太湖生態(tài)清淤設(shè)備選擇及底泥處理技術(shù)比選

馬農(nóng)樂，嚴麗芳

（1.上海東南工程咨詢有限責任公司，上海 200434；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

1 基本情況

太湖是太湖流域洪水和水資源調(diào)蓄中心，是我國第三大淡水湖，屬典型的平原淺水湖泊。20世紀60～70 年代，太湖流域農(nóng)民在農(nóng)閑時入湖罱泥作為農(nóng)田有機肥，當時每年人工罱湖泥量達到180～200萬m3，對太湖水體自凈起到了促進作用。80年代開始入湖罱湖泥逐漸減少，至90 年代基本不再罱湖泥，水質(zhì)也日益變差[1]。自2000年開始，無錫市開展了太湖生態(tài)清淤的工程實踐，先后陸續(xù)實施了梅梁湖區(qū)梅園水廠和小灣里水廠水源地生態(tài)清淤工程，五里湖生態(tài)清淤工程和梅梁湖生態(tài)清淤一期工程等工程。

2007 年5 月無錫供水危機以后，《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》將太湖底泥生態(tài)清淤納入生態(tài)修復(fù)項目，提出要對太湖實施清淤工程，清淤量約3000 萬m3，先后開展竺山湖、梅梁湖、貢湖、東太湖、西沿岸區(qū)等湖灣的生態(tài)清淤工程，截至2017年已累計完成太湖生態(tài)清淤面積131.3 km2，清淤工程量約3900萬m3。2014年太湖西部沿岸區(qū)開展了太湖新一輪清淤工程，生態(tài)清淤總量超過1770 萬m3，涉及太湖西沿岸區(qū)、竺山湖、梅梁湖、東太湖。生態(tài)清淤是削減和控制底泥內(nèi)源釋放的工程手段，清除表層底泥中長期積累的營養(yǎng)鹽，是減少湖泊內(nèi)源污染、提高水環(huán)境質(zhì)量、改善水生態(tài)的重要舉措。

2 清淤設(shè)備選擇

底泥疏浚主要目的是改善湖區(qū)的水生態(tài)環(huán)境，實施環(huán)保疏浚，防止疏浚和余水的二次污染，因此疏浚施工機械要根據(jù)疏浚目的、地質(zhì)條件、施工條件、疏浚機械性能等各方面要求進行選擇，滿足清淤規(guī)模、施工精度、環(huán)保等要求，并盡可能消除底泥再懸浮和污染物釋放風險，對周邊水體擾動影響要小，防止泥水輸送過程中二次污染。因此，清淤工程對疏浚施工設(shè)備的選擇要求較高，在船型選擇時應(yīng)充分考慮土質(zhì)、水深、排距、疏浚深度等因素，需具備有效清除受污染底泥的能力，同時疏浚時要盡量減小底泥擴散半徑。疏浚設(shè)備有：抓斗式挖泥船、IMS 清淤設(shè)備、氣動吸泥泵生態(tài)清淤船、環(huán)保絞吸式挖泥船等。

2.1 抓斗式挖泥船

抓斗式挖泥船（見圖1）有自航和非自航兩種。自航式挖泥船一般帶泥艙，泥艙裝滿后自航至排泥區(qū)卸泥；非自航式則利用泥駁裝泥和卸泥；挖泥時運用鋼纜上的抓斗，依靠其重力作用，放入水中一定的深度，通過插入泥層和閉合抓斗來挖掘和抓取泥沙，然后通過操縱船上的起重機機械提升抓斗出水面，回旋到預(yù)定位置將泥沙卸入泥艙或泥駁中，如此反復(fù)進行。抓斗挖泥船一般用于航道、港池及水下基礎(chǔ)工程的挖泥工作，適合于挖掘淤泥、礫石、卵石和粘性土等。

