茅洲河流域水環(huán)境整治底泥污染治理方案及實(shí)踐

路文典

(中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518101)

茅洲河屬珠江口水系，流經(jīng)深圳光明、寶安和東莞長安鎮(zhèn)兩市三地。茅洲河是深圳、東莞兩市的界河，也是深圳市第一大河，被稱為深圳的“母親河”。20世紀(jì)90年代，茅洲河流域內(nèi)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展迅猛，工業(yè)、生活、第三產(chǎn)業(yè)污染急劇增加。截至2015年底，流域內(nèi)總?cè)丝诩s417萬，僅深圳側(cè)就有污染源企業(yè)約3.87萬家，以電鍍、線路板等高污染中小企業(yè)居多。而流域內(nèi)污水處理及配套排水設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，大量生活、工業(yè)污水直排進(jìn)入茅洲河干支流，茅洲河全線變成了“墨汁河”“臭河”，成為珠三角地區(qū)污染最嚴(yán)重的河流。2016年，茅洲河水環(huán)境污染問題被中央環(huán)保督察組點(diǎn)名，被廣東省列為掛牌督辦的重點(diǎn)治理項(xiàng)目。

1 茅洲河流域概況

茅洲河發(fā)源于深圳市境內(nèi)的羊臺(tái)山北麓，干流全長41.69km，寶安區(qū)內(nèi)干流長19.71km，共有支流19條；光明區(qū)內(nèi)干流長14.80km，共有支流13條；東莞長安鎮(zhèn)內(nèi)干流是東莞市與深圳市的界河，長11.68km，共有支流9條，流域面積77km2。茅洲河為雨源性河流，干流平均年徑流量為33632.4萬m3，河面寬50～80m，河床平均比降0.71%。

2 茅洲河流域底泥污染情況調(diào)查分析

為了檢測茅洲河流域底泥污染狀況，分3個(gè)區(qū)對(duì)其進(jìn)行研究，茅洲河干流以沙井河為界，上游為A區(qū)，沙井河為B區(qū)，下游為C區(qū)。在茅洲河流域干支流布置了16個(gè)檢測點(diǎn)，分別在每個(gè)檢測點(diǎn)的河底以下0.5m、1.0m、1.5m取樣進(jìn)行檢測，個(gè)別點(diǎn)位在2.0m、2.5m取樣檢測。根據(jù)取芯土樣，黑臭底泥與污染較輕的土樣之間有較為明顯的顏色分界線，黑臭底泥的厚度在0.4～1.8m之間，普遍在1.0m左右，總體呈中間薄、兩邊厚的形態(tài)。

2.1 茅洲河底泥有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽、重金屬污染嚴(yán)重

2.1.1 底泥有機(jī)質(zhì)污染嚴(yán)重

研究區(qū)域底泥有機(jī)質(zhì)污染嚴(yán)重，其中，沙井河(B區(qū))底泥有機(jī)質(zhì)污染最為突出，平均含量高達(dá)39526.65mg/kg；下游(C區(qū))有機(jī)質(zhì)含量較高，均值為27216.34mg/kg；上游(A區(qū))有機(jī)質(zhì)含量最低，為24417.52mg/kg。

茅洲河底泥表層0～1.0m有機(jī)質(zhì)含量最高，有機(jī)質(zhì)平均含量為35541.67mg/kg；其次是1.0～2.0m，有機(jī)質(zhì)平均含量為31200.33mg/kg。

2.1.2 底泥氮營養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重

茅洲河底泥氮污染嚴(yán)重，平均值為1781.20mg/kg，最大值高達(dá)9277.51mg/kg。沙井河(B區(qū))底泥總氮污染最為嚴(yán)重，為3670.88mg/kg；下游(C區(qū))底泥總氮含量次之，為2999.80mg/kg；上游(A區(qū))底泥總氮含量最低，為2557.15mg/kg。

茅洲河底泥表層0～1.0m總氮含量最高，總氮含量垂向變化存在隨深度增加呈現(xiàn)下降的趨勢，在一定程度上反映了污染排放變化情況。

2.1.3 底泥磷營養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重

茅洲河底泥總磷平均含量為1930.03mg/kg，最高可達(dá)9203.73mg/kg，3.0m厚度以上部分底泥磷污染較為嚴(yán)重，含量均超過1000.00mg/kg，特別是表層1.0m厚度以內(nèi)的底泥總磷含量最高?？偟膩砜矗珻區(qū)底泥總磷平均含量均高于A區(qū)底泥總磷含量，但低于B區(qū)底泥總磷含量，全區(qū)總磷標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)均值為1.92，屬于重度污染。

