河道清淤淤泥基綠化種植土的制備及可行性研究

李嵐峰，胡興龍，林 立，萬 情，聶懷軍，江 東

（1.水木金谷環(huán)境科技有限公司，廣東 佛山 528200；2.浩華環(huán)境科學(xué)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430200）

0 引言

河道內(nèi)源污染的治理是河道綜合整治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，環(huán)保清淤是河道內(nèi)源污泥治理的有效手段。如何合理處置環(huán)保清淤過程中產(chǎn)生的大量淤泥是一個(gè)亟待突破的環(huán)境問題[1]。

河道淤泥是在靜水和緩流水環(huán)境中沉積并富集污染物的細(xì)顆粒土，其主要成分為硅鋁酸鹽等無機(jī)礦物，化學(xué)成分與黏土類似，主要由SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO 和MgO 等組成[2]。另外，受沿河流域人居生活、農(nóng)業(yè)發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)的影響，河道淤泥中往往含有重金屬N，P，K 等元素、病原體和持久性有機(jī)污染物等，增加了淤泥合理處置的難度[3]。

淤泥的棄置和無序填埋不僅會(huì)造成土地資源的浪費(fèi)，也容易造成環(huán)境的二次污染，已不符合當(dāng)今國(guó)情，淤泥的資源化利用是現(xiàn)階段和未來可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。目前，河道清淤淤泥資源化方式主要包括土壤化利用、建材化處理和路基填筑填方材料[4]。河道淤泥的理化性質(zhì)與自然土壤相似度高。河道清淤淤泥土壤化利用是對(duì)其可回收關(guān)鍵元素（如C，N，P，K 等）的最優(yōu)利用方式[5]。熊紅霞等[6]對(duì)太湖某港灣的干化疏浚淤泥理化特性和營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該淤泥含有豐富的N，P，K 等植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，且重金屬含量低于標(biāo)準(zhǔn)值，適用于景觀園林用土；楊丹等[7]通過將河道淤泥以不同比例摻入土壤中，研究其對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物生物量C,N 變化的影響，發(fā)現(xiàn)河道淤泥的添加能夠改善土壤持水性能和提高土壤的養(yǎng)分含量。上述研究雖為河道清淤淤泥制備綠化種植土提供了理論基礎(chǔ)，但目前仍缺乏河道淤泥制備綠化種植土的工程實(shí)踐。以深圳市坪山某河道的清淤淤泥為研究對(duì)象，采用新型攪拌分散工藝和快速好氧堆肥技術(shù)制備成淤泥基綠化種植土，通過對(duì)不同配方土樣好氧堆肥過程中土樣理化性質(zhì)變化的分析，并采用種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)及盆栽實(shí)驗(yàn)對(duì)河道清淤淤泥制備綠化種植土的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)用淤泥取自深圳市坪山某河道，含水率約90%，其主要組分及占比見表1。試驗(yàn)選用大豆秸稈粉作為生物質(zhì)調(diào)理劑，大白菜種子和綠植苗株（月季花苗、梔子花苗、香樟樹苗）作為盆栽實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備：利勃海爾盤式行星攪拌器、小料自動(dòng)配料稱量器、便攜式pH 值計(jì)、便攜式電導(dǎo)率測(cè)定儀和水銀溫度計(jì)等。

表1 深圳市坪山某河道清淤淤泥的主要成分及占比 %

1.2 試驗(yàn)過程

河道清淤淤泥基綠化種植土的制備工藝過程，見圖1。由圖1 可以看出：①環(huán)保清淤出的淤泥經(jīng)管道輸送至預(yù)處理平臺(tái)，通過淤泥調(diào)理和機(jī)械脫水得到有設(shè)計(jì)含水率的脫水泥餅；②將脫水泥餅破碎均勻后按設(shè)計(jì)配方稱重配料，利用利勃海爾盤式行星攪拌器實(shí)現(xiàn)脫水泥餅與生物質(zhì)摻料的強(qiáng)化攪拌混合；③將混合好的配方土樣接種微生物菌劑，在通風(fēng)環(huán)境下進(jìn)行好氧堆肥，定期翻堆并監(jiān)測(cè)相關(guān)指標(biāo)；④通過白菜種子盆栽試驗(yàn)和植株栽植試驗(yàn)驗(yàn)證河道清淤淤泥基綠化種植土的可行性。試驗(yàn)中河道清淤淤泥基綠化種植土的制備配方見表2。

