某城市污水處理廠污泥填埋坑綜合治理工程方案設(shè)計(jì)

程 立 許妍妍

（光大環(huán)境修復(fù)(江蘇)有限公司，江蘇 南京211100）

隨著我國(guó)城市化不斷深入和發(fā)展，城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥量越來(lái)越大，目前國(guó)內(nèi)對(duì)污水廠污泥的處理方式主要有填埋、焚燒、協(xié)同處置、資源化利用等。由于污泥填埋成本低，大多數(shù)污水處理廠采取了“部分脫水后填埋”的方式處理污泥，全國(guó)各地存在數(shù)量眾多的污泥填埋坑。污泥自身具有含水率高、有機(jī)污染物濃度高、重金屬含量高等物理化學(xué)特性，如何科學(xué)地治理污泥填埋坑，一直是環(huán)境修復(fù)行業(yè)的難題。

1 工程概況

某城市污水處理廠的污泥填埋坑面積約16 萬(wàn)平方米，原為天然坑塘，底部及四周未做任何防滲處理，污泥最大深度16.5m，平均深度11m，淤泥總量約163 萬(wàn)立方米，污泥來(lái)源為污水處理廠污泥和印染工業(yè)污泥。坑內(nèi)污泥多為流塑狀，含水率分布在79.4%～90.7%之間，坑內(nèi)垂直方向上各層污泥含水率差別不大。污泥夾雜部分建筑垃圾，有機(jī)質(zhì)含量較高，力學(xué)性能極差，大型機(jī)械無(wú)法直接進(jìn)場(chǎng)施工。經(jīng)調(diào)查，污泥超標(biāo)污染物為鉻、鋅、鈷、銻、釩、六價(jià)鉻、砷、氯仿、苯、氟化物、六氯苯、總石油烴（C10-C40）等。

2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巖土工程勘察和場(chǎng)地補(bǔ)充調(diào)查報(bào)告，構(gòu)建場(chǎng)地概念模型，明確場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際條件，提出“風(fēng)險(xiǎn)管控+排水固接+生態(tài)復(fù)綠”的技術(shù)路線，篩選可行技術(shù)，制定出場(chǎng)地環(huán)境綜合治理方案。污泥填埋坑周邊土壤與地下水均存在超標(biāo)污染物，污染物種類多、遷移性強(qiáng)。為管控風(fēng)險(xiǎn)，防止污染物持續(xù)擴(kuò)散影響周邊場(chǎng)地，參考相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，采用先阻隔、后治理的方式。具體方案內(nèi)容包括以下四個(gè)方面：（1）切斷污染源，阻止污染物隨地下水向周邊遷移擴(kuò)散；（2）降低污泥含水率，加速污泥排水固結(jié)，減小填埋坑內(nèi)污泥體積；（3）對(duì)表層污泥進(jìn)行固化/穩(wěn)定化，降低有機(jī)物含量，提高表層污泥承載力；（4）表層生態(tài)復(fù)綠，提升場(chǎng)地整體環(huán)境質(zhì)量。

2.1 垂直防滲阻隔

根據(jù)場(chǎng)地環(huán)境綜合治理方案的要求，沿污泥填埋坑四周施工形成垂直的防滲帷幕，帷幕底部插入下部相對(duì)不透水的土層中2m，使污染源與外界環(huán)境隔絕，阻隔污染物進(jìn)入周圍的土壤和水體，同時(shí)也防止四周地下水和地表水進(jìn)入場(chǎng)地內(nèi)，達(dá)到控制污染物擴(kuò)散的目的。

參考《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ176-2012）對(duì)垂直防滲帷幕厚度設(shè)計(jì)中的相關(guān)規(guī)定，可取垂直防滲帷幕外側(cè)邊界污染物濃度達(dá)到內(nèi)側(cè)邊界的10%作為垂直防滲帷幕被擊穿的標(biāo)準(zhǔn)，污染物向下游的遷移距離和遷移深度也按10%相對(duì)濃度等勢(shì)線確定。場(chǎng)地環(huán)境綜合治理方案要求垂直防滲帷幕的設(shè)計(jì)使用年限為30a，故在擊穿判別驗(yàn)算中，垂直防滲帷幕的擊穿時(shí)間應(yīng)大于30a。

當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)達(dá)到10-7cm/s 量級(jí)，且帷幕底部插入到不透水層時(shí)，污染物在防滲帷幕內(nèi)側(cè)的豎向滲流可忽略不計(jì)，污染物溶質(zhì)在土體中形成近似一維水平向滲流和擴(kuò)散。對(duì)于溶質(zhì)在飽和工程材料中的一維遷移問(wèn)題，當(dāng)吸附達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，則半無(wú)限空間內(nèi)考慮對(duì)流、分子擴(kuò)散、機(jī)械彌散和線性吸附的溶質(zhì)遷移控制方程可表述為：

