基于層次分析法的河道底泥應(yīng)急處理方法

孫 浩

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

河道對于每個城市而言都必不可少，不但可以將廢棄的污染物收集起來集中處理，還是控制環(huán)境污染的主要渠道。河道的存在提高了城市的清潔度，使整個城市煥然一新，是維持整個生態(tài)平衡的基礎(chǔ)。但近年來各個行業(yè)直線發(fā)展，使用的技術(shù)手段也層出不窮，一方面促進(jìn)了城市乃至全國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高了人們的生活水平，另一方面也增大了生態(tài)環(huán)境的壓力。由于各個企業(yè)污染物或者廢水廢氣排放不當(dāng)，沒有經(jīng)過特殊處理直接排放到水中，導(dǎo)致周圍的水質(zhì)逐漸變差，環(huán)境受損得更加嚴(yán)重，產(chǎn)生了一系列的后續(xù)問題，不僅破壞了生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，還對人類的健康造成了嚴(yán)重的影響。同時河流流動的污染物會進(jìn)入到下一段河流，而剩余的沉淀物或者底泥就會堆積在河道內(nèi)，導(dǎo)致河道不斷變窄，最后失去利用價值。里面的污染物隨著時間的推移還會形成其他污染物，重新進(jìn)入到城市中，釋放有害氣體，因此保持河道清潔與清理底泥就變得尤為重要。以往河道底泥處理方法雖然對底泥進(jìn)行多次分解、處理，但受到條件的制約，效果并不明顯，定量控制不均勻，還會生成新的污染物，造成多次污染?；诂F(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一個基于層次分析法的河道底泥應(yīng)急處理方法，期望在避免二次污染的同時，減少河道的擁堵壓力，改善城市環(huán)境。

1 底泥測定與分析

由于河道底泥是諸多污染物堆積而成，且不能隨著河流移動，其中含有大量的水分子，但卻不與水混合，其組成部分包括不易溶解的化學(xué)物質(zhì)與N、P等離子。將底泥進(jìn)行脫水處理，然后加熱到一定溫度，把砂石過濾出來，剩余的微量水分全部蒸發(fā)，最后在高溫下，加入結(jié)晶物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)[1]，減少其中的離子動態(tài)反應(yīng)。

在處理后，對底泥中含有的眾多元素按照溶解程度進(jìn)行排序，篩選出來的元素與離子就可以單獨(dú)形成一個判斷矩陣[2]，假設(shè)矩陣為A，含有的元素集合可表示為{B1，B2，…Bn}，得到每個元素的相對權(quán)重，就可以得到其分層元素的具體排序，限制條件公式為：

BW=λW

(1)

式中，λ—權(quán)重因子；W—特征向量。

對于相鄰的判斷矩陣而言[3]，每個分層都不相同，但仍然取決于河道底泥中元素的溶解順序。

2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

在底泥測定與分析的基礎(chǔ)上，預(yù)測每個層次的干擾因素，依次用遞增的方式來描述分層之間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)底泥中存在的物質(zhì)區(qū)別，將層次劃分為高級層、連接層與基礎(chǔ)層，高級層次及時決定最終的底泥處理[4]方式，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型

在本文的河道底泥處理過程中，采用的是AHP模型，考慮到河道底泥對生態(tài)環(huán)境的影響[5]，將計(jì)算空氣中污染指數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行對比，總結(jié)出一個新的河道污染指標(biāo)，可用公式表示為：

Ii=[Mi-Mi，j)/(Mi，j+1-Mi，j+1)]×(Ii，j+1-Ii，j)+Ii，j

(2)

式中，CPI—河道污染標(biāo)準(zhǔn)；εi—權(quán)重因子；Ii—河道內(nèi)的污染程度，mg/kg；i—種類；n—數(shù)量；Mi—廢水等污染物在河道內(nèi)的比例；j—層數(shù)。

層次分析法的核心要素就是將河道內(nèi)每個污染物進(jìn)行排列，相互比較其污染程度[6]，找出其中的關(guān)聯(lián)性，按照底泥的獨(dú)特性，找出最為合理的處理技術(shù)。而當(dāng)污染物中出現(xiàn)極其類似的元素或者物質(zhì)，就要分批次對其進(jìn)一步分析，相互比較，建立判斷矩陣，一般比較的物質(zhì)為2種，簡單且快速，若底泥中存在的元素與離子共有n個，那么相鄰2個層次的判斷矩陣[7]就為：

(3)

式中，m×n代表矩陣大小。

判斷矩陣中存在的元素最多不超過2個，按照污染指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來互相比較，進(jìn)行判斷[8]，作為處理底泥的依據(jù)。而比較后產(chǎn)生標(biāo)度的意義見表1。

表1 判斷矩陣的標(biāo)度以及含義

按照矩陣給出的指示來確定權(quán)重[9]，選出帶有主要特征的元素，使其在特定條件下保證自身性質(zhì)不變，公式為：

AW=λmaxW/n

(4)