圖1 抓斗式挖泥船

2.2 IMS清淤設(shè)備

全液壓驅(qū)動挖泥船是專用于湖泊、池塘、水庫、運河、河道、水渠、碼頭等清淤的環(huán)保型清淤設(shè)備。它具有效率高、體積小、便于移動、星輪自行系統(tǒng)、多功能等特點，成為國外廣泛使用的小型挖泥船。該船型設(shè)備先進，適用性強，運輸方便，特殊的護罩設(shè)計，可使泵出泥漿含固率達到20%～30%，但排距大于1 km時需設(shè)接力泵。該船型生產(chǎn)率較低，目前可用船型生產(chǎn)率為100 m3/h。

2.3 氣動吸泥泵生態(tài)清淤船

氣動吸泥泵生態(tài)清淤船是2015 年由國內(nèi)研發(fā)的新型環(huán)保生態(tài)清淤船（見圖2），具有清淤徹底、無二次擴散污染、精準施工、底棲生物依賴層保護完好、排泥濃度高的特點。目前氣動吸泥泵生態(tài)清淤船在江蘇、福建、天津等相關(guān)清淤工程上都有應(yīng)用。

圖2 氣動吸泥泵生態(tài)清淤船

2.4 環(huán)保絞吸式挖泥船

環(huán)保絞吸式挖泥船（見圖3）配備有環(huán)保絞刀頭，可進行環(huán)保清淤，是國內(nèi)已引進的常用設(shè)備。環(huán)保型絞吸式挖泥船在國內(nèi)清淤工程中廣泛采用，該船型應(yīng)用效果良好。

2.5 設(shè)備選型

環(huán)保型絞吸式挖泥船船型較多，考慮太湖為淺水型湖泊，平均水深不足2.0 m，選用生產(chǎn)率可達350 m3/h的船型。該船型排泥濃度為15%～20%，使用效果良好。根據(jù)船型的吃水深度為0.8（空載）～1.25 m（滿載），結(jié)合工程清淤條件和施工強度要求，推薦采用350 m3/h 環(huán)保型絞吸式挖泥船和1200 m3/h 的氣動吸泥泵生態(tài)清淤船相結(jié)合的清淤方式，在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇排泥濃度較高的氣動吸泥泵生態(tài)清淤船。

圖3 環(huán)保絞吸式挖泥船

3 淤泥處置

疏浚淤泥處置遵循無害化、資源化利用原則，可通過物理化學法和生物工藝來完成，對常用的板框壓濾脫水法、自然干燥法、離心脫水法、淤泥化學固化法、增壓式真空預(yù)壓法及土工管袋脫水法等6種技術(shù)方案進行綜合比選。

3.1 板框壓濾脫水法

板框壓濾脫水法主要原理是通過添加專用泥水分離劑，改變底泥的泥水結(jié)合模式，再利用專用的脫水機對淤泥進行高壓和濃縮作用，促使淤泥中泥、水迅速分離，實現(xiàn)淤泥脫水干化，脫水處理后的土體含水率可控制在35%～60%。

板框壓濾的主要特點如下：①淤泥采用板框式壓濾機進行脫水干化，干化土含水量低，強度高，遇水不易軟化；②干泥在后續(xù)堆放地點的選擇上也更加靈活，用途更加廣泛，可用于回填等基礎(chǔ)填筑工程，有效實現(xiàn)淤泥的資源化利用；③工程臨時占地面積小，針對不同的工程規(guī)模、臨時用地限制等條件，均可靈活布置，節(jié)約工程用地；④板框壓濾脫水是目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的淤泥處置工藝。

3.2 自然干燥法

淤泥自然干燥有自然暴曬、人工翻曬、底面脫水、塹壕挖掘等方式。此類方法屬于利用太陽光能、空氣對流對淤泥進行自然脫水、干燥，或利用淤泥自重壓密促使含水率下降的工法。優(yōu)點是：施工工藝非常簡單，直接處理成本最低，適合處理少量的、中低含水率的、無污染的原狀淤泥。缺點是：淤泥在自然狀態(tài)下脫水效率低，干燥周期長，施工需要長時間占用大量場地，且工期受天氣條件影響很大。

