咸宁市水库淤积物品质特性及资源化利用

2021-12-16彭子凌刘心愿

长江科学院院报 2021年12期

陈霞，彭子凌，周显，刘心愿

(1.长江科学院材料与结构研究所，武汉 430010：2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

长江流域水库群的大量兴建和运用，使得水流减缓、水深增加，导致大量泥沙淤积在水库中，而泥沙是水体重金属离子和有机污染物的重要运输载体，吸附在泥沙表面的污染物会随着泥沙在库区的淤积而沉淀、富集，从而对水体水质及环境产生较大影响[1-2]。因此，水库泥沙引发的环境问题值得重视，尤其是淤积物中的富营养元素、重金属污染问题[3-5]。淤积物中氮、磷的释放易造成水体富营养化，同时，重金属由于具有毒性、不可降解性和累积性，一旦进入环境并且达到一定的浓度，就会对环境产生极大的危害[6-12]。因此，对水库淤积物的富营养化和重金属元素进行研究，并将水库清理出来的沉积物开展资源化利用，不仅能够变废为宝，也对人类健康和生态环境有着极其重大的作用。

本文通过对湖北省咸宁市某水库淤积物的调查及取样分析，探究水库淤积物的富营养化和重金属元素含量情况，采用地质累积指数和潜在生态危害指数对底泥中的重金属污染状况和生态风险进行评价。此外，提出了咸宁市某水库淤积泥、砂的资源化利用方案，旨在通过分析咸宁市某水库淤积物富营养化和重金属元素污染现状，为水库的污染调查和评价提供参考，也为改善流域生态环境提供技术支持。

2 取样及分布

根据现场调研，考虑取样的代表性与泥沙淤积规律，按照从坝前往上游追溯的规律布置取样点S1—S10，其中S1—S4位于库尾，S5—S10沿库中往上游分布。取样点的分布基本涵盖了该水库从库尾到库首的整个河段，具有较好的代表性。在这10个取样点中，S1—S7为水库湖心底取样，S8—S10为冲击洲岸坡取样，具体取样点及情况说明见表1。

表1 咸宁市某水库取样点列表Table 1 Sediment sampling sites of a reservoir in Xianning City

3 淤积物组成及物化特性

3.1 化学成分分析

试样采用X射线荧光光谱仪进行化学成分分析，化学组成检测结果见表2。从表2可以看出，试样的化学成分均以Al2O3、SiO2和Fe2O3为主，其中SiO2含量最高，其次为Al2O3，Fe2O3含量最低，三者之和占试样总量的88%以上。此外，试样中还含有少量的MgO、CaO和R2O(碱含量)等。湖心底淤泥试样的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分别为23.36%、61.15%、6.43%和2.62%，砂样的Al2O3、SiO2、Fe2O3和R2O含量的平均值分别为17.18%、69.07%、3.09%和5.29%。比较湖心底淤泥与砂样的化学成分可知，淤泥试样的Al2O3和Fe2O3含量略高于砂样，SiO2和R2O含量低于砂样。

表2 试样化学组成检测结果Table 2 Chemical compositions of samples %

3.2 富营养元素含量检测

根据全国第二次土壤普查制定的土壤养分分级标准，耕地土壤根据养分含量划分为6个不同等级，详见表3。

表3 全国第二次土壤普查制定的土壤养分分级标准Table 3 Classification criterion of soil nutrient formulated by the second national soil survey

将取样置于室内放至自然干燥，测得其含水率；然后根据《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定各样品中总氮含量；根据《水质总磷的测定流动注射-钼酸铵分光光度法》(HJ 671—2013)测定各样品中总磷含量。试样总氮和总磷的试验检测结果见表4。

表4 试样的总氮与总磷含量Table 4 Total nitrogen and total phosphorus content of samples

从取样点分布可知，总氮和总磷的含量分布大体呈现上游高下游低的趋势，淤泥S1—S7试样的总氮和总磷含量明显高于砂样S8—S10，且淤泥的总氮和总磷含量可达砂样的10～20倍。比较不同取样点的总氮含量可知，S1和S4试样的总氮含量达到二级土壤标准，S2、S5—S7试样的总氮含量达到三级土壤标准，S3试样的总氮含量超过四级、接近三级土壤标准。各试样的总磷含量变化规律与总氮含量类似，试样S1、S4的总磷含量明显高于其他试样，其次为S5—S7和S2—S3，砂样的总磷含量最低。