式中，λmax—權(quán)重因子最大值，也是劃分特征向量的標(biāo)準(zhǔn)，而矩陣不同也會導(dǎo)致權(quán)重互不相同。

為了使得到的數(shù)值具有準(zhǔn)確性，將要對結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，公式為：

CI=(λmax-n)/(m-1)

(5)

式中，m—矩陣的序列數(shù)；CI—檢驗(yàn)結(jié)果。

該公式一般用于底泥中污染較小的廢棄物，而其中較為嚴(yán)重就是金屬污染物，不但具有毒性，還不可以回收利用?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，獲取河道底泥含量的基本概況[10]，為河道底泥應(yīng)急治理提供基礎(chǔ)。

3 底泥減量化處理

減量化的含義就是將底泥中的污染物定位集中，通過管道運(yùn)輸，最后統(tǒng)一處理達(dá)到整治指標(biāo)的過程。減量化操作不但過程明確，還能有效地清除河道內(nèi)堆積的污染物，避免二次污染[11]，最后將過濾后的礦物質(zhì)進(jìn)行回收，循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境的目的。

到目前為止，最為常用的底泥應(yīng)急處理技術(shù)就是傳統(tǒng)河道處理與循環(huán)式多面修復(fù)的方法，傳統(tǒng)的方法主要是固定底泥的停留位置，保證周圍環(huán)境與河道兩極分化，互不影響，然后應(yīng)用先進(jìn)的物流技術(shù)和化學(xué)技術(shù)，對底泥中含有的特殊物質(zhì)進(jìn)行分解與過濾[12]，旨在提高河道中的水流速度，凈化其中的污染，但治標(biāo)不治本，剩余不易分解的物質(zhì)還會流入下一條分支河道中。本文在傳統(tǒng)方法的技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，首先徹底清除河道內(nèi)的底泥，保證河道正常流淌，然后將取出的底泥用降解或者化學(xué)方法進(jìn)行第一層處理，將分解得到的氣體或者液體循環(huán)使用于工廠中，不但清理較為徹底，還促進(jìn)了資源的可回收利用，給城市或者人們帶來巨大的益處，但在處理時要注意不能將底泥中的有害物質(zhì)流入城市中，以免污染其他河道，造成二次污染，破壞生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

該方法涉及的分離技術(shù)需要較為復(fù)雜的操作手法，進(jìn)而將底泥中的污泥與廢棄物完整分解，從根本上減少有害物體對河道的污染。而選用的分離材料也較為常見，包括塑料材料與天然的砂石材料，不具有黏度而且易分離，利用其自身特性會在過濾器的作用下安全地將污泥與污染物分離[13]。雖然操作簡單，但加入的砂石會使污泥的體積不斷增大，增加了運(yùn)輸?shù)碾y度，致使河道中的水量急速減少。此時，就要采用特殊的運(yùn)輸方法，將留存下來的材料運(yùn)輸?shù)焦S內(nèi)，進(jìn)行利用。最常用的方法就是利用挖泥船進(jìn)行輸運(yùn)，在河道底泥與船之間連接一個管道，利用船的發(fā)動機(jī)動力抽出底泥與材料，然后統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)綇U棄場，全部銷毀。由于河道鄰近城市，并且周圍存在眾多村莊，考慮到技術(shù)的特殊性，進(jìn)一步對處理方法進(jìn)行優(yōu)化[14]。在上述方法的基礎(chǔ)上，將會加入化學(xué)物質(zhì)，使其與污泥中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成物不占用河道空間，且可繼續(xù)循環(huán)使用，保證一段時間的投放，就會使河道內(nèi)的污泥不斷減少，并且不會污染環(huán)境，剩余不易溶解的礦物質(zhì)就可以通過過濾器去除。然后污泥中會殘存一些水量，如果與污泥一同銷毀，就會浪費(fèi)大量資源[15]，因此使用先進(jìn)的底泥脫水技術(shù)將污泥中的水源隔離出來，繼續(xù)投入河道中，整個污泥脫水的操作模塊主要分為沙土分離模塊、水分過濾模塊、污泥控制模塊與水源凈化模塊，流程如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定脫水固化同位處理技術(shù)工藝流程

通過機(jī)器脫水可以徹底將底泥中的毛細(xì)水與雜質(zhì)水分別流入不同的管道，具體過程是將污水輸送到滾筒的離心機(jī)中，固體雜質(zhì)會經(jīng)過特定的通道傳送到船上，而污泥就會隨著離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)而丟失大量水分，剩余干燥的泥土，水分就會隨著管道重新進(jìn)入到河道內(nèi)，而后續(xù)的固體物質(zhì)會根據(jù)滾筒筒身孔的大小進(jìn)行分類，針對底泥的黏稠程度離心機(jī)可以隨機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，最高可達(dá)3000r/min，處理的工作量可達(dá)到100m3/h，流程如圖3所示。

