生態(tài)清淤及淤泥處置技術(shù)在水庫(kù)整治中的應(yīng)用

湯德意,沈 杰

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020; 2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

生態(tài)清淤是以改善水環(huán)境為主要目的,對(duì)清淤精度和污染物二次擴(kuò)散有較高要求的環(huán)保疏浚方式[1-3],可以清除并安全處理污染底泥,控制和減輕內(nèi)源污染,是目前最有效的底泥污染處理措施之一[4-5]。環(huán)保絞吸式挖泥船和氣力泵船是應(yīng)用最為廣泛的生態(tài)清淤設(shè)備,其優(yōu)點(diǎn)是施工擾動(dòng)影響小,吸入泥漿濃度高,可有效減少污染物的擴(kuò)散[6]。生態(tài)清淤設(shè)備的選擇視水深條件而定,環(huán)保絞吸式挖泥船適用于水深30 m以內(nèi)的生態(tài)清淤,其工作效率高于氣力泵船;水深較大時(shí)可采用氣力泵船,其最大挖深可達(dá)100 m。生態(tài)清淤得到的底泥含水率往往極高,呈流體狀態(tài)[7],因此在清淤規(guī)模較大時(shí)需要對(duì)疏浚底泥進(jìn)行快速妥善處理,并尋找合適的資源化利用途徑。淤泥快速處置是一種可以將高含水率淤泥在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行泥水分離的技術(shù)[8-10],以機(jī)械脫水法和真空預(yù)壓法較為常見。機(jī)械脫水法具有占地少、脫水效率高、處理效果好等優(yōu)點(diǎn),但費(fèi)用相對(duì)較高;真空預(yù)壓法的造價(jià)較低、設(shè)備簡(jiǎn)單,但需要大面積的臨時(shí)堆場(chǎng),且處理效果不及機(jī)械脫水法。

近年來(lái),生態(tài)清淤及淤泥處置技術(shù)已成功應(yīng)用于我國(guó)南方地區(qū)的湖泊清淤工程,典型的有江蘇太湖、云南滇池、杭州西湖和安徽巢湖等環(huán)保疏浚工程[11-15],但在大中型水庫(kù)生態(tài)清淤工程中的應(yīng)用幾乎是空白。與湖泊生態(tài)清淤相比,水庫(kù)生態(tài)清淤的難點(diǎn)和特殊性主要體現(xiàn)在:①水庫(kù)大多兼具供水水源功能,生態(tài)清淤施工不能影響水庫(kù)正常供水;②水庫(kù)的水深水壓較大，水流較快,生態(tài)清淤施工必須滿足水庫(kù)復(fù)雜多變的水下作業(yè)環(huán)境;③水庫(kù)庫(kù)底沉積物往往由膠粒、黏粒和粉粒等細(xì)小土顆粒組成[16-17],清淤過(guò)程中極易受擾動(dòng)影響而擴(kuò)散,導(dǎo)致吸附于底泥的污染物質(zhì)重新釋放至水體中,造成二次污染;④水庫(kù)大多位于山區(qū),其附近往往不具備設(shè)置大面積淤泥堆場(chǎng)的條件。

水庫(kù)生態(tài)清淤?zèng)]有可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。為研究生態(tài)清淤及淤泥處置技術(shù)在深水水庫(kù)中的應(yīng)用及效果,本文以浙江省浦江縣通濟(jì)橋水庫(kù)生態(tài)清淤工程[18]為例,介紹了該工程所運(yùn)用的生態(tài)清淤及淤泥處置關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)生態(tài)清淤過(guò)程中水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),分析生態(tài)清淤施工對(duì)水庫(kù)底泥污染物擴(kuò)散的影響;對(duì)板框壓濾處理后的干化土含水率和余水指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)和分析,并提出了底泥的資源化利用途徑。

表1 通濟(jì)橋水庫(kù)底泥顆粒組成

圖1 通濟(jì)橋水庫(kù)底泥TN、TP分布(單位：mg/kg)