3.3 重金属元素含量检测

将烘干试样混合均匀后按照四分法取样，碾磨成粉后采用电感耦合等离子体质谱仪进行重金属含量检测，测试重金属种类包括汞(Hg)、镉(Cd)、铬(Cr)、砷(As)、铅(Pb)、铜(Cu),试验结果见表5。对比《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》(GB 36600—2018)和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中对各重金属元素的含量限值，几组试验中检测出的Cu、Pb和Hg的含量均远低于这2个标准中的风险筛选值。试样S7中检测出Cd含量为0.62 mg/kg，超过农用地风险筛选值(0.60 mg/kg)但低于风险管制值，即说明该水库底泥用作农用地土壤时，可能存在使农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险，原则上应采取农艺调控、替代种植等安全利用措施。试样S3中As含量超过建设用地第一类用地的风险筛选值但低于风险管制值，达到第二类建设用地标准和农用地标准，即可以考虑该类水库底泥用作《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011)中规定的第二类用地土壤吹填或用作农用土壤。试样S1、S2和S4的As含量均超过农用地风险筛选值但低于风险管制值，达到第二类建设用地标准，可以考虑该类水库底泥用作除水田以外的其他农用土地或《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011)中规定的第二类建设用地土壤。

表5 试样的重金属含量测试结果Table 5 Content of heavy metals of samples

3.4 砂样品质检测

3.4.1 颗粒级配

根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)对本次取样获得的砂样S8—S10分别进行品质检验，砂的颗粒级配筛分试验结果列于表6。从表6可知，各组砂样的细度模数在0.94～1.37之间，颗粒平均粒径为0.229～0.247 mm；从细度模数看，参照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)，砂样均属于特细砂。砂样中粒径d≤0.08 mm的颗粒含量范围为0.3%～4.8%，粒径d≤0.16 mm的颗粒含量范围为1.1%～11.5%；其中S8号取样点粒径d≤0.08 mm和d≤0.016 mm的颗粒含量最高。

表6 砂样的颗粒级配Table 6 Particle gradation of sand

3.4.2 品质指标检测

砂样S8—S10的其他品质检验结果见表7。从检测结果可以看出，砂样的表观密度在(1 740～2 180 kg/m3)之间，含泥量在2.16%～3.76%之间。值得注意的是，砂样S9的云母含量高达11.52%，远超过《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52—2006)中对砂的品质指标要求。由于云母含量测试方法只能测试砂中粒径d≥0.315 mm的游离云母含量，而获取砂样的平均粒径仅为0.229～0.247 mm，砂样粒径d<0.315 mm颗粒含量较普通砂更高，因此，实际砂样中的云母含量可能更高。云母一般呈薄片状，表面光滑，强度很低，且易沿节理错裂，与水泥浆的粘结力很差，是混凝土用砂中有害物质之一。当砂中云母含量超过一定限度时，混凝土拌和物和易性、混凝土强度、耐久性等均有显著降低。基于砂样的检测结果，对于云母含量非常高的部分取样点的砂样，若用作混凝土用砂，在使用之前应经过漂洗、筛选，并结合试验充分论证砂样中的云母含量合理控制范围，尽量降低砂样云母含量及其对混凝土性能的不利影响。

表7 砂样的品质检验结果Table 7 Quality test results of sand

4 环境评价和资源化利用途径分析

4.1 重金属污染评价

本研究选取具有代表性的地质累积指数法和潜在生态危害指数法来评价土壤中的重金属污染。

4.1.1 地质累积指数法

地质累积指数评价法是通过对重金属元素在沉积物中的分布及变化特征进行描述，进而对重金属的环境影响进行评价的一种方法[13]，具体表达式为

(1)

式中：Iego为地质累积指数；Cn为目标元素的检测浓度；BEn为目标元素在环境中的背景值，本研究中的Cd、Cr、Cu、As、Pb、Hg背景值参照正常颗粒沉淀物中重金属的最高背景值，对应的取值分别为0.50、60.0、30.0、15.0、25.0、0.25 mg/kg；1.5为背景值的修正系数。不同重金属元素的地质累积指数的分级评价标准如表8所示。

表8 地质累积指数污染评价标准Table 8 Evaluation standard of geological accumulation index

利用地质累积指数法对咸宁市某水库底泥中的重金属元素进行评价，结果如图1所示。由图1可知：试样中 Cd、Cu、Hg的地质累积指数均<0，对应的污染程度全部为无污染；试样中Cr的地质累积指数，除了S2、S7试样中为0外，其余试样均<0，对应的污染程度为无污染；试样中As的地质累积指数，除了S1、S2、S4试样处于0和1之间、在无污染-中度污染区域外，其余试样均<0，对应的污染程度为无污染；试样中Pb的地质累积指数均处于0和1之间，污染程度在无污染-中度污染区域。