圖1 河道清淤淤泥資源化制備綠化種植土工藝流程

表2 河道清淤淤泥基綠化種植土配方

1.3 指標(biāo)分析與測(cè)定方法

為科學(xué)系統(tǒng)地考察河道清淤淤泥、脫水泥餅及綠化種植土相關(guān)理化性質(zhì)，對(duì)各樣品進(jìn)行以下指標(biāo)檢測(cè)分析：①含水率。用烘干法測(cè)定河道淤泥、脫水泥餅和綠化種植土的含水率；②pH 值。采用便攜式pH 值計(jì)測(cè)定樣品pH 值；③溫度。采用水銀溫度計(jì)監(jiān)測(cè)快速好氧堆肥過程中堆體溫度變化；④電導(dǎo)率（EC）。采用便攜式電導(dǎo)率測(cè)定儀測(cè)定樣品電導(dǎo)率變化；⑤重金屬含量。根據(jù)GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》 中的方法測(cè)定淤泥中重金屬含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 河道清淤淤泥污染評(píng)估

淤泥中重金屬污染是指污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進(jìn)入水體后沉積到淤泥中并逐漸富集的現(xiàn)象，重金屬污染淤泥會(huì)對(duì)上覆水體，水生動(dòng)植物乃至人類健康構(gòu)成極大的威脅[8]。試驗(yàn)通過對(duì)常見的重金屬指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果見表2。由表2 可以看出，所有檢測(cè)指標(biāo)均在綠化種植土壤I 類標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，可用作水源涵養(yǎng)林等屬于自然保育的綠（林）地土壤。

表3 河道清淤淤泥重金屬污染檢測(cè)結(jié)果 mg·kg-1

2.2 河道清淤淤泥減量化處理

環(huán)保清淤出的河道淤泥含水率較高，在清淤現(xiàn)場(chǎng)對(duì)淤泥進(jìn)行減量化處理可有效降低淤泥運(yùn)輸成本和后端處理機(jī)械能耗，同時(shí)可避免淤泥的二次污染。在清淤現(xiàn)場(chǎng)采用石灰和聚丙烯酰胺（PAM）對(duì)淤泥進(jìn)行調(diào)理，利用板框壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械脫水。根據(jù)河道清淤淤泥基綠化種植土的制備要求，設(shè)計(jì)脫水泥餅含水率不超過40%，隨機(jī)抽樣7 個(gè)批次脫水泥餅進(jìn)行含水率檢測(cè)，其結(jié)果見圖2。由圖2 可以看出，選取的7 個(gè)批次脫水泥餅含水率均在28.8%～36.7%之間，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的40%，符合設(shè)計(jì)需求。

圖2 不同批次河道清淤淤泥減量化后的含水率

2.3 河道清淤淤泥基綠化種植土的制備

2.3.1 “一鍋法”物料混合攪拌分散工藝優(yōu)化

采用石灰固結(jié)壓濾脫水工藝產(chǎn)生的低含水率脫水泥餅往往結(jié)構(gòu)緊實(shí)，容易固結(jié)成塊[9]，不能直接用作綠化種植土。為保證物料攪拌混合均勻度，使土樣滿足標(biāo)準(zhǔn)的土壤入滲率和孔隙度，研究開發(fā)出4 種“一鍋法”物料混合攪拌分散工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)泥餅的破碎均勻化處理?！耙诲伔ā蔽锪匣旌蠑嚢璺稚⒐に囍饕菍⑽锪戏峙位蛲嗡腿霐嚢杵髦羞M(jìn)行混合攪拌，利用攪拌器行星轉(zhuǎn)子促使物料間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使物料在攪拌倉(cāng)中相互碰撞、摩擦，達(dá)到團(tuán)狀物料破碎分散、多種物料均勻混合的效果。4 種不同“一鍋法”物料混合攪拌分散工藝的具體方式和攪拌效果見表3。通過目測(cè)法對(duì)比，直接混合攪拌方式的效果優(yōu)于脫水泥餅和生物質(zhì)摻料分批攪拌，并且在攪拌時(shí)長(zhǎng)為180 s 可取得最佳效果，因此試驗(yàn)選取直接混合

攪拌180 s 作為物料混合攪拌工藝。

表4 4 種物料攪拌混合工藝對(duì)比

2.3.2 種植土好氧堆肥效果分析

將混合均勻的混合料運(yùn)至通風(fēng)室，加入適量的好氧堆肥微生物菌劑促進(jìn)混合料快速腐熟，并對(duì)堆肥過程中土樣的溫度、酸堿度和含鹽量等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

