魏河下游段河道沉積物疏浚處置技術(shù)研究

張志青

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

河道沉積物疏浚是將河流底部的沉積物進(jìn)行清理疏通，將淤泥從河底運(yùn)走，進(jìn)而恢復(fù)河流的過水?dāng)嗝?，保證水流通暢[1]。同時，河道疏浚施工產(chǎn)生的沉積物要妥善處理，不能造成二次污染。隨著國家對環(huán)境要求逐步提高，河道沉積物疏浚處置項(xiàng)目越來越多[2]。該文主要研究魏河下游段的沉積物疏浚和處理技術(shù)，對同類型的河道治理具有參考意義。

1 沉積物分布

魏河是賈魯河的重要支流，具有典型的季節(jié)性河流特征，在秋冬季非汛期，河道的流量較小；而在夏季主汛期，河道流量較大。魏河在京港澳高速以上河段已按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過生態(tài)治理，所以，下游段的污染情況并不嚴(yán)重，河道底部的沉積物主要是無毒沉積物。

通常，河道的底泥主要由顆粒物組成。顆粒物主要由粉砂和黏粒構(gòu)成，受污染程度較大的底泥中，顆粒直徑較小。此外，河道底泥還有很多有機(jī)質(zhì)和無機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)一般為腐殖質(zhì)和有機(jī)氮、有機(jī)磷，例如蛋白質(zhì)、氨基酸等。無機(jī)質(zhì)則是一些氧化物，如二氧化硅、三氧化二鋁等。

1.1 魏河下游段河道底泥的分層

河道底泥分為三層，最上一層為浮泥層，該層為黑色絮狀物，含水率非常高，以粉砂為主，粒徑很小，厚度為3cm左右，浮泥層污染物含量非常高。中間一層為近代沉積層，呈黑色，結(jié)構(gòu)疏松，主要是植物和動物的殘骸及有機(jī)垃圾，近代沉積層厚度0.5m～1m，該層的主要污染物是重金屬離子。最底下一層為原始沉積層，呈黃色，結(jié)構(gòu)緊密，而且質(zhì)地堅(jiān)硬，含水率很低，污染物較少，主要是滲透性重金屬污染物。該層厚度可達(dá)3m以上。

河道的沉積物清淤疏浚施工，主要針對浮泥層和近代沉積層，污染物集中在這兩層中。

1.2 河道底泥的污染物

河道底泥中的污染物主要分為三類。一類是有機(jī)污染物，而且以有毒難降解有機(jī)物為主。有機(jī)污染物周邊的水體，碳氮比大于10，污染源自于河岸上的污水排泄，然后沉降吸附在土質(zhì)顆粒上，在河道底泥中沉積。選取本次施工的河段，在典型的WH6+335、WH6+500、WH7+121、WH7+370、WH8+200五個樁位，采集水樣進(jìn)行了測試，得到的有機(jī)污染物含量見表1。

表1 魏河下游段的有機(jī)污染物含量/%

由表1中數(shù)據(jù)可知，魏河下游段的有機(jī)污染物分布規(guī)律，醇類、酯類污染物的含量較高，其中酯類污染物平均值達(dá)到了33.1%。苯類污染物和酮類污染物的含量較少，有毒性的苯系列污染物含量僅為2.1%，所以，魏河下游需要施工的河段，河道底泥基本沒有毒性。

第二類污染物是營養(yǎng)鹽，主要成分是氮磷元素，氮磷元素富集會造成水體富營養(yǎng)化，河道內(nèi)的藻類大量繁殖，而藻類生長會消耗大量氧氣，導(dǎo)致其他生物無法生存。

第三類污染物是重金屬離子，降解難度非常大，而且重金屬污染會通過食物鏈進(jìn)入人體，損害人類健康。經(jīng)調(diào)查取證，魏河下游段的重金屬主要有鋅、鎘、錳、銅、鎳等。

2 沉積物疏浚處置技術(shù)

本次治理的魏河屬于典型的季節(jié)性河流，非汛期流量小，汛期流量大。根據(jù)這一特點(diǎn)，治理段河道施工必須選在非汛期進(jìn)行，并且必須進(jìn)行導(dǎo)流施工，臨時建設(shè)縱向和橫向的擋水圍堰，將施工段河流分成左右2個部分，選擇一側(cè)施工，另一側(cè)導(dǎo)流。本側(cè)施工完畢后，再換另一側(cè)施工。根據(jù)工程情況，制定魏河下游段河道沉積物疏浚處置施工流程如圖1所示。

