湖庫疏浚技術(shù)及淤積物資源化利用技術(shù)進展

楊會臣 王 培

(中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 概 述

中國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，最新水利普查數(shù)據(jù)顯示，我國已建在建水庫98000多座，總庫容9323億m3；我國同樣湖泊眾多，常年水面面積1km2及以上的有2865個，水面總面積達7.80萬km2。水庫和湖泊為我國供水、灌溉提供了重要保障，在維系區(qū)域生態(tài)平衡和生物多樣性、防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮了重要作用。我國又是世界上水土流失最為嚴重的國家之一。受水土流失和人類活動影響，水庫淤積和湖泊萎縮嚴重，水庫和湖泊功能性、安全性和綜合效益的降低，已成為制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸之一。

我國中小型水庫淤積嚴重，其中黃河流域問題最為突出，表1列出了我國部分水庫淤損情況。據(jù)估算，目前全國每年大約有50億t泥沙進入江河，其中淤積到水庫的大約有16億t。大面積圍湖造田、違法養(yǎng)殖以及非法采砂等造成湖泊面積萎縮，水質(zhì)惡化等問題突出，湖泊功能嚴重退化。

表1 我國水庫淤損率的地域分布(不完全統(tǒng)計)

2 疏浚技術(shù)研發(fā)進展

張?zhí)齑鎇1]的調(diào)查顯示，目前中國工程疏浚量排在世界第6位，每年疏浚量可達到6億m3，我國已成為世界上大規(guī)模開展底泥疏浚工程的國家之一，疏浚設(shè)備需求量大。目前常用的疏浚設(shè)備按原理分，一般可分為機械式、水力式、氣動式和虹吸式四類。

2.1 機械式挖泥船

機械式挖泥船利用機械設(shè)備做周期性的切泥、輸送、卸泥疏浚作業(yè)，按機械形式可分為抓斗式、鏈斗式、鏟斗式等三種類型。

a.抓斗式挖泥船。抓斗式挖泥船一般用于航道、港口的疏浚工作。抓斗式挖泥船有自航式和非自航式兩種。自航式泥艙裝滿后，自航至排泥區(qū)卸泥，非自航式則利用泥駁裝泥和卸泥。適合于挖掘淤泥、礫石、卵石和黏性土等，但是不適合挖掘細砂和粉砂土。

b.鏈斗式挖泥船。鏈斗式挖泥船利用帶有挖斗的斗鏈，在斗橋上連續(xù)轉(zhuǎn)動，使泥斗在水下挖泥并提升至水面。鏈斗式挖泥船適用于泥沙、礫石、卵石等淤積物的開挖，不適合含粒徑較大的漂石、塊石的疏浚，生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境限制較大。

c.鏟斗式挖泥船。將鏟斗挖掘機與挖泥船連為一體即形成鏟斗式挖泥船，適用于內(nèi)河河道的大規(guī)模疏浚，可較為高效地清除大粒徑卵石、漂石、塊石等淤積物，但是需要配套噸位較大的駁船，功率較大，費用也較高。

2.2 水力式挖泥船

水力式挖泥船利用鉸刀等工具松動河底淤泥，再用泥泵將泥漿從吸泥管吸入，經(jīng)排泥管送到岸上或排入泥駁運走，主要有絞吸式、耙吸式、吸盤式等。

a.絞吸式挖泥船。絞吸式挖泥船是一種成本低、效率高的挖泥船，適用于內(nèi)河、湖區(qū)和沿海港口的清淤施工，對于砂質(zhì)土、淤泥等土質(zhì)較松的河底，疏浚效果較好，但不適合大粒徑物料的疏浚。目前，絞吸式挖泥船最大作業(yè)水深為50m，水平輸送距離為1000m，可疏浚淤積物最大顆粒為50mm，作業(yè)最大流量為1200m3/h。

b.耙吸式挖泥船。耙吸式挖泥船是一種裝備有耙頭挖掘機具和水力吸泥裝置的大型挖泥船，適用于無掩護、狹長的沿海進港航道的開挖和維護。耙吸式挖泥船的泥艙容量較大，大型的可達1萬m3，最大的挖泥深度可達35m，適用于淤泥、黏土和砂質(zhì)土等淤積物的疏浚，同樣不適合大粒徑淤積物的疏浚。

c.吸盤式挖泥船。吸盤式挖泥船借助水力對淤積物進行松破，利用離心式泥泵通過吸口吸入，經(jīng)排泥管輸送至卸泥區(qū)，適用于細砂、中砂、砂質(zhì)土、淤泥等土質(zhì)較松軟的淤積物的疏浚，工效和生產(chǎn)效率較高。