茅洲河作為淺水河流，底泥中的磷與上覆水交換較為強(qiáng)烈，受風(fēng)浪擾動(dòng)和人為活動(dòng)影響，底泥中的磷很容易釋放到上覆水中，從而引起上覆水高度富營養(yǎng)化。

2.1.4 底泥重金屬污染嚴(yán)重

茅洲河底泥重金屬污染嚴(yán)重，其中Cu含量最高，平均達(dá)到802.00mg/kg，最大值高達(dá)7352.00mg/kg；Zn含量次之，平均含量384.00mg/kg，最大值約為2558.00mg/kg；Cd含量最低，均值為0.44mg/kg，最大值為3.78mg/kg。重金屬含量排序?yàn)镃u>Zn>Cr>Ni>Pb>Cd。

沙井河(B區(qū))底泥重金屬污染最為嚴(yán)重，下游(C區(qū))含量次之，上游(A區(qū))含量最低。以Cu為例，B區(qū)平均含量高達(dá)1401.00mg/kg，C區(qū)平均含量約770.00mg/kg，A區(qū)平均含量約422.00mg/kg。各區(qū)重金屬含量排序與全區(qū)一致，沒有變化。表層0～1.0m重金屬含量最高，隨深度增加含量逐漸降低。

茅洲河底泥重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)全區(qū)風(fēng)險(xiǎn)因子均值為867，屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。B區(qū)重金屬污染嚴(yán)重，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，風(fēng)險(xiǎn)因子(RI)均值為1420，屬于極強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；A區(qū)均值為475，屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；C區(qū)均值為869，屬于很強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 茅洲河底泥氮釋放量巨大

茅洲河流域底泥每年釋放總氮59.94t，其中A區(qū)釋放8.72t，占總量的14.55%；B區(qū)釋放35.50t，占總量的59.22%；C區(qū)釋放15.72t，占總量的26.23%。

間隙水是水-沉積物界面氮交換的重要中介，一方面間隙水中的氮通過擴(kuò)散層向上覆水體擴(kuò)散遷移，從而影響上覆水環(huán)境；另一方面，間隙水中氮被沉積物中礦物顆粒物吸附。茅洲河流域間隙水中總氮有向上覆水釋放的趨勢。其中，B區(qū)釋放量最大，為478.83 mg/(m2·d)；其次為C區(qū)，為50.35mg/(m2·d)；A區(qū)釋放量最小，為32.54mg/(m2·d)。整體呈現(xiàn)表層釋放多，底層釋放少；上游釋放多，下游釋放少的趨勢。

2.3 茅洲河底泥氮釋放時(shí)間較長

茅洲河流域底泥TN蓄積量為10465.00t，上層蓄積量(厚度30～50cm)為2138.00t，占總蓄積量的21.4%。A區(qū)蓄積量最小，為2679.60t，占總蓄積量的25.61%，其中，上層蓄積量(厚度30～50cm)為561.00t；B區(qū)蓄積量為3463.50t，占總蓄積量的33.1%，其中，上層蓄積量為1148.83t；C區(qū)蓄積量最大,為4321.90t，占總蓄積量的41.3%，其中，上層蓄積量為428.17t。若將茅洲河流域上層底泥中TN蓄積量全部釋放，預(yù)計(jì)需要35.67年。

2.4 茅洲河底泥內(nèi)源釋放對(duì)水質(zhì)指標(biāo)貢獻(xiàn)率高

茅洲河主要水質(zhì)指標(biāo)如氨氮、COD、BOD、TP等嚴(yán)重超標(biāo)。水質(zhì)惡化除因沿河大量污水直排入河所致外，河底淤積物對(duì)水質(zhì)的影響也很大。河道中大部分污染物沉積在底泥中，形成內(nèi)源負(fù)荷，在一定條件下，底泥中的污染物又會(huì)釋放出來進(jìn)入上覆水體。當(dāng)外源輸入得到有效控制后，底泥成為河道污染物的主要來源，底泥表層污染釋放最快，釋放速率隨深度增加而降低。底泥的釋放速度主要與水體擾動(dòng)和水溫有關(guān)，若僅通過截污納管等措施減少外源污染輸入，內(nèi)源污染仍不斷釋放，茅洲河水質(zhì)亦無法從根本上得到改善。

