新立城水庫取水口底泥清理與處理方案

楊敏軍，李桂娟

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 概 況

新立城水庫作為長(zhǎng)春市重要飲用水水源地之一，擔(dān)負(fù)著向長(zhǎng)春市第三凈水廠與第六凈水廠提供生產(chǎn)用水，同時(shí)也是農(nóng)安區(qū)重要供水水源，對(duì)長(zhǎng)春市供水起著不可替代的作用。

由于長(zhǎng)期的外源輸入和水生生物殘?jiān)某练e，底泥富集了大量的污染物，如重金屬、N、P等營(yíng)養(yǎng)物和難以降解的有機(jī)物等，成為水體污染的重要次生污染源（內(nèi)污染源），對(duì)人類健康和水體環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。根據(jù)底泥成分分析，新立城水庫的庫底底泥已經(jīng)處于有機(jī)污染狀態(tài)，且受到輕度重金屬污染。2010年3次壩址處底泥監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，六價(jià)鉻含量達(dá)標(biāo)，鎘含量基本達(dá)標(biāo)，總磷、氨氮、鉛、汞、砷含量超標(biāo)，其中鉛、汞、砷超標(biāo)較為嚴(yán)重。新立城水庫管理局先后兩次對(duì)取水口附近庫底底泥進(jìn)行了局部清理，一定時(shí)期內(nèi)改善了取水水質(zhì)，但因清理范圍有限、清理技術(shù)水平低等原因，沒有從根本上解決水庫內(nèi)源污染問題。

2 土工管袋脫水固化技術(shù)

面對(duì)大規(guī)模湖庫底泥干化處理的實(shí)施需求和傳統(tǒng)排泥場(chǎng)處置底泥的困境，迫切需要尋求新的、可行的底泥處置技術(shù)和方法。目前土工管袋在國外污染底泥脫水工程中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)如滇池淤泥疏浚工程、武漢外沙湖污泥清除工程、中新天津生態(tài)城污水庫治理工程中應(yīng)用且效果良好，其脫水工藝經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便、高效，非常適于國內(nèi)對(duì)江河、湖泊、水庫的底泥處置工程。根據(jù)土工管袋脫水固化工程實(shí)例，40 d內(nèi)底泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)可由95%降至60%以下。

土工管袋脫水固化分為3個(gè)階段，分別是充填、脫水、固結(jié)階段。①充填：將淤泥或污泥充填到土工管袋中，為加速脫水必要時(shí)可投加絮凝劑促進(jìn)固體顆粒固結(jié)。②脫水：清潔的水流從土工管袋中排出，其脫水原理主要是土工管袋材質(zhì)所具有的過濾結(jié)構(gòu)和袋內(nèi)液體壓力兩個(gè)動(dòng)力因素。經(jīng)脫水后超過99%的固體顆粒被存留在土工管袋中，滲出水經(jīng)監(jiān)測(cè)合格后達(dá)標(biāo)排放。③固結(jié)：存留在管袋中的固體顆粒填滿后，可以把土工管袋及其填充物送至垃圾填埋場(chǎng)或者將固結(jié)物移走，并在適當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行利用。

3 底泥清理與脫水干化處理方案

3.1 環(huán)保清淤的要求

底泥清理既要考慮工程實(shí)施中技術(shù)上的可行性及經(jīng)濟(jì)上的合理性，又要滿足環(huán)境保護(hù)的要求，在實(shí)施過程中不造成二次污染：在淤泥清理的過程中，既要防止擾動(dòng)引起淤泥的擴(kuò)散，并需要對(duì)脫水過程中產(chǎn)生的尾水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如水質(zhì)不達(dá)標(biāo)應(yīng)進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放或利用。

