大型深水水庫環(huán)保疏浚方案設(shè)計及工程應用

劉小強，秦俊

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

環(huán)保疏浚是指采取一定機械措施去除水體中的污染底泥，從而降低底泥中污染物的釋放通量和生態(tài)風險，并對疏浚后的污染底泥進行安全處理處置的技術(shù)[1]，目的旨在通過對污染底泥的疏挖，消減底泥所含的污染物，減少底泥污染物向水體的釋放，為水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復創(chuàng)造有利條件[2]。環(huán)保疏浚作為一種環(huán)境友好型的疏浚方式，在淺水湖泊和城市河道等水域應用普遍[3-4]，比如，在滇池草海、武漢水果湖及安徽巢湖的污染底泥疏浚工程中均取得了較好效果[5-7]。但對于大型深水（＞30 m）水庫、湖泊，實施環(huán)保疏浚的工程項目相對較少[8]，因此，對大型深水水庫的環(huán)保疏浚方案設(shè)計進行探討研究具有一定的必要性和工程實際意義。

基于現(xiàn)有研究，結(jié)合泉州市山美水庫環(huán)保疏浚工程，對深水水庫中的環(huán)保疏浚設(shè)計方案進行探討分析，為后續(xù)其他類似工程的環(huán)保疏浚設(shè)計、施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

山美水庫位于福建省泉州市，是集供水、灌溉和發(fā)電于一體的大型深水水庫。水庫正常蓄水位96.48 m，水深15.3～46.6 m，總庫容6.55億m3。

由于泉州地區(qū)工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，水庫的內(nèi)源污染呈加重趨勢，特別是部分區(qū)域底泥中總氮、總磷及重金屬超標，已嚴重威脅庫區(qū)供水安全。根據(jù)底泥勘察及理化分析，山美水庫污染底泥主要分布于入庫河口段，總氮含量363～2 307 mg/kg，總磷含量 187～915 mg/kg，有機質(zhì)含量 0.34%～4.41%。另外，部分底泥重金屬鎘具有較強的生態(tài)毒性，對于水庫生態(tài)和水源供水有較嚴重的潛在危害。

根據(jù)測算，本工程疏浚面積約52萬m2，總疏浚量約55萬m3。疏浚區(qū)底高程為55.9～76.9 m，在正常蓄水位時，疏浚水深19.58～40.58 m。經(jīng)分析，本工程疏浚范圍及厚度見圖1。

圖1 環(huán)保疏浚范圍Fig.1 Environmental dredging area

2 總體實施要求

由于本工程疏浚區(qū)位于深水水庫，疏浚規(guī)模較大，周邊無大規(guī)模場地可供使用，結(jié)合污染底泥特征，考慮庫區(qū)周邊交通條件及環(huán)境保護等因素，本工程實施中需滿足以下要求：

1）環(huán)保疏浚設(shè)備能滿足深水疏浚要求（最大疏浚深度需達41 m），且具有較高的疏浚精度，并能有效減小疏浚施工對水體擾動。

2）底泥輸送方案能與疏浚設(shè)備及后續(xù)底泥處理處置工藝相互配套、協(xié)調(diào)，且需嚴格控制底泥輸送過程中的二次污染。

3）底泥處理處置需實現(xiàn)污染底泥的減量化、無害化、穩(wěn)定化，并能盡量實現(xiàn)資源的綜合利用。

4）尾水需滿足相關(guān)排放標準，不能對受納水體生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。

基于上述要求，本文從環(huán)保疏浚設(shè)備、底泥輸送、處理處置工藝及尾水處理要求等方面對深水水庫環(huán)保疏浚方案進行探討分析，并根據(jù)工程實際檢測數(shù)據(jù)，對實施效果進行評估。

3 環(huán)保疏浚設(shè)備

目前，國內(nèi)外使用的環(huán)保疏浚設(shè)備分為兩大類，一類為對現(xiàn)有疏浚設(shè)備進行環(huán)保改造，另一類為結(jié)合環(huán)保疏浚特點而研發(fā)的一些專用設(shè)備。上述改造或研發(fā)的新型設(shè)備中，均需配備先進的定位、監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足環(huán)保施工要求[9-10]。針對深水區(qū)域的環(huán)保疏浚設(shè)備，目前應用較多的主要有環(huán)保絞吸式挖泥船和氣力泵[11]。

