天福廟水庫清淤底泥及余水一體化處理系統(tǒng)①

□□ 劉祥兵，王 毅，饒澤軒，鄭 好，李露露，陳益人

(1.宜昌市黃柏河流域管理局，湖北 宜昌 443002；2.三川德青科技有限公司，湖北 武漢 430075)

引言

底泥是水體中重金屬、營養(yǎng)鹽及有機物等污染物重要的“源”與“匯”[1]，在某些適宜的環(huán)境條件下這些底泥中的污染物可通過沉積物-水界面大量向上覆水體釋放，造成水體的二次污染甚至安全隱患。隨著水體治理技術的不斷發(fā)展，在外源污染被有效截斷后，控制水體底泥內(nèi)源污染的釋放已成為水體治理的關鍵。截至2019年，我國已建設各類水庫9.8萬多座[2]，但因其在避免泥砂入庫及排砂方面存在設計缺陷，這些水庫普遍存在泥砂淤積現(xiàn)象[3]。水庫淤積大量的泥砂不但會大幅削減其有效庫容并縮短使用壽命，還會降低其灌溉、防洪、供水、發(fā)電等重要社會功能[4]，而淤積物中污染物的釋放不僅會造成水體的二次污染，更會使一些水源地水庫存在很大的安全風險。因此，對水庫內(nèi)源污染底泥進行清除是一項十分關鍵且必要的工作，而清淤疏浚則屬于最直接、最主要的清除內(nèi)源污染的手段[5]。由于水庫清淤底泥含水率較高、流動性較強，不但難以直接利用，還容易污染環(huán)境，直接填埋則占地很大，還會污染地表水、地下水及土壤，遇到暴雨等環(huán)境還會導致泥石流及山體滑坡，因此，必須對水庫清淤底泥脫水減量、固化，并對施工過程的余水完成達標處理排放。現(xiàn)以天福廟水庫為例，擬通過底泥及余水一體化處理系統(tǒng)的設計對庫區(qū)淤積底泥進行清除，并完成底泥的脫水固化和余水的達標處理。

1 項目概況

天福廟庫區(qū)水體水質(zhì)存在總磷超標情況，其水體長期處于輕度～重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，且局部區(qū)域時有水華發(fā)生。根據(jù)2018年上半年的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，天福廟庫區(qū)水體總磷的污染程度仍比較嚴重，其富營養(yǎng)化程度也較高，庫區(qū)水質(zhì)已無法滿足飲用水源地的水功能區(qū)劃要求。相關調(diào)查研究表明[6-7]，天福廟水庫底泥磷向上覆水的釋放對該庫區(qū)水質(zhì)已產(chǎn)生無法忽視的影響。因此，天福廟水庫清淤項目擬在控源截污的基礎上，通過環(huán)保清淤的方式去除污染底泥，清淤分二期實施，本文主要討論一期項目，其清淤總量約18.86萬m3(其中包括干挖方量0.50萬m3、深水清淤方量18.36萬m3)，清淤面積約為0.97 km2，清淤厚度為0.1～1.5 m，余水深度處理量約為77.45萬m3。

根據(jù)天福廟水庫清淤項目的驗收要求，按圖1所示工藝流程對清淤底泥及余水進行處理，即通過氣動吸泥泵環(huán)保清淤的泥漿在管道輸送(遠程接力)后，先經(jīng)預處理篩分系統(tǒng)去除粒徑≥3 mm的石塊等雜物(可用于資源化利用或填埋)，然后經(jīng)旋流篩分系統(tǒng)去除粒徑≥75 μm的細砂等固體顆粒物(可用于資源化利用或填埋)，再進入五級濃密機并加入絮凝劑實現(xiàn)初步泥水分離，其上清液和沉降淤泥分別進入泥漿池的上清液和底泥(通過微型調(diào)節(jié)池)中，之后泥漿池中的沉淀淤泥進入待壓罐并添加助濾劑，最后再通過板框壓濾機脫水固化，使得泥餅含水率≤45%，泥餅可用于資源化利用或外運。同時，泥漿池中的上清液通過兩級調(diào)節(jié)池穩(wěn)定水質(zhì)和水量并初步除磷和降低懸浮物，再經(jīng)平流氣浮池進一步快速除磷和去除懸浮物，然后通過砂濾罐進一步去除懸浮物和有機物，之后經(jīng)1號中間水池緩沖后再由曝氣生物濾池去除氨氮并截留懸浮物，最后經(jīng)2號中間水池緩沖沉淀達標后排放至原水庫。具體要求為懸浮物(SS)≤30 mg·L-1，而氨氮(NH4-N)、總磷(TP)、pH滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類標準，即NH4-N≤1.0 mg·L-1、TP≤0.2 mg·L-1、pH=6～9。