圖1 魏河下游段河道沉積物疏浚處置施工流程

2.1 沉積物清淤技術(shù)

施工過程中，先在河道一側(cè)開挖導(dǎo)流溝，將河道現(xiàn)有的基流引至導(dǎo)流溝內(nèi)，然后在另一側(cè)施工，待施工完成后，在另一側(cè)交換施工。

2.1.1 水利清淤

河道的上層底泥主要是浮泥層，含水率非常高，無法直接采取機(jī)械方式清淤。針對浮泥層的施工，采用水力清淤的方式，利用高壓水泵和水槍，沖刷浮泥層淤泥，將淤泥沖刷至下游處預(yù)先挖掘的泥漿池，用泥漿泵將匯集的泥漿抽吸至岸邊的沉積物減容池，等待進(jìn)一步處理。

2.1.2 機(jī)械清淤

對水力沖刷無法徹底沖刷的河道底泥，采用長臂自航式挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘。在開挖過程中，河道內(nèi)有流塑狀淤泥出現(xiàn)，可配備水陸兩棲挖掘機(jī)1臺～2臺，自河道上游向下清淤。挖掘機(jī)組合成階梯隊(duì)列，長臂挖掘機(jī)在最前部的工作面清淤開挖。

施工過程中，對上述典型的WH6+335、WH6+500、WH7+121、WH7+370、WH8+200五個樁位，采集河道沉積物進(jìn)行了含水率檢測，得到的檢測結(jié)果見表2，并繪制了折線圖如圖2所示。

圖2 魏河河道沉積物含水率曲線

表2 魏河河道沉積物含水率檢測/%

由檢測數(shù)據(jù)看出，水力清淤處理的泥漿含水率基本在97%以上，平均值為98%；機(jī)械清淤處理的沉積物含水率為86%～88%，平均值為87.5%。水力清淤所得沉積物，含水率非常高，機(jī)械清淤得到的沉積物，含水率稍低，均需要進(jìn)行風(fēng)干減容處理。

2.2 沉積物減容技術(shù)

魏河河道的沉積物疏浚處理工程采用帶式脫水機(jī)減容技術(shù)。帶式脫水機(jī)采用帶式濃縮機(jī)和帶式壓濾機(jī)組合，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)脫水，最后得到含水率較低的泥餅[3]。在脫水減容過程中，要在清淤處理后的沉積物中加入絮凝劑，提高脫水速度。絮凝劑與沉積物混合后，形成絮凝團(tuán)，絮凝團(tuán)進(jìn)入帶式污泥脫水機(jī)重力脫水區(qū)，在布料機(jī)構(gòu)的作用下，絮凝團(tuán)沉積物隨著濾帶向前運(yùn)動，在重力作用下脫去沉積物的空隙水[4]。然后沉積物進(jìn)入帶式污泥脫水機(jī)的楔形脫水區(qū)。在楔形脫水區(qū)，沉積物被兩條濾帶形成的楔壓力擠壓，進(jìn)一步脫水。最后進(jìn)入低壓區(qū)、高壓區(qū)，通過壓榨進(jìn)行脫水。經(jīng)過重力脫水、楔壓脫水、低壓脫水、中壓脫水和高壓脫水，沉積物的含水率逐步降低。

脫水前測定污泥的初始含水率，脫水過程中每隔1h對濾液測試一次，共4次。測試數(shù)據(jù)見表3，繪制折線圖如圖3所示。

表3 帶式脫水機(jī)過程測試數(shù)據(jù)

由圖3和表3可知，水力清淤和機(jī)械清淤的沉積物經(jīng)過3 h的脫水減容后，含水率降為72%，脫水減容效果顯著。隨著脫水時間再增加，脫水效果也不再明顯，基本保持在70%以上，很難再進(jìn)一步降低。而且，水力清淤方式的沉積物，在開始脫水的前1h內(nèi)，含水率降低非常明顯，在脫水的2h～3h階段，含水率甚至低于機(jī)械清淤的沉積物含水率，說明水力清淤的上層河道底泥為浮泥層，含水率高，顆粒直徑小。