式中，Cr為土中孔隙液的溶質(zhì)濃度；Dh為溶質(zhì)遷移通過(guò)土的水動(dòng)力彌散系數(shù)；vs為溶液在土孔隙中的平均流速；Rd為土吸附溶質(zhì)的阻滯因子；t 為溶質(zhì)遷移時(shí)間；x 為溶質(zhì)遷移方向的距離。

以上控制方程可采用《工業(yè)污染場(chǎng)地豎向阻隔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見(jiàn)稿-2019，中華人民共和國(guó)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）推薦的半無(wú)限空間一維對(duì)流- 彌散解析解，對(duì)防滲帷幕外側(cè)污染物濃度進(jìn)行計(jì)算。

公式如下：

式中，Ce為豎向阻隔屏障下游段滲出液中的目標(biāo)污染物濃度；C0為滲入豎向阻隔屏障的污染物濃度；Ci為初始狀態(tài)下豎向阻隔屏障孔隙液中目標(biāo)污染物濃度；L 為屏障厚度；vs為污染液在屏障孔隙中的平均流速；k 為屏障滲透系數(shù)；i 為屏障兩側(cè)水力梯度；n 為屏障孔隙率；Dh為目標(biāo)污染物遷移通過(guò)豎向阻隔屏障的水動(dòng)力彌散系數(shù)；Rd為豎向阻隔屏障吸附目標(biāo)污染物的阻滯因子；t 為設(shè)計(jì)使用年限。其中阻滯因子Rd反映了防滲帷幕材料特性以及污染物類型的影響，而水動(dòng)力彌散系數(shù)Dh反映了污染物種類、防滲帷幕整體性能的影響。這兩個(gè)參數(shù)與防滲帷幕的孔隙通道、材料性質(zhì)、污染物種類有關(guān)，合理取值是計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。通過(guò)專業(yè)軟件GMS 的兩個(gè)模塊MODFLOW 和MT3DMS 對(duì)擊穿時(shí)間進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。MODFLOW 是地下水滲流三維有限差分分析模塊，可以對(duì)地下水在飽和土層中的滲流進(jìn)行分析；MT3DMS 是污染物運(yùn)移三維有限差分分析模塊，在MODFLOW 模塊分析得到的滲流場(chǎng)基礎(chǔ)上，對(duì)污染物的運(yùn)移進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖1。

圖1 垂直防滲帷幕擊穿時(shí)間驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算可知，2m 厚的垂直防滲帷幕滿足擊穿時(shí)間大于30a 的要求。綜合考慮場(chǎng)地條件、施工成本和以往工程經(jīng)驗(yàn)，選擇水泥攪拌樁作為垂直防滲帷幕。設(shè)計(jì)采用單樁直徑為850mm的三軸水泥攪拌樁，咬合250 mm，底部深入相對(duì)不透水層2m，三排水泥攪拌樁的厚度為2.05 m（見(jiàn)圖2），滿足設(shè)計(jì)厚度大于2 m 的要求。水泥攪拌樁材料采用42.5 號(hào)普通硅酸鹽水泥，水灰比1.5，水泥摻入比為20%，膨潤(rùn)土摻入比為5%，防滲帷幕的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)為n×10-6(n=1～9)，水泥土攪拌樁加固體28d 無(wú)側(cè)限設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度≥0.8Mpa。樁體施工采用標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)方式和“四攪兩噴”工藝，嚴(yán)格控制下沉及提升速度，使水泥漿液與原狀土充分均勻拌和，施工采用的漿液配比須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行修正。

圖2 三排水泥攪拌樁平面布置圖

2.2 表層污泥固化、穩(wěn)定化

因污泥含有揮發(fā)性的可燃有機(jī)物，表層污泥上覆有的枯草、樹(shù)枝等易燃物經(jīng)可燃有機(jī)物浸泡過(guò)之后，極易發(fā)生自燃。為降低表層污泥的有機(jī)物含量，杜絕自燃隱患，同時(shí)讓表層污泥具備一定的承載力，滿足大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工的要求，為后續(xù)排水固結(jié)和復(fù)綠工程提供條件，方案采用環(huán)保型化學(xué)藥劑對(duì)表層1.2m 厚的污泥進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理。固化/穩(wěn)定化藥劑主要成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3等。最主要的反應(yīng)是利用鎂、鈣、硅、鋁的凝硬反應(yīng)等，使污泥得到固化。其固化反應(yīng)包括水酸化物生成時(shí)的固化，難溶性鹽生成時(shí)的固化或者水化合物生成時(shí)的吸附固定。該固化劑適應(yīng)性廣，對(duì)銅、鋅、鎳、總鉻、鉛、鎘、汞、氟、硒、砷、六價(jià)鉻等都有較好的適應(yīng)性，且反應(yīng)后的堿性比水泥要低，減少惡臭的發(fā)生。