圖2 通濟(jì)橋水庫(kù)底泥TN、TP釋放分布(單位：mg/(m2·d))

1 工程概況

通濟(jì)橋水庫(kù)位于錢塘江支流浦陽(yáng)江上游,建于1962年,總庫(kù)容8 097萬(wàn)m3,庫(kù)區(qū)水深10～30 m。水庫(kù)建成運(yùn)行至今已50余年,上游徑流攜帶的污染物長(zhǎng)期在庫(kù)底沉積從而影響了水庫(kù)水質(zhì),水質(zhì)常年為Ⅲ類、Ⅳ類,屬中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),主要影響因子為TN。據(jù)底泥勘察結(jié)果,水庫(kù)底泥淤積量達(dá)258萬(wàn)m3,底泥污染層、過(guò)渡層平均含水率為303%和151%,主要以浮泥、流泥為主,底泥土顆粒主要由膠粒、黏粒和粉粒組成,黏粒和膠粒的比重超過(guò)60%,底泥的顆粒組成如表1所示(其中d為粒徑)。

據(jù)底泥理化分析,重金屬、有機(jī)毒物含量滿足HJ 350—2007《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(暫行)》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。TN、TP污染則較嚴(yán)重,TN含量為461～6 915 mg/kg,TP含量為110～6 391 mg/kg。底泥中有機(jī)質(zhì)含量整體處于8%以上,這會(huì)促使底泥中N、P的釋放量增加。根據(jù)釋放試驗(yàn)結(jié)論,氨氮釋放通量為3.62～240.34 mg/(m2·d),磷酸鹽釋放通量為-3.12～8.16 mg/(m2·d)。底泥中N、P的年釋放總量分別約為82.7 t和0.3 t。底泥中的TN、TP含量分布及釋放分布特征如圖1、圖2所示。

水庫(kù)底泥中的污染物含量垂向遞減趨勢(shì)較明顯,污染物主要集中在庫(kù)底淤積的污染層和過(guò)渡層。為達(dá)到水庫(kù)水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅲ類及以上的預(yù)期目標(biāo),通濟(jì)橋水庫(kù)生態(tài)清淤以清除水庫(kù)底泥污染層和過(guò)渡層為主,清淤總規(guī)模193萬(wàn)m3。各清淤區(qū)塊(圖3)的清淤水深、清淤厚度和清淤規(guī)模如表2所示。

圖3 通濟(jì)橋水庫(kù)生態(tài)清淤平面布置

區(qū)塊水深/m清淤厚度/m清淤規(guī)模/萬(wàn)m3壩前庫(kù)區(qū)18～251.0～1.237東部庫(kù)區(qū)15～250.9～1.256中部庫(kù)區(qū)10～200.5～0.964西部庫(kù)區(qū)10～150.3～1.028西南庫(kù)區(qū)10～150.38

2 生態(tài)清淤及水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析

2.1 生態(tài)清淤技術(shù)

根據(jù)通濟(jì)橋水庫(kù)的水深條件、底泥特性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性,清淤設(shè)備選用深水環(huán)保絞吸式挖泥船。與傳統(tǒng)的絞吸式挖泥船相比,這種挖泥船配有環(huán)保絞刀頭,其特點(diǎn)是環(huán)保絞刀頭上裝配有導(dǎo)泥擋板、環(huán)保密封罩、絞刀水平控制器等裝置。施工過(guò)程中絞刀水平控制器平貼庫(kù)底,環(huán)保密封罩將絞刀頭擾動(dòng)范圍內(nèi)的底泥有效封蓋,使得絕大多數(shù)受絞刀頭擾動(dòng)影響的底泥無(wú)法擴(kuò)散至水庫(kù)水體中,而在吸泥泵的泵吸作用下通過(guò)導(dǎo)泥擋板被充分吸走,從而有效地降低了絞刀頭工作時(shí)對(duì)底泥的擾動(dòng)影響[19]。因此,生態(tài)清淤可以大大減弱水庫(kù)清淤整治過(guò)程中底泥污染物質(zhì)的釋放和懸浮物的擴(kuò)散[20]。