圖3 帶式脫水機(jī)過程曲線

2.3 沉積物處置技術(shù)

2.3.1 填埋

經(jīng)過處理后的河道沉積物，直接填埋在河道兩側(cè)的堤岸，采用衛(wèi)生填埋的方式，底部有襯墊系統(tǒng)，頂部不進(jìn)行封閉，利用植物修復(fù)技術(shù)，清除河道沉積物中的重金屬污染物。頂部不能種植高大樹木，只能種植草本植物，因?yàn)闃淠靖蛋l(fā)達(dá)，能深入地下3m甚至更深位置，容易破壞填埋場的結(jié)構(gòu)[5]。填埋場兩側(cè)可栽植白楊，起到防風(fēng)護(hù)坡作用。魏河下游段的衛(wèi)生填埋場的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 魏河下游段的衛(wèi)生填埋場的結(jié)構(gòu)

2.3.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)利用植物自身凈化作用，吸收其生長環(huán)境中的污染物，將吸收的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、儲存和富集。植物修復(fù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于去除重金屬和有機(jī)污染物（如芳香烴、苯和農(nóng)藥），成本低、效率高、環(huán)境友好。通常，植物修復(fù)技術(shù)包括植物萃取技術(shù)、根際過濾技術(shù)和植物穩(wěn)定化技術(shù)。植物修復(fù)的基本原理是通過植物的根系吸收作用， 提取分散在土質(zhì)中的污染物，轉(zhuǎn)移到植物地上莖葉部位，最后收獲植物進(jìn)行后處理，從而完成污染物治理。植物修復(fù)技術(shù)的原理如圖5所示。

圖5 植物修復(fù)技術(shù)的原理

2.3.2.1 植物萃取技術(shù)

植物萃取利用植物根系對重金屬進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移，集中貯存在植物的地上莖葉部位，然后收集植物地上部分，進(jìn)行特殊處理，從而達(dá)到治理土壤重金屬污染的目的。

重金屬污染修復(fù)植物，一般具有針對性，只對特定的一種或少數(shù)幾種金屬元素具有富集累積作用，常見的修復(fù)植物與對應(yīng)的重金屬見表4。

表4 植物修復(fù)與對應(yīng)的重金屬關(guān)系

因?yàn)槲汉酉掠味蔚闹亟饘傥廴疚镏饕卿\、鎘、錳、銅、鎳，經(jīng)過處理的河道底泥的這些重金屬污染物需要用對應(yīng)的植物修復(fù)。適合種植白銅錢、香根草、白蘇、龍葵、印度芥菜、商路、九節(jié)木、李氏禾，可根據(jù)園林綠化部門的規(guī)劃，統(tǒng)籌安排。

2.3.2.2 根際過濾技術(shù)

根際過濾技術(shù)利用積累植物或者耐重金屬植物從土質(zhì)中吸收、沉淀和富集重金屬。吸收的金屬元素主要保留在根中。植物根際過濾與植物萃取的原理相似。植物根際過濾的優(yōu)點(diǎn)是可利用植物對污染物進(jìn)行原位修復(fù)，并且污染物也不必轉(zhuǎn)移。

2.3.2.3 植物穩(wěn)定化技術(shù)

植物穩(wěn)定化技術(shù)可以抑制土壤中重金屬污染物的活性，防止污染物進(jìn)一步擴(kuò)散。在這項(xiàng)技術(shù)中，耐受重金屬的植物將土壤中高濃度污染物覆蓋，同時限制了土壤侵蝕和污染物向地下水中淋溶。根系表面的吸附、積累作用以及根際的沉淀作用可以有效降低金屬元素的滲透流動。

3 結(jié)語

河道沉積物疏浚對治理水環(huán)境、保證水流通暢具有重要作用。該文以魏河下游段的沉積物疏浚處置工程為研究對象，分析了該河段的沉積物分布情況，對實(shí)際疏浚施工中使用的水力清淤技術(shù)、機(jī)械清淤技術(shù)、帶式脫水機(jī)減容技術(shù)和沉積物處置方法進(jìn)行了論述，該系列施工技術(shù)對魏河下游段的河道治理發(fā)揮了良好的成效。該文研究的河道沉積物疏浚處置技術(shù)對同類型的河道治理具有參考意義。