1）環(huán)保絞吸式挖泥船

環(huán)保絞吸式挖泥船在疏浚時主要依靠絞刀頭下放至水底攪動泥土，因此其疏浚深度會受到絞刀架長度的制約，目前環(huán)保絞吸船最大疏浚深度通常不超過30 m[6]。受疏浚深度限制，在淺水湖泊中，環(huán)保絞吸式挖泥船應用較多，但在深水水庫中，其應用存在局限性。

2）氣力泵

氣力泵是一種以空氣為動力的空氣活塞泵，該設(shè)備主要由泥漿吸入口、缸體組、壓縮空氣機組、空氣分配閥組、排泥管等組成，主要利用靜水壓力進行污染底泥的疏浚，適宜于深水疏浚，最大疏浚深度可達100 m[8]。

氣力泵泵體呈長圓柱狀，中間為可移動圓形活塞板，兩端為進出泥空間與充放氣空間。進出泥空間端連有1根鋼管，鋼管上下端裝有同方向活塞板的排泥閥與進泥閥，并與吸泥鏟、排泥管相連，其構(gòu)造見圖2。

由于山美水庫與外部無水路通道，疏浚設(shè)備需從陸路調(diào)運至施工現(xiàn)場，因此要求采用小型或分體組合式的疏浚設(shè)備，單體運輸尺度應在公路、鐵路運輸能力之內(nèi)，并可在當?shù)亟M裝。考慮本工程疏浚的水深條件，底泥特性及技術(shù)經(jīng)濟合理性，常規(guī)環(huán)保疏浚設(shè)備不滿足施工要求，故本工程采用氣力泵與相關(guān)設(shè)備組裝，形成氣力泵環(huán)保疏浚船，從而有效解決該類問題。

圖2 氣力泵構(gòu)造圖Fig.2 Structural drawing of pneumatic pump

4 污染底泥輸送方式

污染底泥常規(guī)輸送主要有3種方式：汽車輸送、船舶輸送及管道輸送。

汽車運輸效率低、成本高，且在裝卸及運輸過程中存在泄露而污染環(huán)境的風險。

船舶輸送容易產(chǎn)生溢漏，造成二次污染，且雨季運輸時，不能滿載作業(yè)；另外，輸送末端需另配備吹泥船等設(shè)備作業(yè)，工藝流程相對復雜。

管道輸送為全封閉式，輸送過程安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保。

結(jié)合環(huán)保要求，本工程污染底泥采用管道輸送。當管道長度超過2.5 km時，每增加2.5～3.0 km加設(shè)1個工作平臺及接力泵站。多泵串聯(lián)工作時，采用相同工作特性的接力泵，以滿足串聯(lián)工作的一致性。

5 污染底泥處理處置

5.1 常用底泥處理處置方式比較

現(xiàn)階段，疏浚底泥處理處置方式主要有自然干化、真空脫水干化、土工管袋脫水干化及機械脫水固結(jié)一體化方法等[12-13]。各種處理處置方式對比見表1。

表1 常用底泥處理處置方式對比Table 1 Comparison of treatment and disposal methodsof sludge in common

經(jīng)調(diào)研，本工程周邊實際可供使用的底泥處理場地有限，無法滿足底泥大規(guī)模自然干化、真空預壓或土工管袋脫水處理的場地要求。另外，擬利用的場地位于水庫邊緣，三面環(huán)山，易受強降雨以及臺風等因素引發(fā)的山洪影響。若考慮建設(shè)圍堰后進行自然干化或真空預壓，臨時圍堰損壞后將直接導致底泥回流至水庫，造成更為嚴重的二次污染。第三，采用土工管袋脫水，雖無需建設(shè)大規(guī)模圍堰，但處理以細顆粒為主的淤泥質(zhì)土耗時較長且效果較差，不滿足本工程進度及環(huán)保要求。綜合分析，本工程底泥處理采用機械（板框壓濾機）脫水固結(jié)一體化技術(shù)。

5.2 脫水固結(jié)一體化工藝流程及設(shè)計方案

脫水固結(jié)一體化將疏浚后的泥漿采用復合材料進行調(diào)理、調(diào)質(zhì)，再采用機械壓濾脫水，提高固化強度，并完成對重金屬、微生物、病菌等有害物質(zhì)的鈍化或消毒，從而達到減量化、無害化、穩(wěn)定化和資源化利用的效果[14-15]。該底泥處理處置工藝系統(tǒng)由除渣系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)理系統(tǒng)和分離系統(tǒng)組成。

