某城市污水處理廠污泥填埋坑綜合治理工程方案設計

程 立 許妍妍

（光大環境修復(江蘇)有限公司，江蘇 南京211100）

隨著我國城市化不斷深入和發展，城市污水處理廠產生的污泥量越來越大，目前國內對污水廠污泥的處理方式主要有填埋、焚燒、協同處置、資源化利用等。由于污泥填埋成本低，大多數污水處理廠采取了“部分脫水后填埋”的方式處理污泥，全國各地存在數量眾多的污泥填埋坑。污泥自身具有含水率高、有機污染物濃度高、重金屬含量高等物理化學特性，如何科學地治理污泥填埋坑，一直是環境修復行業的難題。

1 工程概況

某城市污水處理廠的污泥填埋坑面積約16 萬平方米，原為天然坑塘，底部及四周未做任何防滲處理，污泥最大深度16.5m，平均深度11m，淤泥總量約163 萬立方米，污泥來源為污水處理廠污泥和印染工業污泥。坑內污泥多為流塑狀，含水率分布在79.4%～90.7%之間，坑內垂直方向上各層污泥含水率差別不大。污泥夾雜部分建筑垃圾，有機質含量較高，力學性能極差，大型機械無法直接進場施工。經調查，污泥超標污染物為鉻、鋅、鈷、銻、釩、六價鉻、砷、氯仿、苯、氟化物、六氯苯、總石油烴（C10-C40）等。

2 方案設計

根據巖土工程勘察和場地補充調查報告，構建場地概念模型，明確場地風險區域，結合場地實際條件，提出“風險管控+排水固接+生態復綠”的技術路線，篩選可行技術，制定出場地環境綜合治理方案。污泥填埋坑周邊土壤與地下水均存在超標污染物，污染物種類多、遷移性強。為管控風險，防止污染物持續擴散影響周邊場地，參考相關技術導則、標準和規范，采用先阻隔、后治理的方式。具體方案內容包括以下四個方面：（1）切斷污染源，阻止污染物隨地下水向周邊遷移擴散；（2）降低污泥含水率，加速污泥排水固結，減小填埋坑內污泥體積；（3）對表層污泥進行固化/穩定化，降低有機物含量，提高表層污泥承載力；（4）表層生態復綠，提升場地整體環境質量。

2.1 垂直防滲阻隔

根據場地環境綜合治理方案的要求，沿污泥填埋坑四周施工形成垂直的防滲帷幕，帷幕底部插入下部相對不透水的土層中2m，使污染源與外界環境隔絕，阻隔污染物進入周圍的土壤和水體，同時也防止四周地下水和地表水進入場地內，達到控制污染物擴散的目的。

參考《生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范》（CJJ176-2012）對垂直防滲帷幕厚度設計中的相關規定，可取垂直防滲帷幕外側邊界污染物濃度達到內側邊界的10%作為垂直防滲帷幕被擊穿的標準，污染物向下游的遷移距離和遷移深度也按10%相對濃度等勢線確定。場地環境綜合治理方案要求垂直防滲帷幕的設計使用年限為30a，故在擊穿判別驗算中，垂直防滲帷幕的擊穿時間應大于30a。

當防滲帷幕滲透系數達到10-7cm/s 量級，且帷幕底部插入到不透水層時，污染物在防滲帷幕內側的豎向滲流可忽略不計，污染物溶質在土體中形成近似一維水平向滲流和擴散。對于溶質在飽和工程材料中的一維遷移問題，當吸附達到平衡狀態時，則半無限空間內考慮對流、分子擴散、機械彌散和線性吸附的溶質遷移控制方程可表述為：

式中，Cr為土中孔隙液的溶質濃度；Dh為溶質遷移通過土的水動力彌散系數；vs為溶液在土孔隙中的平均流速；Rd為土吸附溶質的阻滯因子；t 為溶質遷移時間；x 為溶質遷移方向的距離。

以上控制方程可采用《工業污染場地豎向阻隔技術標準》（征求意見稿-2019，中華人民共和國化工行業標準）推薦的半無限空間一維對流- 彌散解析解，對防滲帷幕外側污染物濃度進行計算。

公式如下：

式中，Ce為豎向阻隔屏障下游段滲出液中的目標污染物濃度；C0為滲入豎向阻隔屏障的污染物濃度；Ci為初始狀態下豎向阻隔屏障孔隙液中目標污染物濃度；L 為屏障厚度；vs為污染液在屏障孔隙中的平均流速；k 為屏障滲透系數；i 為屏障兩側水力梯度；n 為屏障孔隙率；Dh為目標污染物遷移通過豎向阻隔屏障的水動力彌散系數；Rd為豎向阻隔屏障吸附目標污染物的阻滯因子；t 為設計使用年限。其中阻滯因子Rd反映了防滲帷幕材料特性以及污染物類型的影響，而水動力彌散系數Dh反映了污染物種類、防滲帷幕整體性能的影響。這兩個參數與防滲帷幕的孔隙通道、材料性質、污染物種類有關，合理取值是計算準確的關鍵。通過專業軟件GMS 的兩個模塊MODFLOW 和MT3DMS 對擊穿時間進行數值模擬計算。MODFLOW 是地下水滲流三維有限差分分析模塊，可以對地下水在飽和土層中的滲流進行分析；MT3DMS 是污染物運移三維有限差分分析模塊，在MODFLOW 模塊分析得到的滲流場基礎上，對污染物的運移進行分析。計算結果如圖1。