正式施工前在水庫(kù)中部區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試挖試驗(yàn),目的是確定挖泥船絞刀轉(zhuǎn)速和橫擺速度的最優(yōu)值,以確保生態(tài)清淤的最佳工作效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)絞刀頭轉(zhuǎn)速控制在15 r/min左右、橫擺速度控制在15～20 m/min范圍以內(nèi)時(shí),環(huán)保絞刀頭的清淤效率最高,也就是說(shuō)環(huán)保密封罩內(nèi)受擾動(dòng)的底泥可以最大限度地被泵吸出去而不是擴(kuò)散至周圍水體中。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)及分析

通濟(jì)橋水庫(kù)為飲用水水源地,在生態(tài)清淤過(guò)程中必須時(shí)刻注意清淤點(diǎn)附近、取水口等重要位置的水質(zhì)情況。在生態(tài)清淤過(guò)程中,對(duì)上述兩處位置的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),其中取水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定在取水口位置處,清淤點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位則根據(jù)挖泥船的作業(yè)位置而動(dòng)態(tài)變化。不同時(shí)期挖泥船所在位置如表3所示。在取水口及距離清淤點(diǎn)20 m、50 m、100 m處設(shè)置取樣垂線,在水面以下0.5 m、庫(kù)底以上0.5 m及1/2水深處取樣,監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH、SS、CODMn、NH3-N、TN、TP等。施工前10個(gè)月每個(gè)月監(jiān)測(cè)1次,第11月開始每2個(gè)月監(jiān)測(cè)1次。

表3 挖泥船的清淤施工順序

生態(tài)清淤過(guò)程中,清淤點(diǎn)附近水體中各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)長(zhǎng)的變化過(guò)程如圖4～6所示。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,水體中TN、TP、CODMn等主要污染物在生態(tài)清淤過(guò)程中都會(huì)受到環(huán)保絞刀頭的擾動(dòng)影響而從底泥中釋放出來(lái)。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均隨清淤時(shí)長(zhǎng)先增大后減小,且均在清淤過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)兩次峰值,一次是在清淤第5～7月,另一次是在清淤第10～14月。出現(xiàn)兩次峰值的原因是清淤工程停工過(guò)一次,停工時(shí)間是2016年8月中旬至2016年9月中旬,而各污染物質(zhì)量濃度的峰值均滯后于清淤施工且出現(xiàn)的時(shí)間也略有差異,其可能的原因是各污染物從底泥中釋放至水體中需要一定的時(shí)間,底泥中各不同化學(xué)成分的污染物在水體中的釋放速率不同。停工后再次施工時(shí),水體中各污染物質(zhì)量濃度又迅速上升,出現(xiàn)第二次峰值,第二次峰值出現(xiàn)在清淤第10～14月,這個(gè)時(shí)候挖泥船是在底泥污染物含量最高的壩前庫(kù)區(qū)施工,因此第二次峰值比第一次峰值高,且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。峰值過(guò)后,水體中各污染物濃度迅速降低并趨向穩(wěn)定,可見,水庫(kù)生態(tài)清淤過(guò)程中環(huán)保絞刀頭的擾動(dòng)影響只是暫時(shí)的。

圖4 清淤點(diǎn)附近TP質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

圖5 清淤點(diǎn)附近TN質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

圖6 清淤點(diǎn)附近CODMn質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

從圖4～6中還可以發(fā)現(xiàn),距離清淤點(diǎn)20 m垂線的濃度峰值較其他測(cè)點(diǎn)大,尤其是該垂線庫(kù)底以上0.5 m測(cè)點(diǎn),這說(shuō)明清淤過(guò)程中環(huán)保絞刀頭擾動(dòng)影響隨著與環(huán)保絞刀頭距離的增大而迅速減弱,生態(tài)清淤的擾動(dòng)影響范圍有限,絕大多數(shù)懸浮顆?？梢员画h(huán)保密封罩封蓋住,并在泵吸作用下通過(guò)導(dǎo)泥擋板被充分吸走,有效避免了懸浮顆粒在水體中的擴(kuò)散。

