淺析河湖生態(tài)清淤及淤泥固化技術的研究與運用

陶琛杰顧曉惠周 健

（1.無錫市水利工程基建工程質量監(jiān)督站，江蘇無錫 214023；2.江蘇東方生態(tài)清淤工程有限公司，江蘇無錫 214125；3.江蘇省水利工程科技咨詢有限公司，江蘇南京 210029）

1 河湖生態(tài)清淤與淤泥固化的作用

生態(tài)清淤（又稱：環(huán)保清淤）旨在為改善河湖的生態(tài)環(huán)境，利用生態(tài)清淤機械設備清除河湖水體中含有污染物的底泥，通過阻斷污染源以減少水體的污染而采取的人為措施。生態(tài)清淤相對傳統(tǒng)清淤有更高的要求，即：需盡量避免攪動污染底泥和造成細分子顆粒物質的擴散。

由于河湖生態(tài)疏浚過程中會產(chǎn)生大量的污染底泥，而對污染底泥傳統(tǒng)的處理方法是尋找大面積的連片土地修建排泥堆場，采用簡單堆放、自然干化的原始方法固結后再利用。但是，一般污染底泥屬高有機質、高含水量的粉質粘土，單靠自然干化固結需要長達5～10年時間，甚至更長，勢必造成對土地資源的長時間占用，不利于土地資源的及時開發(fā)利用及其景觀修復。特別是我國東部沿海人口密集、經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，這一矛盾尤為突出。此外，采用排泥堆場處理污染底泥的方法還存在著一定的環(huán)境和安全隱患，由于堆場中底泥裸露，與周圍環(huán)境直接接觸，如果排泥堆場余水處理不達標，將會對周邊水體造成二次污染。同時，由于河湖疏浚底泥是一種高含水量的工程垃圾，其顆粒細小，有機質含量高，處于流動狀態(tài)，幾乎沒有強度，不能直接為工程所用。故淤泥固化技術近年來廣泛運用于污染土的處理和處置，面對河湖生態(tài)疏浚工程產(chǎn)生的大量底泥，通過固化處理后有效轉化為工程性質良好的工程用土，致使其淤泥向穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化利用的方向發(fā)展。

2 河湖生態(tài)清淤與淤泥固化的主要特點

2.1 河湖生態(tài)清淤的特點

河湖生態(tài)清淤的主要特點表現(xiàn)為：一是為了防止疏浚底泥過程中污染底泥的擴散，需對傳統(tǒng)挖泥船進行改造，開發(fā)出新型的環(huán)保型絞刀頭和防污屏等環(huán)保設備。二是在疏浚船上配置全球定位儀、污染監(jiān)視儀器，以提高疏浚精度，也可盡量避免欠挖與超挖的現(xiàn)象存在。同時，為避免對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，需對其輸、排系統(tǒng)進行改造，以減少輸、排泥過程中的泄漏。三是在生態(tài)清淤的基礎上，通過多種措施兼顧修復水生態(tài)系統(tǒng)的更高目標，即通過一系列的有效措施將河湖底泥中的有害化學物質、細菌毒素和營養(yǎng)鹽從河湖底層抽取出來，以減少河湖底泥污染，防止這些有害物質對河湖水體產(chǎn)生污染，影響水體。故生態(tài)清淤不僅要求將河湖底部的淤泥及有害物質有效清除，還要求在修復底泥的同時為恢復河湖的生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造有利條件，改善河湖的水生態(tài)環(huán)境，維持人類生產(chǎn)、生活、生態(tài)環(huán)境的動態(tài)平衡。

2.2 淤泥固化的主要特點

由于河湖疏浚后的底泥呈帶水的粒狀，其結構疏松，含水率高。底泥的傳統(tǒng)處理方式主要有：堆肥、填埋、焚燒利用、制造建筑材料等。國外發(fā)達國家較重視對環(huán)保清淤后的淤泥進行脫水處理，脫水方式主要有：固化處理、分組壓榨脫水、移動式連續(xù)脫水、高壓脫水等。將生態(tài)清淤的底泥固化處理后作為填土材料使用的研究最早于國外，如：日本富山港疏浚填海工程和新加坡“長基”國際機場第二跑道工程等。我國在這方面的應用則剛剛起步，在深圳鹽田港區(qū)三期工程進行了現(xiàn)場試驗研究，并取得了一定的效果。當今，河湖底泥的資源化利用已成為疏浚領域內關注的熱點。淤泥固化技術不僅可解決工程用土資源匱乏之虞，同時對河湖的環(huán)境保護和實現(xiàn)環(huán)境友好型社會有著積極的實用型意義。

