的抗压强度随着水泥标号的提高而增加。水泥标号每提高1 0号, 水泥土的抗压强度大约增加20%~30%。

采用辅助材料辅助水泥固化淤泥往往会收到良好效果, 张春雷[21]针对高含水率淤泥进行了以水泥为主要固化材料、粉煤灰和石膏为辅助固化材料的固化土强度试验研究, 研究结果表明掺加适量的粉煤灰或石膏对淤泥的固化效果均要优于单一水泥的固化效果。童小东等[16]则对石灰作为水泥土的外掺剂进行了研究, 认为将石灰加入土中后, 水泥土早期强度降低, 后期强度提高。

用水泥加固有机质含量较高的淤泥后的强度一般都比较低, 这是因为有机质的存在阻碍了水泥水化反应的进行。潘林有[17]对宁波某地富含有机质的软土进行了大量的室内正交试验, 发现在水泥中掺加适当比例的石膏、水玻璃、粉煤灰等复合添加剂可以提高软土的加固效果。李森林等人[18]的研究认为影响软土性质的有机质除了腐殖质之外, 微生物也是土中的有机质的重要组成部分, 并把它们总称为蛋白质, 在此基础上通过试验得出, 随着土中蛋白质总量的增加, 土的液塑限会增大, 压缩性也会随着蛋白质总量的增高而明显增大, 而土的抗剪强度随着蛋白质的增加而迅速下降。

1.3 淤泥轻量化处理

此外, 淤泥的轻量化处理也是淤泥处理未来的发展方向。朱伟根据室内试验, 采用固化及轻量化处理技术对疏浚淤泥进行研究且得出了如下结论:

(1) 疏浚淤泥土工材料化处理在技术上是可行的, 且具有废物利用和保护环境的优点。

(2) 固化处理和轻量化处理的效果在很大程度上受到疏浚淤泥的性质、固化材料和轻质材料的特性及添加量的影响, 应根据不同疏浚淤泥的特点进行试验研究。

(3) 固化处理及轻量化处理后的疏浚淤泥具有强度可调、施工时无需碾压等优点, 是良好的工程填土材料, 具有广泛的工程应用前景。

(4) 利用疏浚淤泥制作泡沫塑料混合轻量土具有废物利用和保护环境的优点。

(5) 用疏浚淤泥制作泡沫塑料混合轻量土在技术上是可行的。其湿密度可控制在1.1 g/c m 3以下, 强度可通过固化剂的添加量达到工程要求, 而且施工简单, 造价低, 具有较好的工程应用前景。

(6) 水泥含量与E P S颗粒含量对疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的成形、湿密度和强度都有影响。E P S颗粒含量对疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的成形和湿密度影响较大, 而对强度的影响不是很明显。水泥含量主要影响疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土的强度。因此, 在制备符合目标湿密度的疏浚淤泥泡沫塑料混合轻量土时, 先根据E P S颗粒含量来优先选择配方, 再根据水泥含量来修正配方。

2 展望

疏浚淤泥是一种很有利用价值的潜在资源, 淤泥无害化处理、淤泥固化处理技术和淤泥轻量化处理技术, 可以同时解决我国沿海大量产生的废弃疏浚淤泥的处理问题和淤泥海洋抛泥造成的环境污染问题, 解决工程建设用土的问题。因此, 废弃疏浚淤泥的资源化利用技术是保护资源、环境的创新技术, 具有广阔的应用前景。

摘要：随着环境整治工作的不断深入, 淤泥大量产生已成为不可回避的现实, 根据国内外现有的对淤泥进行无害化处理技术、固化处理技术和轻量化处理技术进行了回顾和分析。认为疏浚淤泥是一种很有利用价值的潜在资源, 开展废弃疏浚淤泥的资源化利用技术具有广阔的应用前景。

关键词：淤泥,无害化,固化处理,轻量化

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