水庫(kù)取水口水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。取水口位置處水體中TP質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.002～0.006 mg/L,基本不受生態(tài)清淤施工的影響。TN和CODMn質(zhì)量濃度的變化規(guī)律同TP大致類似,只是在清淤第10月左右濃度值有略微提高,因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候挖泥船在底泥污染物含量最高的壩前庫(kù)區(qū)施工,而水庫(kù)取水口位于壩前庫(kù)區(qū),但是生態(tài)清淤的施工擾動(dòng)影響范圍有限,只對(duì)環(huán)保絞刀頭20 m范圍內(nèi)有一定影響,因此水庫(kù)取水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體中TN和CODMn質(zhì)量濃度在略微提高過(guò)后便迅速降低并趨于穩(wěn)定,這跟之前的規(guī)律一樣。

圖7 取水口TP質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

圖8 取水口TN和CODMn質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

水庫(kù)取水口位置處懸浮物質(zhì)量濃度的變化規(guī)律如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn),懸浮物質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在4～12 mg/L范圍內(nèi)。因此,清淤過(guò)程中取水口位置處的水體未受到擾動(dòng)影響,不影響水庫(kù)正常供水。

圖9 取水口懸浮物質(zhì)量濃度隨清淤時(shí)間的變化

3 淤泥快速處置技術(shù)

3.1 快速脫水干化

由于清淤工程量大,水庫(kù)周邊沒有設(shè)置大面積臨時(shí)堆場(chǎng)的條件,淤泥采用板框式壓濾機(jī)進(jìn)行機(jī)械脫水。

板框式壓濾機(jī)主要由濾板、濾框、濾布、壓緊機(jī)構(gòu)等部分組成[21],處理的技術(shù)工藝流程如圖10所示。疏浚底泥通過(guò)自動(dòng)格柵機(jī)篩分系統(tǒng)進(jìn)行漂浮雜物與粗、細(xì)顆粒之間的分選,分選后產(chǎn)生的漂浮雜物外運(yùn)至指定堆場(chǎng),粗、細(xì)顆粒進(jìn)入沉淀池,粗顆粒在沉淀池內(nèi)沉淀,細(xì)顆粒進(jìn)入濃縮池,同時(shí)通過(guò)自動(dòng)化加藥系統(tǒng)向泥漿中添加絮凝劑,絮凝劑采用PAM(聚丙烯酰胺),摻量為10～20 mg/L,待泥漿在濃縮池內(nèi)沉淀濃縮后,利用加壓泥泵系統(tǒng)抽取濃縮池內(nèi)的底部泥漿,同時(shí)通過(guò)自動(dòng)化加藥系統(tǒng)、管道混合器將添加劑與泥漿混合,隨后進(jìn)入物料池,物料池內(nèi)的混合泥漿采用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌、調(diào)和及均化,再采用加壓泥泵系統(tǒng)抽吸并輸送至板框式壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水處理。

圖10 板框式壓濾機(jī)處理工藝流程

壓濾脫水后的干化土,利用輸送機(jī)、裝載機(jī)運(yùn)至指定堆場(chǎng)集中堆放,同時(shí)進(jìn)行含水率檢測(cè),確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢測(cè),板框式壓濾機(jī)的脫水效果非常好,脫水干化后含水率都能基本穩(wěn)定在40%～60%之間,可滿足建筑用土的要求。

表4 余水處理池水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

3.2 余水凈化處理技術(shù)