3.2 底泥清理范圍和厚度

取水口底泥清理范圍不能太小，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著水流運(yùn)動(dòng)，上游淤泥還將對(duì)取水口造成威脅，達(dá)不到有效治理的目的。依據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》湖泊、水庫飲用水水源保護(hù)區(qū)的劃分辦法，大型水庫取水口半徑500 m為一級(jí)保護(hù)區(qū)范圍；又依據(jù)《生活飲用水集中式供水單位衛(wèi)生規(guī)范》，地表水水源衛(wèi)生防護(hù)必須遵守下列規(guī)定：取水點(diǎn)上游1000 m至下游100 m的水域不得排入工業(yè)廢水和生活污水。由于造成水庫內(nèi)源污染的底泥中含有與生活污水、工業(yè)污水類似的污染物質(zhì)，因此新立城水庫飲用水源地污染防治項(xiàng)目，取水口底泥清理范圍確定為取水口1000 m半徑范圍。

生態(tài)清淤厚度的確定是一非常復(fù)雜而目前尚未從機(jī)理上完全解決的問題，目前多采用評(píng)估法確定。淤泥表層沉積物的清除，考慮到沉積層微地形不均勻影響,參照國內(nèi)外實(shí)施工程，淤泥清理深度以40～50 cm為宜。

3.3 底泥清理與處理方案

新立城水庫是長(zhǎng)春市主要供水水源，并擔(dān)負(fù)著重要的防洪任務(wù)，且工程清淤范圍大，因此不具備取水口采用圍堰方式放空后機(jī)械清淤的條件。水下機(jī)械清淤方案，施工環(huán)節(jié)少，技術(shù)上可行，根據(jù)新立城水庫生態(tài)清淤環(huán)保要求高、規(guī)模大、范圍廣、污染淤泥運(yùn)送距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，選擇水下機(jī)械清淤結(jié)合管道輸送、陸地固化處理技術(shù)較為適宜。

3.3.1 清淤設(shè)備選擇

環(huán)保絞吸式挖泥船是在傳統(tǒng)清淤設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和升級(jí)的挖泥船，其與普通絞吸式挖泥船的主要區(qū)別是配置了環(huán)保絞刀頭。特制的長(zhǎng)錐形罩殼式環(huán)保絞刀頭，四周設(shè)有縱向刀片及橫向刀片，內(nèi)部為泥漿腔體，外部加設(shè)防護(hù)罩殼，殼內(nèi)壁設(shè)有若干固定刀片，絞刀頭刀片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與之相切，可有效清除雜草。絞刀頭繞鉸接點(diǎn)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保不同深度、不同坡面下絞刀始終保持水平狀態(tài)，且外罩底邊圍裙始終和泥面貼合，既防止了因絞刀擾動(dòng)使底泥顆粒向罩外水體擴(kuò)散造成二次污染，也有助于提高挖掘濃度。

為了防止較大粒徑沙礫吸入，確保環(huán)保絞吸式挖泥船正常運(yùn)行，防護(hù)罩殼配有網(wǎng)孔大小為5 mm的過濾器將大顆粒雜物過濾掉；環(huán)保絞吸式挖泥船工作時(shí)配有水下探測(cè)探頭，當(dāng)探測(cè)到前方出現(xiàn)較大塊石時(shí)能及時(shí)避讓。

3.3.2 底泥脫水、重金屬鈍化穩(wěn)定處理方法

從當(dāng)前來看，底泥脫水應(yīng)用最廣泛的方法是傳統(tǒng)的排泥場(chǎng)自然脫水，該方法處置湖庫底泥，技術(shù)簡(jiǎn)單，占地較多，是國內(nèi)底泥處理工程（包括太湖底泥處理）常用方式。但這種脫水方式的效率非常低下，很可能造成二次污染問題。

若采用機(jī)械脫水方法(如板框壓濾)處理有機(jī)污染及重金屬污染底泥，盡管脫水效果好，但存在設(shè)備一次性投資高、需消耗動(dòng)力能源、建設(shè)車間廠房、處理能力不能滿足湖庫底泥現(xiàn)場(chǎng)治理工期短的要求等不足。

土工管袋應(yīng)用于湖庫底泥脫水減容，脫水效果好，含固率可低于50%；添加適當(dāng)重金屬螯合鈍化劑ECO-DEMETAL后，污泥脫水完成后重金屬浸出毒性檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于(GB16889—2008）《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的指標(biāo)要求，重金屬鈍化效果也完全滿足固體廢物資源化處置的環(huán)保要求。新立城水庫飲用水源地污染防治項(xiàng)目，取水口底泥處理選用該方案，處理成本相對(duì)較低，還具有節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)。

