底泥陶粒在水生态修复中的应用

时间：2024-05-25

叶晶，怀志文，黄咏文，徐涛，蔺庆伟，周林，赵剑

（1.武汉中科水生生态环境股份有限公司，武汉 430000；2.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007）

中国内陆河流污染问题严重，河流底泥疏浚是恢复河流生态环境、改善水质、控制内源负荷的重要途径［1，2］。2016 年中国年产疏浚底泥共计5 亿m3（水下体积），疏浚后将形成淤泥（密度为1.4 g/cm3）约6.7 亿m3，2020 年中国疏浚底泥达到51.7 亿m3［3］。不断增加的淤泥使得堆场用地十分紧缺，同时存在堆场长期占用土地和处理不当易产生二次污染等问题。对疏浚底泥的处理方法一般为土地利用，制造填方材料和建筑材料［4-6］。这些处理方法使得底泥中的有益物质无法被利用，造成资源浪费［7］。由于部分底泥污染严重，富集重金属等物质，常规填埋和土地利用等方法均存在重金属和有机物污染的风险［8，9］，底泥处置和资源化利用亟需科学合理的方法。

国内外研究人员使用清淤底泥制作陶粒。Yue等［10］以脱水污泥和黄河底泥为原料，进行超轻陶粒生产试验。Wang 等［11］通过引入沸石和膨润土来确定沉积陶粒烧结三组分混合料的最佳配比。关于陶粒净化水体的研究主要包括煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒［12］，粉煤灰陶粒是研究人数最多、技术最为成熟的1 种固体废物生产的陶粒。以河道底泥制备陶粒去除污染物的研究鲜有报道。底泥陶粒具有孔隙率高、化学和热稳定性佳等特性，使其成为一种良好的磷吸附剂［13-15］。同时，其表面积大、密度小、强度高的特点，使得能够覆盖在河湖底泥表层，抑制底泥的再悬浮，并吸附水体中过量的营养盐和污染物等［16］。这些优质特点使得底泥陶粒对于改善水质和控制富营养化有良好的应用潜力。经过高温（温度需大于1 000 ℃）烧结后的陶粒，其中的重金属能够得到有效的固定，避免造成二次污染［16］。底泥中含有的Al、Fe、Ca、Mg 等元素，还是制造功能性陶粒的良好原料［17］。底泥的陶粒化不仅为清淤底泥提供了去处，也实现了清淤底泥的生态处置和资源化利用，变废为宝，产生积极的生态效应，对中国生态文明建设具有重要的现实意义。

本研究结合底泥陶粒的特点及在水质净化过程中的高效作用，详细分析了底泥陶粒在水生态修复中的优势，并对底泥陶粒未来在水生态修复中的应用提出展望，旨在为底泥陶粒的应用提供新的思路。

1 底泥陶粒的制备及特点

1.1 底泥陶粒的制备

1973 年挪威首先进行了底泥陶粒生产［18］，中国底泥陶粒的制备起步较晚，1999 年才开始进行相关研究［19］。底泥陶粒的制备过程一般分为原料的预处理、底泥的性质分析、配料、混合和成型、干燥和预烧、焙烧、冷却等步骤。清淤底泥在制作陶粒前需要进行泥水分离，脱水干化是实现减量化的有效措施［20］，底泥脱水方法主要有自然干化法、机械脱水法和土工管袋法。脱水后的底泥需要筛出细小杂质并使底泥各部分均匀混合，并进一步对底泥的性质进行分析判定，底泥的塑性、化学组成、颗粒大小等因素都会对底泥陶粒的烧制产生较大影响［17］。不同用途的底泥陶粒其最佳原料成分和最佳含量有所不同，超轻陶粒的最佳原料成分和配比范围为SiO2，48%～65%；Al2O3，14%～20%；Fe2O3，5%～9%；MgO，CaO，3%～5%；Na2O+K2O，1.5%～3.0%；烧失量2%～5%［21，22］，而高强陶粒为SiO2，55%～65%；Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O，50%；Al2O3，18%～25%；Fe2O3+FeO，6%～10%；CaO+MgO，4%～6%；K2O+Na2O，1.5%～4.0%；烧失量3%～5%［23］，具体根据底泥成分及目标陶粒的用途精准调配，以达到最好的制备效果。