2.3 氣動式挖泥船

氣動式挖泥船安裝有氣力泵，可開挖淤泥、砂、礫石、卵石、漂石、塊石等各類淤積物，作業(yè)水深120m以上，粒徑可達80mm以上，較好地解決了河湖、水庫疏浚難題。

氣力泵由泵體、空氣壓縮機、空氣分配器、定位絞車、升降絞車、排料管等組成。泵沉入水中工作，其他部件安裝在駁船上。泵體由三個汽缸組成，壓縮空氣通過空氣分配器依次排出和注入各個汽缸，三個汽缸依次循環(huán)有節(jié)奏地排氣和進氣排料，將所采的砂和卵石混料通過排料管輸送到指定地點存放。氣力泵構(gòu)造見圖1。

圖1 氣力泵構(gòu)造

3 底泥處理技術(shù)研究進展

湖庫底泥污染成分復(fù)雜，一般具有含水率高、壓縮性高、顆粒細、強度低等特點，同時大部分含有重金屬等有毒有害污染物。針對湖庫底泥特點，經(jīng)脫水后，常見的底泥資源化處置方法有篩分建材法、污泥填埋法、污泥堆肥法、厭氧制沼法、污泥摻燒法、化學(xué)固化法等物理和化學(xué)方法。

3.1 脫水處理技術(shù)

淤泥含水率高、壓縮性大、強度低，為降低淤泥含水率需要進行脫水處理，目前國內(nèi)外常用的處理技術(shù)分為物理脫水、高溫?zé)Y(jié)、絮凝脫水3類。

a.物理脫水。用自然風(fēng)干、離心或外力擠壓等方法將淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脫離出來，使淤泥顆粒黏結(jié)成密實狀態(tài)，主要方法有自然風(fēng)干脫水、機械脫水、堆載預(yù)壓排水固結(jié)。

b.高溫?zé)Y(jié)。通過加熱等高溫處理方法，實現(xiàn)淤泥脫水，并分解淤泥中的有機成分，使顆粒之間緊密黏結(jié)，然后通過冷卻，使淤泥熔合成具有一定強度的固體顆粒。

c.絮凝脫水。通過在淤泥中添加凝集劑(絮凝劑、混凝劑)等化學(xué)藥劑，提高脫水效率，再結(jié)合其他脫水方法進行脫水。

3.2 建材法

對于顆粒較大的淤積物，如水庫淤積物中的砂石等，可通過適宜深水作業(yè)的氣動式清淤設(shè)備，將淤積物疏浚后，在庫外選取合適的場地，進行脫水、篩分后，成為用途廣泛的建筑材料。對于顆粒較細的，可用于施工用土、制磚、制陶粒、制水泥等。該方法不僅適用于淤積物顆粒較大、質(zhì)地堅硬、以推移質(zhì)為主要成分的水庫淤積物處理，還可以處理顆粒較小的湖泊底泥。

a.施工用土。清淤底泥經(jīng)過特定的處理過后，可以代替砂石和土料作為填方材料用于工程施工，可用于城市、港口建設(shè)中低洼地區(qū)的回填[2-3]，也可用于道路路基建設(shè)、防止邊坡失穩(wěn)和雨水沖刷[4]、堤防建設(shè)和加固[5]。

b.制磚。當(dāng)?shù)啄嘀械暮傲啃∮?0%時，可替代黏土，制作符合質(zhì)量要求的建筑用磚[6]。

c.制陶粒。污泥陶粒是由Nakouzi[7]等率先提出的，我國學(xué)者[8]研究表明，采用合適工藝，可制成滿足《輕骨料試驗方法》的陶粒產(chǎn)品。

d.制水泥。對于與黏土組成相似的底泥，可代替黏土制備水泥。

3.3 污泥填埋法

填埋是較為簡化、直接的方法，有直接填埋和衛(wèi)生填埋兩種。直接填埋是將簡單滅菌處理后的污泥直接傾倒到低地或谷地，而衛(wèi)生填埋是將污泥運至垃圾填埋場與垃圾混合進行無害化填埋。