經(jīng)固化/穩(wěn)定化的污泥承載力可達(dá)100kPa，滿足履帶式機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)承載力要求，同時(shí)固化/穩(wěn)定化后的污泥有機(jī)物含量大大降低，有機(jī)物去除率高達(dá)78%，基本消除了自燃風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)固化/穩(wěn)定化后的污泥進(jìn)行浸出毒性檢測(cè)，其浸出污染物濃度均低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)——浸出毒性鑒別》的要求，降低了表層污泥污染物浸出之后污染地表水環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 深層井點(diǎn)噴射排水+堆載預(yù)壓排水

污泥具有較高的有機(jī)物含量和較低的滲透系數(shù)，污泥中的水分不但以孔隙水和表面結(jié)合水的形式存在，還存在有機(jī)絮凝體內(nèi)部的結(jié)合水和微生物殘?bào)w內(nèi)部的細(xì)胞水。由于污泥的滲透系數(shù)比普通淤泥低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，同時(shí)大量有機(jī)物絮凝體存在于污泥組分中，使得污泥所含的液體難以排出，導(dǎo)致污泥排水固結(jié)的所需的時(shí)間要遠(yuǎn)大于普通淤泥。

針對(duì)污泥以上特性，為了取得較好的排水效果，加快污泥固結(jié)，采取了“深層井點(diǎn)噴射排水”與“堆載預(yù)壓排水”聯(lián)合工作的方式（見(jiàn)圖3）。

（1）深層井點(diǎn)噴射排水：采用的特制槽孔管，深入污泥填埋坑底部，通過(guò)注入高速氣體在排水井底部形成負(fù)壓，把污泥中的滲濾液快速導(dǎo)出，加速污泥堆體固結(jié)。排水固結(jié)完成后，該系統(tǒng)可繼續(xù)發(fā)揮作用，對(duì)污泥中的有害揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行氣相抽提，必要時(shí)可以通入熱空氣，加速有毒有害氣體排出。整個(gè)污泥填埋坑內(nèi)布置排水豎井共計(jì)430 孔，孔徑273mm，井深12m-15m，距離污泥填埋坑底面2m。每一個(gè)水平橫向管可以牽引50～100 個(gè)抽吸豎井，配備高效自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)孔內(nèi)水位自動(dòng)切換抽排豎井，循環(huán)抽排，不會(huì)因污泥滲透系數(shù)低而斷流，使排滲效率大幅提高。

（2）堆載預(yù)壓排水：采用特種承壓水囊平鋪于污泥填埋坑頂部，將井點(diǎn)導(dǎo)出的滲濾液注入水囊中，水囊注滿后可達(dá)2.5m 高，單個(gè)水囊重達(dá)300 t，實(shí)現(xiàn)了堆載預(yù)壓的目的。特種承壓水囊還能解決固結(jié)排水產(chǎn)生的大量滲濾液無(wú)處儲(chǔ)存的問(wèn)題。壓載完成后，可逐個(gè)排出水囊中的滲濾液，進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。

圖3 深層井點(diǎn)噴射排水+堆載預(yù)壓排水系統(tǒng)示意圖

3 結(jié)論

綜合治理方案實(shí)現(xiàn)了以下環(huán)境治理目標(biāo)：（1）對(duì)污泥填埋坑內(nèi)的污染源的進(jìn)行了長(zhǎng)效風(fēng)險(xiǎn)管控；（2）促進(jìn)了污泥堆體的持續(xù)排水固結(jié)；（3）污泥固化/穩(wěn)定化技術(shù)降低了表層污泥的有機(jī)物含量，消除了自燃隱患，同時(shí)為后續(xù)工程提供了穩(wěn)定耐壓的下部土層；（4）表層生態(tài)復(fù)綠提升了項(xiàng)目整體環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐應(yīng)用，上述綜合治理方案是一種可靠、經(jīng)濟(jì)的工程技術(shù)方案，為類似污泥填埋坑環(huán)境治理項(xiàng)目提供了一些解決思路和參考。