图1 不同重金属元素的地质累积指数Fig.1 Geological accumulation index of heavy metals

4.1.2 潜在生态危害指数法

潜在生态危害指数评价法通过考虑不同影响因素来综合评价沉积物中的重金属对环境的潜在危害[14]，具体的表达式为

(2)

(3)

表9 潜在生态危害评价标准Table 9 Evaluation standard of potential ecological risk

利用潜在生态危害指数法对咸宁市某水库底泥中的重金属元素进行评价，结果如图2所示。由图2可知，所有试样中的 Cd、Cr、Cu、As、Pb和Hg的潜在生态危害指数均<40，对应的潜在生态危害均为轻微危害。同时，综合潜在生态危害指数的评价结果显示，所有试样的重金属的综合潜在生态危害指数均<150，因此该水库综合潜在生态危害为轻微生态危害。在所有试样中，S7试样的各单一重金属的潜在生态危害指数和综合潜在生态危害指数均高于其他试样，其潜在生态危害风险相对更大。S7取样点正好位于水库河流型库区向湖泊型库区过渡位置，过渡区流速减缓，悬浮物大量沉积，导致该区域潜在生态危害较高[15]。

图2 重金属元素的潜在生态危害指数和综合潜在生态危害指数Fig.2 Potential ecological risk index and comprehen-sive potential ecological risk index of heavy metals

4.2 资源化利用途径分析

基于前述水库试样淤泥和砂的组成及物化分析，可知咸宁市某水库的湖心底泥的总氮和总磷含量较高，且部分重金属含量较高，长期堆放对周围环境造成二次污染的风险较高。结合技术创新，实现有毒有害和高氮磷河湖底泥的无害化处理以及废弃污染底泥和淤积砂的资源化利用，可从根本上解决淤积泥沙的去向问题，通过资源化利用可满足当地工程建设对原材料的迫切需求，技术、经济和社会效益十分显著。

4.2.1 河湖底泥的处理与资源化利用

河湖底泥的无害化处理和资源化利用途径见图3。根据肥料组成分析，肥料必须提供植物所需的“氮、磷、钾”三要素、“钙、镁、硫”三中素和“硼、锰、锌、铁、钼、铜、氯”七微素，结合咸宁市某水库河湖底泥成分分析可知，部分底泥的总氮磷养分达到二级和三级土壤标准，且还含有一定的钾、钙、镁、硫和铁、铜、氯等元素。该淤泥经过脱水后可制成泥饼，部分重金属含量满足《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284—2018)的泥饼可用作农用土壤，提高土壤肥力、促进植物生长，适用于耕地、园林和绿化等。

图3 咸宁市某水库底泥的无害化处理和资源化利用途径Fig.3 Harmless treatment and resource utilization of the sediment of the reservoir in Xianning City

部分重金属含量超过农用地风险筛选值但低于风险管制值的河湖底泥，经脱水处理后，可采取农艺调控、替代种植等安全利用措施，用作不种植食用农作物的耕地土壤；达到第一类或第二类建设用地标准的河湖底泥，经过脱水处理后可用作《城市用地分类与规划建设用地标准》(GB 50137—2011)中规定的不同途径的工程建设用地，包括居住用地、公共服务、医疗用地以及道路交通、绿地广场等。

对于重金属元素含量较高且脱水后残余量仍不满足农用和建设用地土壤环境标准的河湖底泥，可通过材料改性、固化和稳定化后，制备高性能吸水陶粒吸附污水中的污染物，用作中等交通填方路基填料。淤泥中Al2O3、SiO2和Fe2O3三者之和占试样总量的88%以上，可用作生料生产水泥，也可以通过改性、高温煅烧等工艺生产建设用砖等。

4.2.2 淤积砂的资源化利用

基于开展的砂样品质检验，利用水库淤积砂用作建筑原材料供应当地和周边地区工程建筑用砂，不仅可有效缓解当前面临的砂石骨料供需矛盾，还能为咸宁市某水库清淤泥沙资源化利用提供切实可行的渠道。基于前述砂样品质检验结果以及《建设用砂》(GB/T 14684—2011)关于砂的分类，本次检测砂样的细度模数在0.94～1.37之间，均属于特细砂(细度模数=0.7～1.5)。采用细度模数0.7～1.5或平均粒径0.15～0.25 mm的特细砂配制特细砂混凝土，其性能可接近同标号的中砂配制的混凝土。采用水库淤积砂或与其他砂混掺配制混凝土，可以广泛应用于当地的工业、民用建筑及市政工程，充分发挥“因地制宜、就地取材”的优势，不仅可以大幅降低高价外购砂的人力和物力成本，还能显著缓解当前建设用砂的供需矛盾。