污泥填埋法優(yōu)點是處理流程簡易、操作設(shè)備簡單，缺點是占地面積大，可能產(chǎn)生滲濾液和填埋氣，可能會影響填埋場的透水、透氣性能，縮短填埋場的使用壽命，僅用作填充，資源化不夠，資源浪費。

因此污泥填埋適用于具有相應(yīng)的地形條件、有機物含量低、無重金屬污染的淤泥，適應(yīng)范圍較窄。

3.4 污泥堆肥法

對于有機質(zhì)含量較高的污泥，堆肥后可增加農(nóng)田有機質(zhì)，減少施肥量，改良土壤，減輕土壤的潛在侵蝕[9]。堆肥法雖簡單易用，但也存在費時、成本高、污染空氣、占用土地、易受天氣和市場銷售影響等缺點，適應(yīng)范圍也較窄。

3.5 厭氧制沼氣法

利用污泥發(fā)酵產(chǎn)生沼氣是有機質(zhì)含量較高的淤泥資源化利用的另外一種方法。產(chǎn)生的沼氣可用于發(fā)電、做燃料等，熟污泥可用于農(nóng)業(yè)，做花肥等。但由于湖庫淤積底泥受人類活動影響，一般含有一定量的重金屬，因此采用合適的方法消除污泥殘渣的污染性，是污泥制沼法必須解決的一個難題，也限制了其應(yīng)用的推廣。

3.6 污泥摻燒法

污泥摻燒法是將脫水后含水率80%左右的濕污泥用高壓泵送的方式直接投加到現(xiàn)有熱電廠、垃圾焚燒廠等鍋爐爐膛內(nèi)焚燒，燃料中污泥比例一般不能大于20%。但污泥摻燒法存在的如下缺點不可忽視。

a.鍋爐效率明顯下降，煤耗量大大增加，碳排放增大。

b.煙氣中水蒸氣含量急劇增加，加速了對鍋爐及后續(xù)煙氣處理設(shè)備的腐蝕。

c.排出的煙氣含大量高溫蒸汽，影響除塵設(shè)備的運行效果。

d.燃料難以充分燃燒，降低了燃料熱值。

3.7 化學(xué)固化法

化學(xué)固化法是通過向污泥中加入生石灰粉等物質(zhì)，破壞污泥的膠團結(jié)構(gòu)，降低污泥的含水率，并實現(xiàn)污泥的滅菌和除臭，得到物理、化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的污泥。污泥經(jīng)進一步堆置、晾曬或烘干，含水率降低至10%～20%；最后脫水污泥經(jīng)破碎后壓實填埋。化學(xué)固化法往往只能針對性地處理部分城市污泥，且固化后依然需要進行填埋處理，步驟較為繁瑣。

3.8 干餾處理法

干餾淤泥技術(shù)是在密封、無氧的環(huán)境下，對淤泥進行高溫加熱，在非燃燒和高溫狀態(tài)下發(fā)生熱分解作用，使淤泥中的水分轉(zhuǎn)化為水蒸汽，有機物轉(zhuǎn)化為可燃氣體和有機碳。針對淤泥中的不同成分，可采用不同的處理措施。

a.淤泥中水分：蒸發(fā)→混合汽→分離→冷凝水→污水處理系統(tǒng)。

b.淤泥中有機物：熱解→混合汽→分離→甲烷氣→干餾燃料→二氧化碳和水。

c.淤泥中碳元素：脫氫→碳化→冷卻→生物碳→土壤改良劑。

d.淤泥中各種細菌：高溫→滅菌。

e.淤泥中金屬：高溫氧化→鈍化→玻璃化→固化。

f.淤泥中氮磷鉀等營養(yǎng)元素：高溫分解→富集→生物碳。

4 結(jié) 論

我國水庫存在不同程度的淤積，湖泊功能退化明顯，亟需經(jīng)濟、環(huán)保、高效實用的深水清淤疏浚設(shè)備和底泥處理及資源化技術(shù)。本文簡要分析了我國水庫淤積現(xiàn)狀，列舉了部分疏浚技術(shù)和底泥處理及資源化利用技術(shù)。對于疏浚裝置和淤泥處置方法，需要根據(jù)不同地區(qū)的淤積水深、污泥特性等各項綜合要求來選擇。