3.3.4 底泥干化后處置

根據(jù)2013年1月份對(duì)新立城水庫底泥風(fēng)干后進(jìn)行的重金屬成分分析，各種重金屬含量均低于（GB15618-2008）《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)重金屬元素標(biāo)準(zhǔn)限值，因此取水口底泥干化處理后，可滿足農(nóng)田、蔬菜地、果園、林地等土壤使用要求。根據(jù)新立城水庫實(shí)際情況，確定脫水干化后的底泥作為綠化營(yíng)養(yǎng)土使用。

3.3.5 底泥清理與處理流程

首先由環(huán)保絞吸船將取水口底泥吸上來，此時(shí)的底泥含水率大致為95%，泥漿通過管道（浮管、潛管、岸管）全封閉輸送至底泥脫水干化處理場(chǎng)。底泥干化場(chǎng)內(nèi)，先向底泥輸送管道中投加絮凝劑與螯合劑，絮凝劑可加速底泥脫水，重金屬螯合劑促進(jìn)重金屬離子鈍化穩(wěn)定，投加點(diǎn)位于土工管袋進(jìn)泥口前端，由管式靜態(tài)混合器充分混合，而后進(jìn)入土工管袋進(jìn)行脫水干化。底泥在土工管袋內(nèi)經(jīng)過填充、脫水、固化三個(gè)階段40 d左右時(shí)間可實(shí)現(xiàn)含水率降至60%左右，濾出水通過硬質(zhì)地面排水溝收集后排至水庫下游水體，固化后的干泥由車輛運(yùn)至林間空地作為綠化營(yíng)養(yǎng)土。

4 底泥處理工藝設(shè)計(jì)

清理出的底泥需脫水干化與重金屬鈍化穩(wěn)定處理，其中土工管袋充填、底泥干化場(chǎng)設(shè)計(jì)、藥劑投加系統(tǒng)是其中的重要環(huán)節(jié)。

4.1 土工管袋的充填過程

土工管袋的充填過程需要清淤船、加藥系統(tǒng)、土工管袋和排水系統(tǒng)形成有序的工作流程，整個(gè)充填過程大體分為4個(gè)步驟：管道連接、清淤調(diào)試、初次充填、后續(xù)補(bǔ)充填，初次充填和后續(xù)補(bǔ)充填是較為關(guān)鍵的過程。

初次充填時(shí)，與絮凝劑充分混合的底泥進(jìn)入土工管袋后，固體顆粒絕大部分被截留，瀝出水從管袋的縫隙中排除。隨著進(jìn)泥量的不斷增加，土工管袋的高度不斷提升，直至達(dá)到最大充填高度時(shí)停止充填，此時(shí)可開啟另一條土工管袋的充填口閥門進(jìn)行切換，初次充填時(shí)間約為5～8 h。

當(dāng)土工管袋初次達(dá)到最大充填高度時(shí)，其表面瀝水并未結(jié)束，在進(jìn)水停止、瀝水繼續(xù)的條件下，管袋的高度不斷下降，這時(shí)就可以開始第2次充填，依此類推，挖泥船可在不停止工作的情況下，使充填過程在每條土工管袋之間交替進(jìn)行。

單個(gè)土工管袋的充填次數(shù)多為8～10次，在后續(xù)充填過程中，隨著管袋內(nèi)底泥含固率的增加，每次充填的時(shí)間不斷減少，瀝出水量亦是初期較大，后期不斷減少。

4.2 底泥干化場(chǎng)設(shè)計(jì)

4.2.1 干化場(chǎng)位置選擇

根據(jù)新立城水庫取水口周邊地形，結(jié)合底泥干化場(chǎng)場(chǎng)地必須平坦的技術(shù)要求，經(jīng)比較底泥脫水干化場(chǎng)位置選定在水庫大壩北側(cè)，溢洪道東側(cè)，此處地面高程在207.1 m至207.4 m之間。此處距現(xiàn)有道路有一定距離，需鋪設(shè)長(zhǎng)度約為0.5 km的施工臨時(shí)道路。