圖3 淤泥處理工藝

此時，經(jīng)過脫水后的污泥中的有害物質(zhì)已經(jīng)大大減少，對環(huán)境不能構(gòu)成威脅，其中的固體物質(zhì)可以作為建筑材料得以應(yīng)用，還可以作為沙土用來填補(bǔ)與改善橋梁，不但土質(zhì)較軟，還具有一定的黏度，而剩余的雜質(zhì)水會運(yùn)輸?shù)郊庸S，多次凈化處理用于人們的生活用水。

4 實(shí)例分析

為驗(yàn)證所提出的基于層次分析法的河道底泥應(yīng)急處理方法的有效性，以某城市河道為例，進(jìn)行實(shí)例分析。此次分析主要分為2個部分，第一部分驗(yàn)證河道底泥成分檢測的準(zhǔn)確性，第二部分驗(yàn)證應(yīng)急處理的有效性。

4.1 污泥采集

在第一部分實(shí)驗(yàn)中需要采集污泥，為保證底泥樣品維持原有的狀態(tài)，進(jìn)行原位取樣，取樣過程如下。

(1)選取取樣器，取樣器主要分為取樣頭、取樣管與密封塞3個部分。

(2)取樣頭的主要作用是插入和收集底泥，取樣頭為環(huán)鋸齒狀，為薄不銹鋼制成，能夠減少取樣過程中對污泥的損傷。在進(jìn)行取樣時，將其安裝到取樣管的底部，并將一部分堅(jiān)硬底泥留在取樣管的頭部，以封堵取樣管。

(3)利用取樣管存儲采集的底泥樣品，在采集后必須能對其性質(zhì)進(jìn)行直接觀察，所以采管采用了厚而硬的透明塑料管。為了便于搬運(yùn)，把它分成若干個小塊，每個小塊之間用螺釘固定，如果采樣管的強(qiáng)度不足，應(yīng)在采樣管外面用鋼護(hù)套來支撐和防護(hù)。

(4)封口采用橡膠材料，能將取樣管頂部封死，收集完泥漿后，將封口塞子打開，將取樣管內(nèi)的泥漿樣本送入取樣瓶。

取樣設(shè)備需按照如下步驟使用。

(1)到達(dá)指定的取樣位置，將取樣管的幾個部分連接到適當(dāng)?shù)拈L度，然后在取樣管的底部將取樣頭固定好。

(2)打開取樣管頂端密封塞，將取樣管連同取樣頭一并垂直插入指定位置，用力插至指定深度，過程中如底泥層堅(jiān)硬難以繼續(xù)插入，則在上方輕輕敲擊取樣管，使其繼續(xù)向下插入至河底堅(jiān)硬底泥層。

(3)用取樣管頂部的密封塞子封堵取樣管。

(4)慢慢地將采樣管和采樣頭向上拉出，為了便于使用，可以稍微傾斜管體，但是要使封口始終向上，使采樣管順利地移動到岸上。

各個項(xiàng)目的檢測方法見表2。

表2 各個成分檢測方法

對采集到的污泥成分進(jìn)行檢測，得到實(shí)際成分，將實(shí)際成分與所提出的基于層次分析的河道底泥處理方法獲得的成分進(jìn)行對比，分析河道底泥成分判定的準(zhǔn)確性。

在第二部分實(shí)驗(yàn)中，分別采用以往的應(yīng)急處理方法與所提出的處理方法對實(shí)驗(yàn)地區(qū)河道底泥進(jìn)行處理，主要對比5個月內(nèi)分別采用2種方法處理后河道淤堵的次數(shù)。

4.2 河道底泥成分分析

實(shí)際成分與所提出的方法測得成分對比結(jié)果見表3。

表3 河道底泥成分

由表3可知，所提出的方法在污泥成本測量方面與實(shí)際成分差距較小，基本能夠準(zhǔn)確獲得污泥成分含量。

4.3 河道淤堵情況分析

2個方法處理后河道淤堵次數(shù)對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 河道淤堵情況分析

由圖4可知，在5個月內(nèi)，采用此次研究的方法處理后，河道淤堵次數(shù)非常少，說明在河道發(fā)生淤堵時能夠及時對底泥進(jìn)行處理，較該城市以往采用的方法處理效果好。

5 結(jié)語

河道底泥疏浚作為改善河道水質(zhì)、提高河道行洪能力的重要工程措施，在水利行業(yè)日常建設(shè)管理中扮演著舉足輕重的“角色”。雖然本文所構(gòu)建的評價模型，其評價對象為主要污染物含量較小的底泥，而在對污染物超標(biāo)的部分底泥進(jìn)行評估時，評價結(jié)果往往會出現(xiàn)偏離。主要是由于底泥中所含污染物類型和濃度對于處置方案的選擇產(chǎn)生較大影響。因此，為了進(jìn)一步完善該評價模型，必須進(jìn)行更多的案例比對和實(shí)驗(yàn)，從而獲得更加全面的評價指標(biāo)項(xiàng)和更加合理的指標(biāo)權(quán)重，最終使得評價模型的適應(yīng)性得到提升。但整治河道依然是一個未完成的挑戰(zhàn)，仍然需要繼續(xù)挖掘與研究。