淤泥快速處置過(guò)程中也必須時(shí)刻注意避免二次污染的發(fā)生,這就需要對(duì)壓濾脫水過(guò)程中產(chǎn)生的余水進(jìn)行集中處理:濃縮池上部溢流余水通過(guò)處理并達(dá)到設(shè)計(jì)要求后排放至余水處理池;脫水車間內(nèi)壓濾余水先進(jìn)行過(guò)濾,將底部過(guò)濾水通過(guò)管道回排至濃縮池內(nèi),上部過(guò)濾余水流入余水處理池。

污染物大部分黏附在底泥細(xì)小顆粒上,控制污水中的懸浮物濃度就可以基本控制住有機(jī)物和磷、氮營(yíng)養(yǎng)鹽等污染物,達(dá)到預(yù)定的水質(zhì)目標(biāo),因此余水的凈化處理以去除懸浮物為主要目的,具體做法是通過(guò)在余水處理池中加入絮凝劑,使余水中懸浮顆粒迅速沉積,絮凝劑采用PAM,摻量為10～20 mg/L,處理過(guò)程中的余水水質(zhì)抽樣檢測(cè)結(jié)果如表4所示,各項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)均能達(dá)到排放限值要求,處理后的余水通過(guò)管道排入附近河道內(nèi)。

3.3 底泥的資源化利用

底泥脫水干化后得到的干化土可以根據(jù)其營(yíng)養(yǎng)成分、重金屬及有機(jī)物的成分和比例確定合適的資源化利用途徑。然而機(jī)械脫水過(guò)程中需要添加絮凝劑等添加劑[22],因此,機(jī)械脫水處理后得到的干化土不宜用作農(nóng)業(yè)用土。一般來(lái)說(shuō),機(jī)械脫水處理后的干化土可以考慮用作建筑材料,例如堤防填筑、場(chǎng)地回填、制磚、燒制陶粒等。

本工程干化土總量98萬(wàn)m3,其中40萬(wàn)m3送黃宅鎮(zhèn)西山礦山,用于修復(fù)礦山地表破壞區(qū);38萬(wàn)m3送白馬鎮(zhèn),用于填埋荒廢的挖沙坑;20萬(wàn)m3送浦江縣的磚瓦廠用于制磚。

4 結(jié) 論

a. 深水環(huán)保絞吸式挖泥船在水庫(kù)生態(tài)清淤作業(yè)中可以用環(huán)保密封罩將受擾動(dòng)影響的底泥封蓋住,并通過(guò)泵吸作用將密封罩內(nèi)的底泥快速高效地輸出,因此可有效地控制清淤過(guò)程中帶來(lái)的二次污染。

b. 通過(guò)對(duì)清淤點(diǎn)附近水質(zhì)的跟蹤監(jiān)測(cè),清淤施工僅對(duì)距離絞刀頭20 m范圍內(nèi)水體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)影響,且隨著與絞刀頭距離的增大,這種擾動(dòng)影響迅速衰減,清淤作業(yè)擾動(dòng)影響的范圍較小;絞刀頭附近水體中污染物的質(zhì)量濃度只出現(xiàn)短暫峰值,峰值過(guò)后便迅速減小并趨于穩(wěn)定,清淤作業(yè)擾動(dòng)影響的持續(xù)時(shí)間較短。

c. 從水庫(kù)取水口水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,各項(xiàng)污染物的質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定,生態(tài)清淤施工對(duì)水庫(kù)取水口的水質(zhì)基本無(wú)影響,這對(duì)今后作為飲用水水源的水庫(kù)生態(tài)清淤工程具有借鑒意義。

d. 板框式壓濾脫水技術(shù)的工作效率較高,挖泥船輸送的高含水率水庫(kù)底泥經(jīng)短暫絮凝沉淀后,可快速將淤泥的含水率降低至40%～60%,并作為礦山地表修復(fù)和制磚等資源化利用材料,且處理后的余水滿足達(dá)標(biāo)排放要求。

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