4.2.2 土工管袋設(shè)計(jì)容積

土工管袋投加絮凝劑固化脫水處理水庫底泥，底泥含水率降至60%需經(jīng)過40 d左右時(shí)間。因此底泥處理一個(gè)周期需40 d時(shí)間，另據(jù)其他工程經(jīng)驗(yàn)，土工管袋充填完成時(shí)已經(jīng)約有六分之五水量從土工管袋中濾出，因此土工管袋實(shí)際所需容積應(yīng)為40 d底泥量的六分之一。待底泥干化達(dá)到含水率要求后運(yùn)出底泥干化場(chǎng)，下個(gè)周期清理出的底泥再進(jìn)行干化處理，依次交替運(yùn)行。

4.2.3 土工管袋堆放形式

土工管袋選用規(guī)格尺寸：長(zhǎng)度32 m，周長(zhǎng)30 m，最大充填高度為2.4 m，理論納泥容積為700 m3，管袋固結(jié)高度為1.8～2.0 m。選用價(jià)格較低，能滿足使用要求的聚丙烯材料土工管袋。

設(shè)計(jì)4條土工管袋為一組，單層結(jié)構(gòu)連續(xù)擺放，每組土工管袋總納泥容積為2800 m3。充填一組，準(zhǔn)備一組。以此計(jì)算，每個(gè)周期共需7組土工管袋，設(shè)置為1列7行。每列長(zhǎng)度128 m，寬度15 m；每行之間間隔4 m，用以設(shè)置排水溝、工人操作及干泥外運(yùn)車輛通行。

4.2.4 場(chǎng)地排水設(shè)計(jì)

每行土工管袋間設(shè)置梯形斷面漿砌片石排水溝，排水溝（i=0.01）終點(diǎn)設(shè)一座集水池，集水池內(nèi)安裝2臺(tái)排水泵，用于將濾出水排至下游水體。

4.2.5 場(chǎng)地防滲漏設(shè)計(jì)

土工管袋的脫水干化場(chǎng)地必須平坦，雜物(如樹根、堅(jiān)硬帶棱角的石塊等)有可能損害土工管袋。另外，場(chǎng)地底部需設(shè)置防滲漏結(jié)構(gòu)層，防滲結(jié)構(gòu)自下至上依次為：300 mm厚粘土地基、600 g/m2長(zhǎng)絲土工布、2 mmHDPE光面土工膜、600 g/m2長(zhǎng)絲土工布、500 mm厚級(jí)配卵石濾層，級(jí)配卵石濾層內(nèi)沿長(zhǎng)度方向布置DN250的HDPE打孔花管，間距為5 m，坡向排水溝一側(cè)。

4.3 藥劑投加系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)底泥在土工管袋內(nèi)完成快速脫水，需在其進(jìn)入管袋前投加絮凝劑并充分混合，絮凝劑選用陽離子聚丙烯酰胺（PAM）。

針對(duì)重金屬污染湖庫底泥脫水減容的問題，采用土工管袋脫水減容和重金屬鈍化穩(wěn)定的處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)汞等多種重金屬污染底泥的高效治理。添加對(duì)重金屬具有螯合穩(wěn)定作用的藥劑ECO-DEMETAL，據(jù)有關(guān)試驗(yàn)確定最佳添加量為11.93 kg/t污泥。

5 結(jié) 語

采用環(huán)保清淤與土工管袋聯(lián)合使用的方法應(yīng)用于湖庫底泥清理，具有機(jī)械化程度高、二次污染小、脫水后底泥含水率低等技術(shù)特點(diǎn)。通過投加絮凝劑、重金屬螯合劑，土工管袋能最大程度的截留底泥中的固體顆粒，脫水后底泥含水率可達(dá)到60%以下，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了重金屬離子的穩(wěn)定，對(duì)湖庫庫底泥污染治理取得了理想的效果。

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