3 河湖生態(tài)清淤效果判別和淤泥固化機理的分析

3.1 生態(tài)清淤效果的判別

生態(tài)疏浚被廣泛應用于河湖水體的排污治理中。判別河湖底泥生態(tài)疏浚工程效果的標準：一是河湖底泥中的污染物、有害物質和營養(yǎng)鹽是否徹底清除，這是判斷河湖底泥生態(tài)疏浚效果的基礎標準；二是水體中懸浮物上有害物質是否為最少，若仍有較多的污染物和有害物質依附在水體中的懸浮顆粒上，將會對環(huán)境造成很大破壞，說明水體的生態(tài)環(huán)境并沒有徹底恢復正常；三是疏浚出的河湖底泥中所含污染物、有害物質的濃度要高，在生態(tài)疏浚工程實施中，通?？紤]一定的經(jīng)濟因素，在疏浚過程中對底泥中有害物質濃度高的污染物進行集中清除，既可減少疏浚時間，又能節(jié)省了費用；四是疏浚方位準確、面積小，以不破壞水底生態(tài)環(huán)境為前提［1］。目前，對生態(tài)疏浚效果的研究主要集中在河口、港灣的疏浚對環(huán)境的影響及底泥的再懸浮，對湖泊水生態(tài)系統(tǒng)影響的研究尚未多見。國內的生態(tài)疏浚是近10年發(fā)展起來的控制湖泊富營養(yǎng)化的措施，對其工程效果的系統(tǒng)研究開展較少。故目前對河湖清淤工程實踐效果的評判也只能停留在上述四個方面。

3.2 淤泥固化機理的分析

淤泥固化機理的分析主要集中在：一是基于水分轉化模型機理分析；二是基于骨架構建模型機理分析［1］。

3.2.1 基于水分轉化模型機理分析

該理論認為：通過在底泥中摻入水泥（石灰）類固化材料，進行混合攪拌，即通過對底泥固化過程中水分轉換原理進行分析。該機理為：底泥在沒有摻入固化材料時，底泥中的水分可分為礦物水、結合水和自由水3個部分，當摻入固化材料并發(fā)生水化反應后，發(fā)生變化的只是孔隙中的自由水，這部分自由水一部分因固化材料釋放熱量而被蒸發(fā)到空氣中，一部分轉換到水化產(chǎn)物中。同時該機理還表明：一是固化底泥的破壞模式由塑性向脆性轉化，固化底泥的脆性與結合水的量有關，由塑性向脆性轉化的轉折點出現(xiàn)在消化產(chǎn)物中的結合水量增長率開始減少的點上。二是固化底泥的無側限抗壓強度、變形系數(shù)、屈服應力和粘聚力都與水化產(chǎn)物中的礦物水水量和結合水水量有關，且隨兩者的增加而增加。則固化底泥的破壞應變、變形系數(shù)、初始孔隙比都將隨著水化產(chǎn)物中礦物水和結合水水量的增加而呈遞減趨勢。

3.2.2 基于骨架構建模型機理分析

該理論認為：固化是通過對底泥的骨架起到一定的支撐效應和填充效應。其中，骨架支撐效應是指固化材料中的硅酸鈣類、鋁酸鈣類和鐵鋁酸鈣類等與水發(fā)生相應的水解和水化反應后，部分與周圍土顆粒結合后形成骨架，部分則與周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應，也參與形成一定量的骨架。而固化對底泥的填充效應，則表現(xiàn)為固化材料在水化反應產(chǎn)生膠體形成骨架的同時，隨著水化反應的進一步深入，溶液中析出大量的鈣離子，當其數(shù)量超過離子交換所需量后，在堿性環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的結晶化合物，這些結晶產(chǎn)物的產(chǎn)生，對底泥間的大量孔隙起到填充作用。

3.3 淤泥固化技術的運用

由于疏浚出的底泥具有顆粒細、容量輕、有機質含量高、含水率高等特點，若僅依靠堆場自然蒸發(fā)、滲透等自然干化措施，往往需要很長時間才能完成相應的固結。因此，淤泥處置與資源化利用的關鍵是如何有效地解決好淤泥的脫水問題，通過采取人為措施加速降低其含水量，提高強度。同時，由于淤泥往往存在一定程度的污染，故對淤泥中含有的各種重金屬（如鉛、鎘、汞、鋅等）和有機污染物須進行有效處理。目前，淤泥脫水主要措施有：物理方法、化學方法或復合干化法，在具體的底泥清淤工程中，應根據(jù)當?shù)貙嶋H情況選擇相應的底泥處置方式［2］。