（1）好氧堆肥過程中堆體溫度變化

好氧堆肥共經(jīng)歷升溫階段、高溫階段、熟化階段和后腐熟階段4 個(gè)過程[10]。升溫階段時(shí)的嗜溫微生物快速降解混合料中糖分、淀粉類等可溶解和易降解有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致溫度快速上升并進(jìn)入高溫階段。高溫階段時(shí)的嗜熱微生物成為優(yōu)勢(shì)菌群，纖維素和半纖維素等難降解有機(jī)質(zhì)開始被分解。通常高溫階段溫度越高，微生物活性越高，病原微生物滅活效果越好。隨著混合料中有機(jī)物的耗盡，微生物活性逐漸降低，堆體溫度下降進(jìn)入熟化階段和后腐熟階段，這2個(gè)階段微生物進(jìn)一步分解了殘余難降解的木質(zhì)素并產(chǎn)生腐殖質(zhì)，提高了土壤肥力。好氧堆肥過程中河道清淤淤泥基綠化種植土堆體溫度變化情況見圖3。由圖3 可以看出，對(duì)于配方1（1 ∶0），因未摻入生物質(zhì)，缺乏微生物生命活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物活動(dòng)微弱，故堆體溫度隨環(huán)境溫度變化保持一致。對(duì)于其它摻入生物質(zhì)的配方，由于具備豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，微生物群落和豐度的交替演變導(dǎo)致堆體溫度呈先升后降的趨勢(shì)[11]。整個(gè)升溫、降溫的過程可有效殺滅病原微生物并提高河道清淤淤泥基綠化種植土的肥力。同時(shí)隨著生物質(zhì)摻料的摻量越大，溫度越高，土樣堆積發(fā)酵效果越好。

圖3 河道清淤淤泥基綠化種植土堆體溫度隨堆肥時(shí)間的變化

（2）好氧堆肥過程中土樣的pH 值變化

好氧堆肥過程中河道清淤淤泥基綠化種植土堆體的pH 值變化情況見圖4。因試驗(yàn)在淤泥減量化處理過程中加入石灰作為調(diào)理劑，導(dǎo)致脫水泥餅及混合料呈高堿性，pH 值為11.2。土樣的pH 值變化通常是由于微生物分解成有機(jī)質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的有機(jī)酸和腐殖酸導(dǎo)致的。由圖4 可以看出，配方1（1 ∶0）由于未摻入生物質(zhì)摻料，微生物只能分解淤泥中少量可降解有機(jī)質(zhì)，產(chǎn)生微量有機(jī)酸，因此配方1 的pH 值變化幅度小且下降緩慢。其它配方土樣，在升溫階段時(shí)微生物因分解混合料中豐富的有機(jī)物并產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，導(dǎo)致土樣pH 值快速下降。經(jīng)過高溫階段和熟化階段，土樣的pH 值即可達(dá)到綠化種植土壤的pH 值標(biāo)準(zhǔn)（5.0 ≤pH 值≤8.0）。在后腐熟階段，微生物進(jìn)一步進(jìn)行生命活動(dòng)產(chǎn)生腐殖酸[12]，逐漸將土樣的pH 值調(diào)節(jié)在綠化種植土最優(yōu)中性pH 值范圍（6.5～7.0），并保持穩(wěn)定。

圖4 河道清淤淤泥基綠化種植土pH 值隨堆肥時(shí)間的變化

（3）好氧堆肥過程中土樣含鹽量變化

高含鹽量土樣可抑制微生物的生長(zhǎng)，降低肥效，而且容易損壞作物根系，長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致土壤鹽堿化。試驗(yàn)采用EC 值（電導(dǎo)率）表征土樣的可溶性鹽含量，堆肥過程中土樣含鹽量變化情況見圖5。由圖5 可以看出，摻入生物質(zhì)可提高土樣的EC 值，隨著堆肥時(shí)間的延長(zhǎng)，EC 值逐漸降低，說明好氧堆肥的過程可有效降低土樣的含鹽量，提高土壤質(zhì)量。在好氧堆肥過程中，隨著溫度的上升，土樣中部分氨氮逐漸揮發(fā)[13]，并有部分氨氮合成有機(jī)氮，導(dǎo)致水溶性氨氮含量下降。另外，土樣中K,Ca,Na,Mg 等金屬元素由可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)[14]，以上反應(yīng)過程均可降低土樣的含鹽量。不同配方的土樣經(jīng)過20 d 好氧堆肥后，土樣的EC 值均降至在0.8～1.7 之間，達(dá)到綠化種植土壤的EC值標(biāo)準(zhǔn)，既能為作物提供鹽分，又能保證作物根部不受損傷。