從整體來看，茅洲河干支流均處于重污染狀態(tài)，水質(zhì)為劣Ⅴ類。對(duì)茅洲河污染的貢獻(xiàn)率為東莞長安鎮(zhèn)>深圳寶安區(qū)>深圳光明區(qū)，深圳的貢獻(xiàn)率為58.8%，東莞的貢獻(xiàn)率為41.2%[1]。

3 底泥環(huán)保清淤方案

根據(jù)對(duì)流域底泥污染情況的調(diào)查分析，必須對(duì)底泥進(jìn)行環(huán)保清淤。清淤后不僅可以解決茅洲河內(nèi)源污染問題，還可提升防洪排澇能力，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)能力。

3.1 清淤工程量

茅洲河流域底泥環(huán)保清淤范圍為茅洲河、沙井河和塘下涌(河口段)，清淤總工程量為334.07萬m3，工程量分布見表1。

表1 清淤工程量 單位：萬m3

3.2 清淤方案

茅洲河、沙井河和塘下涌(河口段)為城市河道，兩側(cè)居民區(qū)較多，為盡量減少對(duì)周邊居民的影響，清淤采用“環(huán)保絞吸式挖泥船+輸泥管輸送”方案。

考慮河道清淤工況復(fù)雜，以環(huán)保絞吸式挖泥船清淤為主，局部邊角區(qū)域、茅洲河洋涌河水閘—白沙坑段、沙井河中上游及塘下涌(河口段)狹窄河段，采用水陸兩用絞吸泵、水上挖掘機(jī)及吸泥泵為輔的清淤方案。將淤泥輸送至最近的泥駁并采用支管接入主管輸送至底泥處理廠。清淤方案見圖1。

圖1 茅洲河流域清淤方案

根據(jù)絞吸式挖泥船有關(guān)施工規(guī)范，絞吸式挖泥船分條開挖寬度不宜大于船長的1.1～1.3倍，因此，取分條寬度為30m，各分條之間根據(jù)施工情況設(shè)置1～2m的重疊區(qū)。采用扇形橫挖法施工，分塊、分條、分層開挖，分層厚度1.0m以內(nèi)，挖槽寬度和邊線的控制采用DGPS差分定位。

3.3 底泥輸送方案

為保證輸送效率和避免二次污染，底泥采用管道輸送，包括水上浮管和水下潛管。采用長6.0m鋼管穿設(shè)浮筒形式浮管，管道直徑450mm，鋼管間用1.5m長的橡膠管柔性連接，浮管敷設(shè)線路近似流線型彎曲。嚴(yán)格控制浮管擺幅和線路順暢，每隔100.0m單向拋小錨定位，防止水流、風(fēng)速造成管線大幅度擺動(dòng)，從而影響航道正常通航。

4 底泥處理處置方案

因清淤疏浚底泥含水率高、流動(dòng)性大、總量多，須對(duì)清淤底泥進(jìn)行減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化處理，以免對(duì)周邊環(huán)境造成二次污染。底泥處理范圍為茅洲河、沙井河等17條干支流、4個(gè)排澇工程、2個(gè)管網(wǎng)工程和2條明渠，處理總量為374.55萬m3。

結(jié)合近年來國內(nèi)已實(shí)施的滇池外海、武漢外沙湖等多個(gè)大型清淤及底泥處理工程所采用的工藝，經(jīng)對(duì)機(jī)械脫水固結(jié)法(離心式脫水機(jī)、帶式壓濾機(jī)、板框壓濾機(jī)等)、物理脫水固結(jié)法(土工管袋、真空預(yù)壓固結(jié))進(jìn)行比選，確定采用效率較高的板框壓濾機(jī)機(jī)械脫水固化方案。

4.1 底泥處理廠設(shè)置

根據(jù)底泥處理總量及處理場地分布情況，共設(shè)置3座底泥處理廠，底泥廠位置見圖1，底泥廠技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 底泥廠技術(shù)指標(biāo)

4.2 底泥處理工藝

根據(jù)底泥處理總量、處理強(qiáng)度、場地條件等，經(jīng)綜合比較，底泥處理廠均采用泥砂分離池+固液分離池預(yù)處理、板框壓濾機(jī)脫水固結(jié)、超磁分離凈化處理余水的總體處理工藝，工藝流程見圖2。

圖2 底泥處理處置工藝流程

4.3 余水處理工藝

余水來源為茅州河現(xiàn)狀河水，余水還河標(biāo)準(zhǔn)按照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。對(duì)傳統(tǒng)沉淀池、濾布濾池、高效沉淀一體機(jī)、超磁分離一體機(jī)4種余水處理方案，從處理效果、成本、處理能力等方面進(jìn)行綜合比選，選用超磁分離凈化技術(shù)處理余水。超磁分離凈化工藝見圖3。