物理處置法。即通過蒸發(fā)、滲透等作用，利用自然沉降、人工機械強化等物理措施降低淤泥的含水量，去除淤泥中多余的自由水，如：傳統(tǒng)的堆場干化和人工強化措施堆場排水、低位真空預壓法、加熱處理、拋填處理和機械脫水固結等，均是利用物理原理脫水。實踐表明，物理處理方法并不能去除污泥中的污染物質，所以對于具有高污染性的疏浚淤泥，物理脫水固結后，仍需進行污染源處理。

化學處置法。即通過向淤泥中添加固化材料，經(jīng)化學反應使其形成穩(wěn)定的固化物。固化后的產(chǎn)物具有較高的強度和較低的透水性，能夠封閉重金屬類的污染物和控制生物化學反應物滋生的條件，最大程度地防止淤泥的二次污染。淤泥化學固化反應過程主要有水解和酸性反應、水化作用、碳酸化作用等。利用該技術處理后的淤泥具有強度可控、施工簡便迅速等優(yōu)點，可使廢棄淤泥變?yōu)樵偕こ逃猛临Y源。

復合干化法。即將淤泥固化與余水處理融為一體的技術方法，通過在疏浚管道中添加高性能強氧化疏水劑與疏浚底泥電荷中和，實現(xiàn)毛細管水的分子級分離。復合干化法可以較為顯著地縮短疏浚排泥場的施工工期，但該技術屬于新型技術，固化成本高，現(xiàn)有的工程實踐經(jīng)驗少，且施工不確定因素較多。

4 常見的生態(tài)清淤技術關鍵點

4.1 生態(tài)清淤機械設備的主要性能

目前，生態(tài)清淤的施工機械設備主要有：旋挖式河道清淤船、新型多功能挖泥船和生態(tài)環(huán)保清淤船［3］，其相應的性能分別表現(xiàn)為：

（1）旋挖式河道清淤船。即生態(tài)環(huán)保絞吸式清淤船，該船主要功能是通過攪動河底表面20～40 cm的淤泥層，然后由污泥泵直接輸送到污泥水池。其特點是體積小，功效高，性價比高，較適應城市中小河湖的生態(tài)環(huán)保清淤。

（2）新型多功能挖泥船。該船為多功能挖泥船，通過更換不同的施工設備（環(huán)保螺旋絞刀、吸泥頭、鏟斗和耙具）實現(xiàn)環(huán)保絞吸施工，完成吸泥、反鏟挖泥及水下垃圾收集。不同施工設備更換簡便，挖泥施工擺動區(qū)域較大，能滿足多種清淤施工方式的要求。此外，螺旋絞刀本身對淤泥擾動小，絞刀周圍還可再加上防護罩，通過調整絞刀角度可對河道邊坡進行施工。

（3）生態(tài)環(huán)保清淤船。是一種多功能環(huán)保絞吸船，以淤泥絞吸為主，集反鏟清淤、抓斗清淤、耙子清理河道垃圾，打樁作業(yè)，清理水面油污等多種功能于一體，且各功能在施工作業(yè)時可互相轉換，具有機動靈活和應用范圍廣的特性，特別適合于城市內陸河湖水環(huán)境的綜合治理。

4.2 生態(tài)清淤的技術關鍵點

一是要在截住外污染源（包括點源和面源污染）的基礎上進行。二是 在確定生態(tài)清淤的地點和范圍時，應優(yōu)先考慮河湖水體污染淤積嚴重區(qū)、重要城市的供水水源地取水口和重點風景旅游區(qū)以及對河湖水生態(tài)影響較大的湖區(qū)（包括魚類繁殖場和水生植物基因庫）等，同時，清淤時需考慮設置200～300 m疏浚安全范圍。三是確定底泥薄層的精確疏浚深度，對底泥疏浚深度需進行多參數(shù)（包括：湖體水文特征、底泥分布狀況和土工特征、底泥土壤水運動特點、營養(yǎng)鹽含量和垂直分布特性、釋放系數(shù)、沉水植物種屬類型、生物學特性和根系分布等）的綜合分析與評估。應嚴格控制疏浚深度誤差不大于10 cm，疏浚底泥擴散距離不大于0.5 m，并為后續(xù)動植物介入創(chuàng)造必要的生態(tài)環(huán)境條件。由于河湖沉水植物分布水深一般在0.8～1.8 m，因此，生態(tài)疏浚要控制疏浚后新形成的底泥表面高程，并由湖區(qū)向湖岸形成一定的緩坡狀，為沉水植物修復繁衍創(chuàng)造湖底基質條件。四是選擇生態(tài)疏浚設備時，應首先考慮采用環(huán)保無擾動型挖泥船，選擇疏浚設備依據(jù)的主要參數(shù)為：底泥密度小于1.8 g/cm2時可考慮采用環(huán)保絞吸式疏浚船；底泥密度大于1.8 g/cm2時可考慮采用環(huán)保斗輪式疏浚船。生態(tài)清淤疏浚為薄層精確疏浚，要求超疏深度不大于10 cm，底泥擴散距離不大于0.5 m，表面平整度好，不漏疏或形成溝坎。五是劃定好相應的水生物種區(qū)，當已確定的疏浚區(qū)域較大時，應考慮專門劃定一定面積的水生物種保護基因庫區(qū)，底泥疏浚完成后，以保護區(qū)物種基因庫為基點，力求在較短時間內使疏浚區(qū)域內物種得以恢復和繁衍。六是選定適宜河湖底泥疏浚期，生態(tài)疏浚作業(yè)的最佳疏浚期為冬初至春末，此時開展疏?？勺龅绞≠M高效，并可最大限度地去除水體中的營養(yǎng)物質［4］。