圖5 河道清淤淤泥基綠化種植土含鹽量隨堆肥時(shí)間的變化

2.4 綠化種植土可行性試驗(yàn)

2.4.1 白菜種子發(fā)芽率試驗(yàn)

為驗(yàn)證試驗(yàn)制備的綠化種植土可應(yīng)用性，選用大白菜種子進(jìn)行發(fā)芽率實(shí)驗(yàn)。在同一時(shí)間，在裝有相同量不同配方綠化種植土的種植盆中分別播種30顆白菜種子，并用本地土壤作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組設(shè)置3 個(gè)平行樣，播種7 d 后進(jìn)行發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)，白菜種子發(fā)芽率結(jié)果見圖6。由圖6 可以看出，不同配方制備的綠化種植土的白菜種子發(fā)芽率呈現(xiàn)明顯差異，配方1 的白菜種子發(fā)芽率僅為73.3%，未達(dá)到綠化種植土壤種子發(fā)芽率標(biāo)準(zhǔn)。而配方2 中白菜種子發(fā)芽率可達(dá)到93.3%，與本地土壤達(dá)到相同水平。另外，配方4 和配方5 的種子發(fā)芽率分別達(dá)到80%和83.3%，達(dá)到綠化種植土壤種子發(fā)芽率標(biāo)準(zhǔn)（≥80%）。

圖6 河道清淤淤泥基綠化種植土種子發(fā)芽率情況

2.4.2 園林植物栽植試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)制備的綠化種植土的可應(yīng)用性，選用具有代表性的園林綠化常用植物月季花苗、梔子花苗和香樟樹苗對(duì)配方2 （脫水泥餅/秸稈粉質(zhì)量比=2 ∶1，大白菜種子發(fā)芽率最高）、脫水泥餅和本地土壤進(jìn)行栽植實(shí)驗(yàn)對(duì)比，各組綠植種植30 d 后生長(zhǎng)狀態(tài)見圖7。對(duì)于香樟樹苗，各組生長(zhǎng)情況差異不大，均保持100%的存活率，且植株均有3～5 cm的增長(zhǎng)，推斷原因?yàn)橄阏翗渚哂休^強(qiáng)的適應(yīng)性和耐鹽堿性，對(duì)土壤要求不高。對(duì)于梔子花苗和月季花苗，各組植株生長(zhǎng)情況依次為：配方2 ＞本地土壤＞脫水泥餅。脫水泥餅種植組中月季花和梔子花均出現(xiàn)葉片枯黃壞死的現(xiàn)象，推斷原因可能與脫水泥餅呈堿性和孔隙率較低有關(guān)，而配方2 種植組中月季花和梔子花均有20～30 cm 的植株增長(zhǎng)，尤其是月季花苗均長(zhǎng)出花苞，并有少數(shù)植株已開花。通過以上盆栽實(shí)驗(yàn)證實(shí)了試驗(yàn)制備的河道清淤淤泥基綠化種植土的可行性。

圖7 河道清淤淤泥基綠化種植土栽植實(shí)驗(yàn)情況

3 結(jié)論

（1）坪山河河道清淤淤泥中重金屬含量均在綠化種植土壤I 類標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，適用于制備綠化種植土。

（2）脫水泥餅通過與生物質(zhì)摻料充分混合攪拌后經(jīng)快速好氧堆肥制備成河道淤泥基綠化種植土。堆肥過程中土樣的理化性質(zhì)發(fā)生一系列變化：生物質(zhì)的摻入為微生物群落和豐度的交替演變提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和外在條件，生物質(zhì)摻料摻量越大，發(fā)酵溫度越高，殺滅病原微生物和提升土樣肥力效果越好；快速發(fā)酵過程產(chǎn)生的有機(jī)酸和腐殖酸能有效地調(diào)節(jié)土樣的pH 值并保持穩(wěn)定；同時(shí)，快速發(fā)酵過程通過降低水溶性氨氮含量和轉(zhuǎn)化堿金屬形態(tài)有效穩(wěn)定了土樣的含鹽量。

（3）河道淤泥基綠化種植土白菜種子發(fā)芽率可達(dá)到綠化種植土壤種子發(fā)芽率標(biāo)準(zhǔn)，代表性園林綠植在各種植組中生長(zhǎng)情況依次為：河道淤泥基綠化種植土＞本地土壤＞脫水泥餅。

（4）試驗(yàn)證明了河道清淤淤泥制備綠化種植土的可行性，為我國(guó)河道內(nèi)源治理中淤泥的合理處置提供了科學(xué)思路。