長春市伊通河北北段底泥清淤處理處置設(shè)計探討

孫研， 穆玉峰

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司， 南京 210000； 2.南京市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 南京 210000）

隨著2015 年國務(wù)院頒布的《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）實施的不斷深入， 各地區(qū)對城市河道治理紛紛加大力度。 2016 年長春市頒發(fā)了《長春市落實水污染防治行動計劃工作方案》（簡稱“方案”）， 方案提出： 到2017 年， 建成區(qū)基本消除黑臭水體； 到2020 年， 飲馬河、 伊通河、 卡岔河、沐石河等水質(zhì)消滅劣Ⅴ類。 水體治理措施包含控源截污、 內(nèi)源治理、 生態(tài)修復(fù)、 活水保質(zhì)。 其中內(nèi)源治理強調(diào)在綜合調(diào)查評估河道水質(zhì)和底泥污染狀況的基礎(chǔ)上科學(xué)實施清淤疏浚， 妥善對底泥進行處理處置， 防止二次污染［1-3］。 本文通過對實際項目內(nèi)源污染存在的問題分析， 針對性地采取不同的處理處置措施， 合理、 高效地解決內(nèi)源污染問題， 為河道內(nèi)源治理提供相關(guān)的工程經(jīng)驗。

1 項目概況

長春市伊通河北北段（以下簡稱“北北段”）位于長春市區(qū)下游， 南起四化閘， 北至萬寶攔河閘， 全長約13 km， 其中， 四化閘至一間堡鐵路橋段長約5.5 km， 現(xiàn)狀河道水面較寬（128 ～639 m）； 一間堡鐵路橋至萬寶攔河閘段長約7.5 km， 現(xiàn)狀河道水面較窄（29 ～162 m）。 由于上游及支流水質(zhì)較差（劣V類）， 沿線點源污染、 面源污染匯入量大， 河道流速緩等多方面原因， 導(dǎo)致河道底泥淤積嚴(yán)重， 底泥中CODCr、 氨氮、 TP、 汞、 鎘、 有機物滴滴涕（DDT）等污染物超標(biāo)， 水質(zhì)長期呈劣V 類。 該河道整治工作于2016 年開始， 通過控源截污、 內(nèi)源治理、 生態(tài)修復(fù)等措施， 確保2020 年底北北段水質(zhì)達地表V 類水標(biāo)準(zhǔn)。

2 采樣方法

采用方格網(wǎng)法布置底泥采樣點， 網(wǎng)格間距50 m， 將河道分為若干單元格， 各單元格頂點對應(yīng)取樣點， 每個采樣點沿深度方向每間隔20 cm 取1 個樣品， 共取樣品1 457 個。 采樣后， 于-20 ～4 ℃冷凍保存， 并于14 d 內(nèi)完成樣品檢測。

3 存在問題及分析

3.1 底泥量大

根據(jù)北北段工程測繪單位及水利設(shè)計院提供數(shù)據(jù)： 四化閘至一間堡鐵路橋段底泥總量為363.08萬m3， 其中水利設(shè)計高程之上的底泥量為182.44萬m3， 水利設(shè)計高程以下底泥量為180.64 萬m3；一間堡鐵路橋至萬寶攔河閘段底泥總量為74.11 萬m3， 其中水利設(shè)計高程之上底泥量為39.33 萬m3，水利設(shè)計高程之下的底泥量為34.78 萬m3。

3.2 底泥中污染物釋放速率高

對進入北北段的污染負(fù)荷分析、 計算分配， 要求底泥內(nèi)源污染治理完成后， 北北段河道底泥中污染物CODCr、 氨氮、 TP 的目標(biāo)釋放速率分別為300、 80 和25 mg／（m2·d）。 對底泥污染物進行釋放試驗， 測得其中污染物CODCr、 氨氮、 TP 的釋放速率分別為660、 160 和70 mg／（m2·d）， 3 個污染物指標(biāo)均高于目標(biāo)釋放速率。