底泥處理工藝流程見圖3，場地平面布置示意見圖4。

圖3 底泥處理工藝流程圖Fig.3 Flow chart of sludge treatment process

圖4 底泥處理場地平面布置示意圖Fig.4 Layout plan of sludge treatment site

除渣系統(tǒng)主要由沉淀池和格柵機等設(shè)備組成。沉淀池主要作用在于消能、調(diào)整流態(tài)和沉淀粗顆粒；格柵機主要去除疏浚泥漿中的浮渣。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)疏浚設(shè)備和底泥脫水設(shè)備的產(chǎn)能匹配，并為后續(xù)工序提供適宜濃度的泥漿。

調(diào)理系統(tǒng)主要由小型絞吸船、藥漿攪拌機、配料系統(tǒng)及均化池組成。小型絞吸船將適宜濃度的泥漿從調(diào)節(jié)池輸送到藥漿攪拌機，同時配料系統(tǒng)按比例加入固化材料，經(jīng)計量裝置輸送到藥漿攪拌機與泥漿混合，混合均勻后流入至均化池反應，隨后輸送至板框壓濾機處理。

分離系統(tǒng)由渣漿泵、壓濾機、空壓機及推土機組成，渣漿泵將調(diào)理好的泥漿輸送至板框壓濾機進行初步過濾脫水，利用壓縮空氣加壓壓濾，壓榨好的泥餅脫落后由推土機輸送到泥餅堆場。

本工程污染底泥通過脫水固結(jié)一體化處理后[16]，形成含水率約30%的硬塑狀泥餅。尾水經(jīng)絮凝、沉淀及重金屬處理后達標排放[17]，排放標準執(zhí)行GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的一級標準。

經(jīng)過上述處理后的淤泥，含水率會大幅降低，且一些重金屬經(jīng)鈍化后，可根據(jù)處理后泥餅性質(zhì)，用作工程回填用土、園林綠化用土、建筑材料等。結(jié)合本工程的底泥特征，處理后泥餅可進行制磚處理。

5.3 實施效果

根據(jù)現(xiàn)場實施進展，對2016年12月至2017年12月施工期間的尾水進行檢測，各檢測指標均值見表2，尾水中各指標變化趨勢見圖5。

表2 尾水指標對比表Table2 Comparison table of residual water indexes

圖5 尾水中各指標變化趨勢圖Fig.5 The variation trend of each index in residual water

針對環(huán)保疏浚工程而言，我國還沒有統(tǒng)一的尾水排放標準，實際工程中一般以懸浮物作為控制指標[18]。根據(jù)表2，本工程排放尾水各項指標均滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準中最高允許排放濃度的相關(guān)要求。根據(jù)圖5，排放尾水中的高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、五日生化需氧量、總氮等指標與懸浮物具有良好的相關(guān)性，即實際工程中，可通過控制尾水中的懸浮物，從而較好地控制住有機物和氮、磷營養(yǎng)鹽等污染物。

另外，對經(jīng)底泥處理后形成的泥餅進行檢測，各污染物指標見表3。根據(jù)表3，泥餅各指標均滿足GB/T 25031—2010《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》中相應標準。由于本工程尾水達標排放，故環(huán)保疏浚后去除的污染物以脫水后泥餅含量進行計算，污染物去除總量見表4。經(jīng)計算，本工程疏浚污染底泥后，有效去除有機質(zhì)6 630 t，總氮413.1 t，總磷141.44 t，各類重金屬合計約70 t。通過污染底泥疏浚，大幅度消減了水體中的內(nèi)源污染物數(shù)量，對水生態(tài)恢復起到了良好的促進作用。

表3 泥餅檢測指標表Table3 Index of soil detection

表4 清除污染物總量Table 4 Total amount of pollutant removal

6 結(jié)語

1）根據(jù)山美水庫及污染底泥特點，提出“氣力泵環(huán)保疏浚船+管道輸送+脫水固結(jié)一體化處理+資源化利用”的技術(shù)方案，具有較好的可行性，能滿足大型深水水庫環(huán)保疏浚要求。

2）通過工程實踐，該技術(shù)方案在深水環(huán)境中疏浚效果較好，有效避免了二次污染，且底泥處理處置后能充分進行資源化利用，尾水指標符合排放要求。

3）通過實測數(shù)據(jù)推算，本工程實施后，有效消減了水庫中總氮、總磷、有機物及各類金重金屬污染，較好地提升了庫區(qū)水生態(tài)環(huán)境。

4）本文提出的深水水庫環(huán)保疏浚方案，能為后續(xù)其它環(huán)保疏浚工程提供借鑒和參考。