圖1 垂直防滲帷幕擊穿時間驗算

根據計算可知，2m 厚的垂直防滲帷幕滿足擊穿時間大于30a 的要求。綜合考慮場地條件、施工成本和以往工程經驗，選擇水泥攪拌樁作為垂直防滲帷幕。設計采用單樁直徑為850mm的三軸水泥攪拌樁，咬合250 mm，底部深入相對不透水層2m，三排水泥攪拌樁的厚度為2.05 m（見圖2），滿足設計厚度大于2 m 的要求。水泥攪拌樁材料采用42.5 號普通硅酸鹽水泥，水灰比1.5，水泥摻入比為20%，膨潤土摻入比為5%，防滲帷幕的設計滲透系數為n×10-6(n=1～9)，水泥土攪拌樁加固體28d 無側限設計抗壓強度≥0.8Mpa。樁體施工采用標準連續方式和“四攪兩噴”工藝，嚴格控制下沉及提升速度，使水泥漿液與原狀土充分均勻拌和，施工采用的漿液配比須根據現場試驗進行修正。

圖2 三排水泥攪拌樁平面布置圖

2.2 表層污泥固化、穩定化

因污泥含有揮發性的可燃有機物，表層污泥上覆有的枯草、樹枝等易燃物經可燃有機物浸泡過之后，極易發生自燃。為降低表層污泥的有機物含量，杜絕自燃隱患，同時讓表層污泥具備一定的承載力，滿足大型機械設備進場施工的要求，為后續排水固結和復綠工程提供條件，方案采用環保型化學藥劑對表層1.2m 厚的污泥進行固化/穩定化處理。固化/穩定化藥劑主要成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3等。最主要的反應是利用鎂、鈣、硅、鋁的凝硬反應等，使污泥得到固化。其固化反應包括水酸化物生成時的固化，難溶性鹽生成時的固化或者水化合物生成時的吸附固定。該固化劑適應性廣，對銅、鋅、鎳、總鉻、鉛、鎘、汞、氟、硒、砷、六價鉻等都有較好的適應性，且反應后的堿性比水泥要低，減少惡臭的發生。

經固化/穩定化的污泥承載力可達100kPa，滿足履帶式機械設備進場承載力要求，同時固化/穩定化后的污泥有機物含量大大降低，有機物去除率高達78%，基本消除了自燃風險。對固化/穩定化后的污泥進行浸出毒性檢測，其浸出污染物濃度均低于《危險廢物鑒別標準——浸出毒性鑒別》的要求，降低了表層污泥污染物浸出之后污染地表水環境的風險。

2.3 深層井點噴射排水+堆載預壓排水

污泥具有較高的有機物含量和較低的滲透系數，污泥中的水分不但以孔隙水和表面結合水的形式存在，還存在有機絮凝體內部的結合水和微生物殘體內部的細胞水。由于污泥的滲透系數比普通淤泥低一個數量級以上，同時大量有機物絮凝體存在于污泥組分中，使得污泥所含的液體難以排出，導致污泥排水固結的所需的時間要遠大于普通淤泥。

針對污泥以上特性，為了取得較好的排水效果，加快污泥固結，采取了“深層井點噴射排水”與“堆載預壓排水”聯合工作的方式（見圖3）。

（1）深層井點噴射排水：采用的特制槽孔管，深入污泥填埋坑底部，通過注入高速氣體在排水井底部形成負壓，把污泥中的滲濾液快速導出，加速污泥堆體固結。排水固結完成后，該系統可繼續發揮作用，對污泥中的有害揮發性有機物進行氣相抽提，必要時可以通入熱空氣，加速有毒有害氣體排出。整個污泥填埋坑內布置排水豎井共計430 孔，孔徑273mm，井深12m-15m，距離污泥填埋坑底面2m。每一個水平橫向管可以牽引50～100 個抽吸豎井，配備高效自動控制系統，根據孔內水位自動切換抽排豎井，循環抽排，不會因污泥滲透系數低而斷流，使排滲效率大幅提高。

（2）堆載預壓排水：采用特種承壓水囊平鋪于污泥填埋坑頂部，將井點導出的滲濾液注入水囊中，水囊注滿后可達2.5m 高，單個水囊重達300 t，實現了堆載預壓的目的。特種承壓水囊還能解決固結排水產生的大量滲濾液無處儲存的問題。壓載完成后，可逐個排出水囊中的滲濾液，進行處理后達標排放。

圖3 深層井點噴射排水+堆載預壓排水系統示意圖

3 結論

綜合治理方案實現了以下環境治理目標：（1）對污泥填埋坑內的污染源的進行了長效風險管控；（2）促進了污泥堆體的持續排水固結；（3）污泥固化/穩定化技術降低了表層污泥的有機物含量，消除了自燃隱患，同時為后續工程提供了穩定耐壓的下部土層；（4）表層生態復綠提升了項目整體環境質量。經過工程實踐應用，上述綜合治理方案是一種可靠、經濟的工程技術方案，為類似污泥填埋坑環境治理項目提供了一些解決思路和參考。