對河道底泥進行靜態(tài)檢測， 結(jié)果顯示： 水利設(shè)計高程處有機質(zhì)含量為0.06%～5.4%， 總氮含量為1 030 ～ 3 840 mg／kg， TP 含量為530 ～ 3 740 mg／kg。 參考DB 12／499—2013《中新天津生態(tài)城污染水體沉積物修復(fù)限值》［4］對于上述物質(zhì)濃度的環(huán)境管理允許限值， 底泥中的有機質(zhì)含量除一個點位外均不超標(biāo)； 總氮含量除2 個點位外均超標(biāo)， 平均超標(biāo)1 倍； TP 含量全部超標(biāo)， 平均超標(biāo)1.4 倍。

3.3 底泥中重金屬含量超標(biāo)

根據(jù)某檢測公司對北北段底泥的分析報告， 參照GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》三級標(biāo)準(zhǔn)，四化閘至一間堡段底泥中重金屬汞、 鎘超標(biāo)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例分別為33%、 43%， DDT 的超標(biāo)比例為64%， 超標(biāo)的重金屬鎘、 汞、 DDT 主要集中在表層60 cm 的底泥中； 一間堡至萬寶閘段底泥重金屬汞、 鎘超標(biāo)的樣本數(shù)占樣本總數(shù)的比例分別為6.25%、 0.62%， 而汞、 鎘的濃度平均值遠(yuǎn)小于GB 15618—1995 三級標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)限值。 因此，需對四化閘至一間堡段上層60 cm 重金屬超標(biāo)底泥采取必要的工程措施。

3.4 浸出液分析

北北段底泥樣品浸出液的檢測結(jié)果見表1。

表1 底泥浸出液檢測結(jié)果對比Tab. 1 Comparison of sediment leaching solution test results

由 表1 可 知， 檢 測 項 目 均 低 于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值， 經(jīng)鑒別本工程河道底泥不屬于危險廢物，可參照一般工業(yè)固體廢物， 執(zhí)行GB 18599—2001《一般工業(yè)固體廢物貯存、 處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，在妥當(dāng)位置衛(wèi)生填埋即可； 浸出液中重金屬濃度未超過GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中污染物最高允許排放濃度限值， 無需特別處理。

4 清淤方案

北北段河道底泥量大， 且表層60 cm 底泥重金屬含量超標(biāo)， 底泥需分層清淤。 考慮到東北地區(qū)冬季施工情況， 選擇圍堰排水干式清淤， 該方式清除的底泥固化前后體積變化較大， 體積縮減15.2%［5］；此法易于控制清淤厚度， 施工效率高， 冬季施工不受河道結(jié)冰的影響， 易于觀察清淤后河底狀況。

5 工程設(shè)計

5.1 重金屬超標(biāo)底泥處理處置

北北段重金屬超標(biāo)底泥量為91.24 萬m3， 根據(jù)長春市環(huán)境保護局批復(fù)的底泥環(huán)境影響評價報告，重金屬超標(biāo)部分底泥需先固化再運至填埋場填埋。

5.1.1 固化劑選擇

常用的固化方法主要分為5 種： 水泥固化法、石灰固化法、 熱塑性微包膠固化法、 聚合型固化法、 鎂系固化劑固化法。 其中熱塑性微包膠固化法對設(shè)備及技術(shù)要求高， 且需底泥先減量化［6］； 聚合型固化法在操作過程中會使重金屬溶出， 固化物老化破碎后， 污染物可能再進入環(huán)境［7］。

對水泥固化劑、 石灰固化劑、 鎂系膠凝固化劑（M1 固化劑）從固化后體積變化、 無側(cè)限抗壓強度（不小于25 kPa）及重金屬固化效果3 個方面進行試驗分析， 結(jié)果如下：

（1） 水泥固化劑的添加量在20% 時的無側(cè)限抗壓強度達58.2 kPa， 但固化后體積增加明顯［8］（增容比達1.52）， 且固化重金屬效果不佳。

（2） 石灰固化底泥的無側(cè)限抗壓強度較差（小于20 kPa）， 固化后體積增加明顯， 且在添加量較大時， 污泥的pH 值偏堿性， 底泥的惡臭氣味增加， 重金屬有析出現(xiàn)象。