3.3 離心脫水法

離心脫水法主要原理是通過添加生物氧化劑分解底泥中部分有機污染物，再通過分級分篩系統(tǒng)分篩出底泥中的沙粒、粉粒等，最后利用脫水設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的離心作用使底泥中的泥水分離，實現(xiàn)淤泥脫水干化，脫水處理后的土體含水率可控制在45%～60%。

離心脫水法的主要特點如下：①分級分篩出砂粒，減量化程度大，分篩出來的砂可作為建筑用砂；②離心脫水過程不需添加堿性物質(zhì)，以絮凝劑為主，對土壤無害，并可對有害物質(zhì)進行固封和無害化處理，可作園林綠化用土，也可用于建筑填土；③干化土含水量較低，強度較高，遇水不易軟化，可用于回填等基礎(chǔ)填筑工程，有效實現(xiàn)淤泥的資源化利用；④壓濾余水有機質(zhì)降低明顯，pH值呈中性，對環(huán)境無二次污染風險；⑤可連續(xù)生產(chǎn)，處理能力大，臨時占地面積小，節(jié)約工程用地。

3.4 淤泥化學固化法

固化原理是在淤泥中添加固化劑材料，進行攪拌混合，制成淤泥固化土。固化劑的填加，引起固化劑和水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生Ca（OH）2產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與土顆粒發(fā)生離子交換作用，并附和在顆粒間形成固化物，并使淤泥中的自由水減少，強度增加。

固化處理須選擇合適的淤泥含水量，以減少工程投資。淤泥在預(yù)處理后，檢測其含水率及有機質(zhì)及其它指標，根據(jù)相關(guān)指標及本工程設(shè)計要求，確定固化劑配比，然后做試樣，再檢測，符合設(shè)計要求后，可正式投入生產(chǎn)。

3.5 增壓式真空預(yù)壓法

增壓式真空預(yù)壓法主要是利用土體增壓技術(shù)的原理，通過在土體內(nèi)打設(shè)增壓管，增加土體內(nèi)部壓力，加大土體內(nèi)部與排水板間壓力差，在增壓氣體的作用下，土體產(chǎn)生微裂隙，縮短排水路徑，加快土體排水效率。

3.6 土工管袋脫水法

土工管袋本質(zhì)上是一種高效的高強度過濾容器，固液混合物在其中發(fā)生沉淀、分離，通過重力作用將水排出土工管袋外，底泥存留在管袋內(nèi)，脫水處理后的土體含水率可控制在50%～60%。土工管袋脫水系統(tǒng)包含脫水平臺、管道、助劑投加設(shè)備組件及土工管袋單元4 大部分組成：脫水平臺實現(xiàn)承載、防滲（保護地下水）、排水三大功能，排水通常通過排水溝來引導(dǎo)；管道主要功能為泥漿輸送、助劑與泥漿反應(yīng)的場所、反應(yīng)效果監(jiān)測；助劑投加設(shè)備組須實現(xiàn)助劑的溶解配置、助劑的定量泵送兩大主要功能；土工管袋單元是整個土工管袋系統(tǒng)功能元件，利用不同的堆放方式達到不同的目標，高強度的土工管袋單元可以用堆疊的方式減少占地。

土工管袋脫水法的主要特點如下：①投資少，無需大型設(shè)備投入；②工期短，經(jīng)過簡單的場地平整與防滲膜鋪設(shè)，即可開展淤泥脫水固化作業(yè)，對于工期緊、超大方量的淤泥固化尤其具有優(yōu)勢；③淤泥全程封閉在管袋和管路中，無淤泥暴露和泄露，有效減少淤泥臭味外泄；④大幅提升濾液水質(zhì)，濾出液水質(zhì)均能達到新提標的國標一級A 排放標準，大幅降低后續(xù)水處理成本和難度；⑤可通過減少重金屬不穩(wěn)定態(tài)的含量、降低重金屬的活性使淤泥達到無害化；⑥不添加固化劑和無機藥劑，不造成干污泥的增量，且干泥可以就地農(nóng)用或用作綠化用土。