原料搭配后必须混合均匀以达到陶粒质量均质化的效果，并使用塑化法、干法、泥浆法或粉末成球法、成球盘法等方法对陶粒进行成型处理［24］，并使其含水量控制在10%～30%［25］。预成型陶粒经自然干燥或者烘箱干燥可以减少能耗并起到陈化作用，而预热则可以预防陶粒在制备过程中炸裂，减少消耗［17］。焙烧是制备底泥陶粒最重要的环节，不同的陶粒对焙烧的要求也有所不同，烧胀的焙烧温度应在1 000～1 250 ℃，焙烧时间为10～35 min［26］。当制作高强陶粒时，时间应适当延长以维持陶粒的强度。冷却对陶粒的性能也能产生一定影响，冷却速率过快会造成陶粒破裂，质量下降，在冷却过程中，700～400 ℃内需要缓慢冷却，以降低陶粒的筒压强度。

1.2 底泥陶粒的特点

底泥陶粒作为类球状材料，特殊的形状决定了陶粒的比表面积相对较大（图1）［27］。巨大的比表面积能使其与周围的介质充分接触，可以有效吸附和过滤水中的有毒有害物质。预热和焙烧过程中的高温煅烧能使底泥中的丰富有机碳燃烧并产生气腔和空洞，最后使底泥陶粒相对于同体积的底泥具有质轻多孔、孔隙率高的特点［28］。由于经过高温的煅烧，底泥中的SiO2、Al2O3等物质在高温下发生物理化学反应，使得陶粒的强度更高，不易损坏，并且为了提高陶粒的强度，在底泥配料过程中还可加入黏土等物质。此外，底泥陶粒还具有表面粗糙、易挂膜、能有效进行生物降解等特点［29，30］，这些特点使得底泥陶粒在污水处理滤料方向有较多研究和应用。

2 对底泥的原位治理

底泥疏浚后陶粒化的回填能够起到稳定河床，减少扰动的作用。相对于自然底泥，底泥陶粒化后的高强度结构及类球状的外形对外界的抗干扰能力更强，不易受风浪影响，能够避免底泥翻涌而引起的水体透明度下降、湖底地形变化。底泥陶粒的回填能够实现对底泥营养和重金属的覆盖，阻隔底泥与上层水体的直接接触，进而减少污染物向水体的迁移，减轻水体水质恶化和水体富营养化。底泥陶粒的多孔结构以及球状结构还能增加河流底部的溶氧量，为底泥中微生物群落的生长和发育提供良好的环境，保证微生物的生理生化过程，促进对底泥中有机物质的矿化分解作用，弱化底泥的污染性，实现生态清淤。方红卫等［31］研究表明，陶粒回填后，床面稳定性增加，相同水动力条件下颗粒不易再悬浮，底泥释放通量明显减小，床面溶解氧渗透深度增加。范锦忠［18，22］的研究也证明了底泥陶泥在泥水交界面形成的隔绝带，能够有效地阻止水中的污染物质向上层水体转移迁徙。

3 对水体水质的高效净化

3.1 直接吸附营养盐、重金属

水体中的氮磷营养物质主要来自底泥中的内源污染物和外源污染物，即农药、化肥、生活污水等，底泥陶粒可以用于污染水体中氨氮、磷、COD、重金属和其他难以降解的有机物的有效去除［31］。底泥陶粒主要利用吸附作用原理去除水体中营养盐、重金属和COD。如底泥陶粒对磷的吸附过程为，①液膜将磷传递到吸附剂表面，温度越高，膜扩散过程越快；②内扩散和外扩散共同组成扩散过程，吸附速率开始变慢；③底泥陶粒表面吸附了大面积的磷分子，表面剩余吸附位点较少，水体中磷浓度变低，存在电荷排斥作用，吸附区域平衡［32］。底泥陶粒的投加量增大，水体总磷浓度降低，当投加量为3 g 时，总磷质量浓度降至0.20 mg/L，投加量进一步增大，总磷浓度下降缓慢［33］。陶粒的吸附能力与比表面积呈正相关，而陶粒越小表面积越大、数量越多，越有助于对磷的吸附解吸和去除，使得水体中磷含量下降，可以有效地限制藻类大量快速繁殖，降低藻类暴发［34］。比表面积越大，其可以提供越多的吸附位点和通道，底泥陶粒吸附动力学符合单层吸附的Langmuir 模型，Langmuir 吸附模型作为单层吸附模型，理想状态下所有表面位点的吸附能量都相等，吸附位点间互相不影响［35］。