（3） M1 固化劑的固化效果較好， 未檢測出有重金屬析出， 固化后底泥體積不增加； 添加量為15%時的無側(cè)限抗壓強度大于100 kPa。

綜上所述， 選擇鎂系膠凝固化劑（M1 固化劑）為最終底泥固化藥劑， 固化前后SEM 照片如圖1 所示， 固化前底泥結(jié)構(gòu)呈繁花狀， 固化后底泥結(jié)構(gòu)呈晶體形態(tài)且彼此相互交叉連結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 含水率降低， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 固化后整體體積不增加。

圖1 底泥固化前后SEM 照片F(xiàn)ig. 1 SEM images of sediment before and after solidification

5.1.2 固化相關(guān)參數(shù)確定

北北段中重金屬超標(biāo)底泥進行固化處理后需滿足以下2 項指標(biāo)： ①滿足運輸和填埋堆放要求， 暫按無側(cè)限抗壓強度25 kPa 考慮。 ②固化后底泥浸出液中的重金屬含量以滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中V 類標(biāo)準(zhǔn)和GB／T 14848—93《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為處理目標(biāo)。

現(xiàn)場進行試驗對固化后的底泥檢測上述2 項指標(biāo)， 針對固化劑的投加量和固化后時間進行正交分析， 從而確定滿足上述指標(biāo)的最佳固化劑投加量和固化時間。

對取樣樣本進行底泥浸出液結(jié)果測試和強度測試， 結(jié)果如表2 所示。

表2 固化底泥浸出試驗結(jié)果Tab. 2 Leaching test results of solidified sediment

無側(cè)限抗壓強度檢查結(jié)果見表3。

表3 無側(cè)限抗壓強度檢測結(jié)果Tab. 3 Unconfined compressive strength test results

根據(jù)試驗結(jié)果， 同時參照GB／T 14848—93 中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)， 當(dāng)固化劑摻加量為15%、 養(yǎng)護72 h 后表明能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 養(yǎng)護24 h 后強度試驗結(jié)果表明能滿足裝車運輸要求， 可在24 h 后運至填埋場， 在填埋場內(nèi)再進行養(yǎng)護。

綜上所述， 固化劑摻加量暫定15%， 采用M1固化劑， 摻加量暫定為130 ～165 kg／m3， 具體工程中再進行調(diào)整。

5.1.3 底泥填埋場設(shè)計

對長春周邊地區(qū)進行走訪， 選擇德惠市米沙子鎮(zhèn)蘭家村機磚廠（簡稱“蘭家填埋場”）、 沃皮鄉(xiāng)唐障子村5 社機磚廠（簡稱“沃皮填埋場”）取土坑為最終底泥填埋場建設(shè)點。 填埋場底部均設(shè)有濾液收集系統(tǒng)， 收集系統(tǒng)由主管（DN 300 mm HDPE穿孔管）與支管（DN 200 mm HDPE 穿孔管）成魚刺形布置， 濾液經(jīng)收集系統(tǒng)后進入收集池， 定期由罐車送至北郊污水廠處理。

蘭家填埋場占地面積約為9.52 hm2， 底部設(shè)有3 排主管， 主管間距約為120 m， 支管間距約為30 m， 共需主管758 m， 支管1 859 m； 沃皮填埋場占地面積約為11.27 hm2， 底部設(shè)有3 排主管， 主管間距約為130 m， 支管間距約為25 m， 共需主管822 m， 支管2 408 m。

填埋場防滲采用復(fù)合土工膜＋天然鈉基防水毯＋復(fù)合土工膜的形式。 填埋場由下往上結(jié)構(gòu)依次為： 夯實基礎(chǔ)層； 100 mm 細(xì)砂； 7 mm 長絲復(fù)合排水網(wǎng)格； 600 g／m2復(fù)合土工膜； 5 000 g 天然鈉基防水毯； 600 g／m2復(fù)合土工膜； 40 cm 厚卵石層（d ＝20 ～60 mm）及HDPE 穿孔管； 7 mm 長絲復(fù)合排水網(wǎng)格； 400 g／m2長絲土工布； 固化底泥層（7 ～9 m）； 300 mm 黃粘土層； 800 mm 種植土層。