4 淤泥固結(jié)技術(shù)工藝比選

對6 種淤泥處置方法進行比較，疏浚淤泥固結(jié)方案比較見表1和表2。根據(jù)不同工藝技術(shù)指標比較情況，板框壓濾脫水及離心脫水兩種機械固化脫水工藝在處理后底泥含水率、處理周期、減量化、無害化方面差異不大，固結(jié)后底泥均可用于填方材料、建筑材料等。板框壓濾由于泥餅固結(jié)過程中需要加入較多調(diào)質(zhì)劑，泥餅不適于復(fù)耕，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)連續(xù)性較差，能耗、運行費用及投資相對較高。

離心脫水可經(jīng)生物氧化降低底泥有機質(zhì)含量，使底泥脫臭，并可對含沙的淤泥可通過分級分篩生產(chǎn)出沙用作建筑用沙，提高資源化利用率，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)連續(xù)性好，但施工人員投入較多，能耗、運行費用及投資相對較高。

采用化學固化方式處理的淤泥，由于其化學性質(zhì)發(fā)生改變，不宜進行復(fù)耕，適合用于填方材料、建筑材料方面，利用方向受到限制，土方的利用必須與用土需求相結(jié)合，才能達到綜合效益的最大化。同時，化學攪拌固化各生產(chǎn)環(huán)節(jié)連續(xù)性差，施工人員投入較多，能耗、運行費用及投資相對較高。

真空預(yù)壓方案的真空系統(tǒng)采用水氣分離的造壓系統(tǒng)往復(fù)式真空泵，每臺泵所能控制的面積較大，使處理費用降低，節(jié)省了投資。同時，真空預(yù)壓方案采用“管代砂”思路，無論從經(jīng)濟角度還是保護生態(tài)環(huán)境都具有重大意義。

土工管袋脫水法脫水工藝相對環(huán)保，淤泥全程封閉在管袋和管路中，無淤泥暴露和泄露，不添加固化劑和無機藥劑，干泥可以就地利用（農(nóng)用或用作綠化用土），固化周期短，日處理量大，無需建廠，無需大型設(shè)備，對于工期緊、超大方量的淤泥固化尤其具有優(yōu)勢，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)連續(xù)性好，無固化土中間轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，施工人員投入較少，能耗、運行費用及投資相對較低。

表1 不同脫水固結(jié)工藝技術(shù)指標分析

表2 不同固結(jié)工藝技術(shù)優(yōu)劣勢對比

5 淤泥處置方式

淤泥固結(jié)工藝根據(jù)排泥規(guī)劃、周邊場地條件、施工周期等因素，結(jié)合工藝優(yōu)缺點進行確定。太湖流域城鎮(zhèn)化程度較高、用地緊張，經(jīng)綜合比選，從工藝的優(yōu)劣勢來看，較適用的淤泥固結(jié)方式主要有增壓式真空預(yù)壓法和土工管袋脫水法，從投資角度看，增壓式真空預(yù)壓法較優(yōu)，但從節(jié)省工期看，土工管袋脫水法更具優(yōu)勢。

推薦采用土工管袋脫水法為主，具備條件的排泥場輔以增壓式真空預(yù)壓法的固結(jié)方案。

6 結(jié)語

太湖流域土地資源緊缺，大量清淤導(dǎo)致淤泥堆放困難，因此確定合適的設(shè)備和廣泛應(yīng)用的技術(shù)處理淤泥，成為太湖實施清淤疏浚的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)過設(shè)備選型和淤泥處置技術(shù)比選，對底泥脫水能夠減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，以便于后期的進一步利用。踐行新時代治水新思路，受污染水體治理的重點和根本是加強外源治理和控制，實施全流域的系統(tǒng)治理，才能有效降低入湖污染物，進而抑制藍藻水華與湖泛的發(fā)生。