5 存在的問題和建議

5.1 存在問題

河湖生態(tài)清淤見效快，并能夠增加河湖水體容量和提高河湖過水能力及挾沙率等優(yōu)點，但也存在不足，使其大規(guī)模推廣受到限制：一是不僅底泥疏浚費用高，且底泥疏浚后的后續(xù)資源化利用費用也相當高，從而限制了河湖底泥疏浚技術的有效開展。二是河湖底泥生態(tài)清淤的精度和準確度要求較高，河湖底泥生態(tài)清淤屬于精密的薄層疏浚，主要是挖走底層表面的污染物和部分過渡層的沉積物，疏挖不當會導致底質中原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞，從而使水質更加惡化。三是河湖底泥生態(tài)清淤產(chǎn)生的淤泥還需進一步處理，疏浚的底泥若處理不當將可能再次污染水體。目前，提倡生態(tài)疏浚與資源化利用相結合，但在對底泥進行資源化利用的同時也須考慮如何有效去除底泥中污染物質。四是目前國內幾乎所有的清淤工程都沒有開展清淤區(qū)水體生態(tài)系統(tǒng)重建的影響研究，特別是對底棲生物的影響等研究在國內外仍是一片空白，因此，需要建立必要的生態(tài)風險評價指標與評價方法，用來定量分析清淤工程對生態(tài)環(huán)境的影響程度。

5.2 幾點建議

（1）國內外都將河湖底泥生態(tài)清淤作為治理河湖富營養(yǎng)化的一項主要措施，但河湖底泥自身對水體富營養(yǎng)化影響的程度以及底泥疏浚后對消除河湖水體富營養(yǎng)化程度如何，至今在學術界尚有爭議。因此，河湖底泥生態(tài)清淤作為湖泊富營養(yǎng)化內源治理的一種措施，不僅需從理論上進一步研究和豐富，而且在實踐上應慎用，只能將其作為修復水生態(tài)系統(tǒng)、改善水質的一種輔助和補充方法。

（2）河湖底泥生態(tài)清淤是一項集工程、環(huán)境、生態(tài)等為一體的修復技術，涉及到眾多的學科領域，生態(tài)清淤實施過程中對河湖底泥疏浚的精度和疏浚設備的要求嚴格，與普通的工程疏浚有相當大的差別。在具體地實施前期工作中，需多學科聯(lián)動，多部門配合，方能將河湖底泥疏浚所產(chǎn)生的負面效應降至最低層面。

（3）河湖底泥生態(tài)疏浚完成前后，如何有效地開展對底泥污染物和河湖水體的監(jiān)測、分析和評價，以便通過河湖底泥疏浚前后水體環(huán)境的對比，對河湖底泥疏浚的效果進行評判，最終衡量河湖底泥疏浚的實際生態(tài)環(huán)境效果，是需要進一步研究的課題。

［1］ 張?zhí)煜瑁踔傩?，毛應?城市河流治理技術研究進展［J］.中國環(huán)境管理干部學院學報，2007，17（2）：73-75.

［2］ 曹承進，陳振樓，王軍，等.城市黑臭河道底泥生態(tài)疏浚技術進展［J］.華東師范大學（自然科學版），2011，1:32-42.

［3］ 倪福生.國內外疏浚設備發(fā)展綜述［J］.河海大學常州分校學報，2004，18（1）：1-9.

［4］ 劉國鋒，張志勇，劉海琴，等.底泥疏浚對竺山湖底棲生物群落結構變化及水質影響［J］.環(huán)境科學，2010，31（11）：2645-2650.