5.2 非重金屬超標(biāo)底泥處理處置（水利高程之上）

根據(jù)現(xiàn)場實際情況并結(jié)合伊通河北北段水利及景觀的用土需求， 北北段河道內(nèi)非重金屬超標(biāo)底泥采用生態(tài)土工管袋脫水后回填于一間堡至萬寶閘西岸灘地。 單個袋體寬度為13.75 m， 長度為30.6 m，充填高度為2.3 m， 固結(jié)高度為1.7 m， 固結(jié)袋體容積為715 m3， 共需要生態(tài)土管數(shù)量約2 178 個。

5.3 非重金屬超標(biāo)底泥處理處置（水利高程之下）

北北段底泥量較大， 全部清淤處理工程量大，處置困難。 根據(jù)底泥污染物含量測定結(jié)果可知， 水利高程處全氮、 全磷仍超標(biāo)， 因此采用生態(tài)河床構(gòu)建及污染物阻隔的組合方式降低底泥中污染物對水體的影響。

5.3.1 生態(tài)河床構(gòu)建

在四化閘至水利樁號K1＋800（有效水深0.83 ～2.08 m）之間設(shè)置生態(tài)河床， 平面布置如圖2 所示。具體設(shè)置如下：

圖2 生態(tài)河床平面布置Fig. 2 Ecological bed layout

（1） 沉水恢復(fù)面積： 643 000 m2；

（2） 微生物生長基布置： 四化閘下游布設(shè)面積為60 400 m2， 東新開河入河口布設(shè)面積為86 310 m2； 總布置面積為146 710 m2；

（3） 生態(tài)礫石床： 20 000 m2。

5.3.2 河床覆蓋阻隔

在水利樁號K1＋800 至一間堡鐵路橋段有效水深超過2 m， 不利于生態(tài)河床的構(gòu)建， 對該區(qū)域采取環(huán)保清淤， 清淤厚度為50 cm， 保證河床覆蓋后河底標(biāo)高不超過水利設(shè)計高程， 清淤后再采用“碎石＋石籠”的方式覆蓋， 一定程度上降低淤泥中污染物向水體中釋放速率， 同時也為水生動物提供適合繁殖生長的環(huán)境。 碎石部分厚200 mm， 上部石籠厚300 mm（石籠網(wǎng)中填充粒徑50 ～200 mm 山皮石）。

6 結(jié)語

此次對伊通河北北段底泥的處理處置采用清淤、 生態(tài)河床構(gòu)建、 污染物阻隔等多種措施， 實現(xiàn)了內(nèi)源污染控制。 通過對工程項目的分析與設(shè)計， 形成以下主要結(jié)論：

（1） 伊通河北北段底泥量較大， 且底泥中CODCr、 氨氮、 TP 的釋放持續(xù)影響著河道水質(zhì)， 四化閘至一間堡段底泥中重金屬汞、 鎘超標(biāo)比例分別為33%、 43%， 有機物DDT 的超標(biāo)比例為64%，超標(biāo)的重金屬鎘、 汞、 DDT 主要集中在表層0.6 m以內(nèi)的底泥中。

（2） 本工程清淤采用圍堰干式清淤法， 施工工藝簡單， 清淤淤泥含水率較其他清淤方式更低。

（3） 合理、 高效地處理處置北北段底泥是本次工程的重要內(nèi)容： 對水利高程之上重金屬超標(biāo)部分底泥采用固化＋衛(wèi)生填埋的方式， 固化劑采用鎂系固化劑， 摻加量為15%（質(zhì)量比）， 固化后24 h 轉(zhuǎn)運至蘭家鄉(xiāng)與沃皮村2 座填埋場； 對水利高程之上非金屬超標(biāo)部分底泥采用生態(tài)土工管袋脫水后結(jié)合水利與綠化用土需要進行土方消耗； 對水利高程之下部分底泥采用生態(tài)河床構(gòu)建與污染物阻隔相結(jié)合的方式減少底泥清淤及處理處置量， 降低投資， 緩解財政壓力。