圖1 工藝流程

前期按照HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》于泥漿池多次采集的水樣進行測定，天福廟水庫清淤工程泥漿池上清液SS、NH4-N、TP及pH的平均值依次為：332 mg·L-1、4.55 mg·L-1、0.09 mg·L-1、7.45。

2 主要構(gòu)筑物及設計參數(shù)

氣動吸泥泵：1套，生產(chǎn)能力為180 m3·h-1，最大作業(yè)深度可達水下60 m。

預處理篩分系統(tǒng)：1套，生產(chǎn)能力為600 m3·h-1，可將粒徑≥3 mm的石塊等雜物從篩上分出，分出后的雜物資源化利用或填埋，而小粒徑漿液通過篩下料斗進入下一工序。

旋流篩分系統(tǒng)：1套，生產(chǎn)能力為250 m3·h-1，可分離出粒徑≥75 μm的細砂等固體顆粒物，用于資源化利用或填埋。

五級濃密機：1套，生產(chǎn)能力為200 m3·h-1，實現(xiàn)初步泥水分離，大幅度提升后續(xù)工序的泥漿濃度。

泥漿池：1座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)設微型調(diào)節(jié)池及兩道隔斷，總面積為1 000 m2，池深為3 m，總?cè)莘e為3 000 m3，用于儲存清淤泥漿，并進一步泥水分離。

待壓罐：3個，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，單個容積為50 m3，實現(xiàn)泥漿與藥劑的進一步混合、均化，改善泥性。

板框壓濾機：過濾面積為800 m2(生產(chǎn)能力為12 m3·h-1)1臺，過濾面積為600 m2(生產(chǎn)能力為9 m3·h-1)2臺，再次泥水分離，完成淤泥固化，含水率降低至≤45%。

調(diào)節(jié)池：2座，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為15.0 m×3.0 m×3.0 m，兩級調(diào)節(jié)，用于調(diào)節(jié)水質(zhì)、水量，并投加PAM、PAC等混凝劑初步除磷和降低懸浮物。

平流氣浮池：1座，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為11.0 m×3.0 m×2.8 m，進一步快速除磷和去除懸浮物，氣浮形成的浮渣通過刮渣機收集后返回泥漿池，沉淀下來的污泥回排至泥漿池。

砂濾罐：2套，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈尺寸為Φ1.6 m×3.0 m，單套處理能力為90 m3·h-1，強制過濾，進一步降低余水中的懸浮物和有機物。砂濾罐反沖洗的污泥回排至泥漿池。

1號中間水池：1座，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈尺寸為15.0 m×3.0 m×3.0 m，緩沖和暫存余水，并為后續(xù)處理設施提供余水。

曝氣生物濾池：3套，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈尺寸為Φ3.0 m×6.0 m，內(nèi)設大量生物載基，有效截留余水中殘留的細少懸浮物或生物脫膜，并通過大氣液比的交換實現(xiàn)微量部分氨氮的吹脫及硝化。曝氣生物濾池反沖洗的污泥回排至泥漿池。

2號中間水池：1座，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，尺寸為12.0 m×3.0 m×3.0 m，起緩沖沉淀及應急處置作用。

清水池：1座，鋼制防腐結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈尺寸為5.0 m×3.0 m×3.0 m，用于提供曝氣生物濾池載基生物膜再生所需的水源。

3 運行效果

在正常生產(chǎn)運行期，按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》對天福廟水庫壓濾泥餅的含水率連續(xù)測定1周，結(jié)果見表1。根據(jù)表1可知，天福廟水庫壓濾泥餅含水率均<45%，符合驗收要求。

表1 泥餅含水率

同時，根據(jù)驗收要求在總排口設置NH4-N、pH、SS及TP的自動監(jiān)測設備，對應上述正常生產(chǎn)運行期總排口水質(zhì)的日均值統(tǒng)計結(jié)果見表2。根據(jù)表2可知，NH4-N≤1.0 mg·L-1、pH=6～9、SS≤30 mg·L-1、TP≤0.2 mg·L-1，均符合驗收要求。