圖3 底泥處理處置工藝流程

4.4 主要構(gòu)筑物和設(shè)備

底泥處理廠主要由泥砂分離系統(tǒng)、洗砂系統(tǒng)、固液分離系統(tǒng)、改性拌和系統(tǒng)、均化調(diào)理系統(tǒng)、脫水成固系統(tǒng)、余水處理系統(tǒng)以及堆場等部分組成，下面以1號(hào)底泥廠為例說明主要構(gòu)筑物和設(shè)備配置。

4.4.1 主要構(gòu)筑物

a.泥砂分離池，尺寸為54m×6m×2m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分為2級(jí)，一、二級(jí)分離池分別用于沉淀大、小顆粒砂礫。

b.固液分離池，即調(diào)節(jié)沉淀池，面積為6810m2，容積為2.69萬m3。一方面用于固液的沉淀分離，另一方面用于調(diào)節(jié)挖泥船清淤與底泥處理廠生產(chǎn)之間的矛盾，提高生產(chǎn)效率。

c.均化調(diào)理池，用于加藥后對(duì)底泥進(jìn)行均化調(diào)質(zhì)，面積為442m2。為了保持調(diào)理后底泥的流動(dòng)性，均化調(diào)理池底部為傾斜狀，坡度為1∶7。

d.余水處理站，余水處理采用超磁分離技術(shù)，處理站為成套的集裝箱設(shè)備，單套處理能力2萬m3/d。

e.余土臨時(shí)堆場，采用封閉鋼結(jié)構(gòu)，面積為3300m2。泥餅采用皮帶機(jī)堆存。

4.4.2 主要設(shè)備

a.環(huán)保絞吸式挖泥船。配備2艘流量為2000m3/h的環(huán)保絞吸式挖泥船，通過管道將底泥輸送至底泥廠。

b.板框壓濾機(jī)。脫水固化系統(tǒng)布置在場地中間，主要為4臺(tái)壓濾面積為600m2的板框壓濾機(jī)，廠房采用二層鋼結(jié)構(gòu)。二層安裝板框壓濾機(jī)，底層為泥餅運(yùn)輸皮帶機(jī)。

c.超磁分離設(shè)備。超磁分離凈化設(shè)備為成套集裝箱設(shè)備，為減少設(shè)備投入量，節(jié)約投資，余水處理采用調(diào)節(jié)池進(jìn)行錯(cuò)峰調(diào)節(jié)，安裝2萬m3/d超磁分離設(shè)備一套。

5 底泥污染治理成效

疏浚底泥經(jīng)過底泥預(yù)處理、機(jī)械脫水固化后，產(chǎn)物分為4部分：余水、垃圾、砂料、泥餅，共分離出垃圾14.87萬m3、砂礫34.24萬m3、泥餅157.87萬m3。余水處理達(dá)標(biāo)后還河，垃圾運(yùn)往垃圾處理廠進(jìn)一步處理，固化后的泥餅符合深圳市地方標(biāo)準(zhǔn)《河湖污泥處理廠產(chǎn)出物處置技術(shù)規(guī)范》(SZDB/Z 236—2017)后，一部分制成陶粒、透水磚用于工程中，一部分運(yùn)往業(yè)主指定的消納場所。

茅洲河流域經(jīng)過環(huán)保清淤，消除Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、TN、TP、有機(jī)質(zhì)分別為929t、775t、2580t、7t、162t、5482t、4291t、86385t。通過岸上雨污分流、水下清除底泥等綜合治理，茅洲河國考斷面于2019年11月達(dá)到地表Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，提前一年兩個(gè)月達(dá)到國考目標(biāo)，治理效果顯著。

6 結(jié) 語

茅洲河流域底泥量大、污染重，對(duì)水質(zhì)黑臭的貢獻(xiàn)率高，對(duì)河道底泥進(jìn)行環(huán)保清淤，消除河道內(nèi)源污染十分必要。

茅洲河底泥處理采用泥砂分離池+固液分離池預(yù)處理工藝，底泥脫水固化采用板框壓濾機(jī)工藝，余水處理采用超磁分離凈化工藝，整套工藝緩沖能力強(qiáng)、效率高，脫水的底泥(泥餅)物理力學(xué)參數(shù)較好，環(huán)保指標(biāo)滿足要求，達(dá)到了減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的處理處置目標(biāo)，解決了茅洲河流域水環(huán)境綜合治理內(nèi)源污染治理的難題，可為類似工程提供借鑒。