3.2 提高微生物多样性

水体中游离的微生物存在对环境适应能力差且随着水流流失的问题，而底泥陶粒在烧制过程中形成多孔结构，表面粗糙构造，比表面积较大，微生物可以附着在污泥陶粒孔隙中，形成一种承载微生物群落的载体［36］。为微生物的附着、固定、生长提供了适宜的环境空间，形成一层生物膜，能够获得较高的生物量。通过Hitachi S-520 电子扫描电镜的观察，发现其表面多沟壑，主要以发达大孔隙为主，其余是中小孔隙，且微生物可以吸收、转化、清除或者降解水体环境的污染物，去除水体中的氮、磷。

同时陶粒给微生物提供了很好的生存和发生反应的场所，微生物附着在陶粒的表面和孔隙里，水体中的氨氮通过硝化细菌和反硝化细菌发生的硝化作用氧化NH4+-N，NH4+-N 浓度降低即限制性因素中氮含量下降，抑制藻类暴发［37］。固定化水环境中微生物群落包括硝化和反硝化细菌、光和细菌类、芽孢杆菌，用于水生态修复。硝化细菌广泛应用到水处理，如产碱杆菌属（Alaligenes）、脱氮副球菌属（Paracoccusdenitrificans）和假单胞菌属（Pseudomonas）等，以硝酸盐氮和亚硝酸盐氮为电子受体，将氮源转化为氮气［38］。光合细菌属于革兰氏阴性菌，可以进行光合作用，在厌氧光照和黑暗好养条件下生存，陈爽等［39］研究表明以活性底泥和粉煤灰为原材料生产的陶粒能够固化水中的有效微生物群落。

4 为沉水植物存活提供条件

4.1 提供固着基质

底泥陶粒有利于植物的生长发育［34］。陶粒制备成颗粒物，而非沙土，可以为较高的沉水植物提供支撑作用，根系盘踞在陶粒内，保护其根系不容易发生断裂。陶粒吸附磷后表面会较之前更光滑，因为磷酸根可能与陶粒成分中Ca、Al 等氧化物发生反应附着在陶粒表面，所以陶粒可能为沉水植物提供需要的元素［40］。陶粒吸附在表面或孔隙中的氮磷营养物质可以给植物、微生物提供其所需的营养成分及陶粒和陶粒间具有一定的间隙容易营造厌氧区和好氧区给微生物提供较好的生长场所，而植物不能直接吸收水中的营养物质比如大部分的磷形态，需要通过微生物分解转化作用将水和陶粒中的有机物转化释放为植物可以直接吸收的形式，促进植物吸收有助于下植物生长发育［41］。

4.2 避免植物烧根

当底泥营养物浓度超出临界阈值时，沉水植物体的水分就会随着植物根部流向营养浓度高的底泥中，造成烧根的现象，植物会出现衰退甚至消失［42］。陶粒和其他填料的回填，植物扎根在陶粒而不是根系直接接触高营养底泥，避免了烧根的情况。同时，高营养底泥在陶粒下面，可以缓慢地释放营养物质到水中，通过微生物和浮游生物的转化给植物吸收提供生长所需要的营养成分。

4.3 提高水体透明度

无论是高温烧结还是免烧法制备陶粒，陶粒粒径相对于底泥泥沙较大，不容易悬浮在水体，使得泥水分层清晰，能够最大程度降低水体浊度［31］。

陶粒物理吸附能力强、化学反应能力快，有助于净化水体中的含油废水等有机物质，从而降低河流浊度［11］。水体富营养化污染主要是由于水中的N、P 限制性营养元素超标，水中蓝藻、微囊藻等藻类大量繁殖导致水体浑浊不清［43］。陶粒是通过物理化学吸附降低水中N、P 营养物质浓度，控制藻类的繁殖。林高瑞等［44］在西安市园林区的试验结果表明，当水体中的N、P 含量减少时，能够在一定程度上抑制水中藻类的生长。郭雅倩等［45］研究表明，水中N、P 含量的下降能够影响藻类的繁殖。水体中营养盐浓度的下降，则依赖于陶粒-微生物-植物三者的共同作用来净化水质［38］，从而提高水体的透明度以达到修复湖泊河流的目的。