表2 總排口水質(zhì)情況

4 系統(tǒng)運維要素分析

4.1 絮凝劑及混凝劑的使用

在清淤底泥的調(diào)理過程中，須通過試驗確定絮凝劑的最佳調(diào)理用量，若用量過低則無法達到絮凝效果，而用量過高不但可能分散穩(wěn)定絮體，還會造成泥餅粘在板框壓濾機的濾布上并導致開板困難。此外，絮凝劑宜使用中性、不含鹽的水溶液溶解，并按1‰～2‰的濃度配置，溶解過程注意要緩慢、均勻，同時可通過攪拌(控制轉(zhuǎn)速在50～250 r·min-1)及適當加溫(≤60 ℃)加快溶解速度。另外，絮凝劑溶液的輸送宜選用低剪切泵，如螺桿泵等。

在調(diào)節(jié)池添加混凝劑的過程中，應注意觀察和記錄調(diào)節(jié)池的礬花生長情況。若調(diào)節(jié)池末端礬花顆粒較細小而水體混濁不易沉淀，則表明調(diào)節(jié)池加藥量不夠；若調(diào)節(jié)池末端礬花顆粒較大而松散，且出水異常清澈、出水還夾帶大量礬花，則表明調(diào)節(jié)池加藥量過大，導致礬花顆粒異常長大而不密實，難以沉淀。

4.2 助濾劑的使用

助濾劑的合理使用能夠大大提高板框壓濾機的效率，應通過試驗確定助濾劑的最佳用量，若用量過高不但會加大運行成本，還會加大泥餅的體積量，制造消納難題；而用量過低則難以達到生產(chǎn)效率要求，導致工期滯后。此外，助濾劑種類的選擇亦須謹慎，一些助濾劑可能會顯著提升余水的氨氮及pH，由此會增大后續(xù)余水處理系統(tǒng)的負荷和成本。

4.3 材料更換及設施維護

為保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，應及時完成相關材料更換和設施維護，如對板框壓濾機的濾布使用情況開展定期檢查，對損壞及不達要求的濾布及時更換；對砂濾罐、曝氣生物濾池要及時反沖洗；對平流氣浮池的浮渣及沉淀污泥要及時返回至泥漿池等。

4.4 停留時間

調(diào)節(jié)池、平流氣浮池、砂濾罐、中間水池及曝氣生物濾池等在調(diào)試期均應通過試驗確定適當?shù)耐Ａ魰r間。若停留時間太短則導致反應不充分、無法達到處理要求；而停留時間太長則會造成處理效率過低，使工期滯后。

4.5 其他

一體化處理系統(tǒng)的運行應提前做好應急預案和應急措施，如出水不達標時，可在2號中間水池完成應急處理，并及時檢查、整改系統(tǒng)存在問題。

5 環(huán)境及社會效益分析

清淤工程的實施可大大降低天福廟水庫底泥磷的釋放，防止內(nèi)源污染造成水質(zhì)惡化并導致水華現(xiàn)象，同時還能恢復天福廟水庫的有效庫容，提升其防洪、供水、發(fā)電等方面的社會效益；另一方面，清淤底泥經(jīng)脫水固化的無害化、減量化(體積減量60%以上)處理后可實現(xiàn)泥餅含水率≤45%，可在檢測合格后資源化利用或外運，不僅能夠大大節(jié)約土地資源，還能避免對地表水、地下水及土壤的二次污染，環(huán)境及社會效益十分明顯。

6 結(jié)語

(1)工程應用表明，天福廟水庫清淤底泥及余水處理一體化系統(tǒng)能夠有效地將底泥脫水固化處理至含水率在45%以下，并使余水NH4-N、pH、SS及TP等處理至驗收要求。通過一體化處理系統(tǒng)的應用，泥餅和余水水質(zhì)均可滿足驗收要求，該系統(tǒng)的成功應用可為今后類似工程的實施提供借鑒。

(2)按設計余水處理量計算，余水處理系統(tǒng)總計可減少NH4-N、SS及TP的排放量分別為3.11 t、250.12 t、0.03 t，保證了還庫余水的水質(zhì)，使得清淤過程可不中斷供水，環(huán)境及社會效益十分明顯。

(3)一體化處理系統(tǒng)的運行過程仍需對各運維要素不斷加以調(diào)試，并按照不同泥漿比重和不同余水水質(zhì)、水量及時調(diào)整藥劑的用量及停留時間等，確保在提高處理效果與效率的同時最大程度降低運行成本。