基于層次分析法的河道底泥應急處理方法

孫 浩

(上海市水利工程設計研究院有限公司，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，是維持整個生態平衡的基礎。但近年來各個行業直線發展，使用的技術手段也層出不窮，一方面促進了城市乃至全國的經濟發展，提高了人們的生活水平，另一方面也增大了生態環境的壓力。由于各個企業污染物或者廢水廢氣排放不當，沒有經過特殊處理直接排放到水中，導致周圍的水質逐漸變差，環境受損得更加嚴重，產生了一系列的后續問題，不僅破壞了生態環境的穩定，還對人類的健康造成了嚴重的影響。同時河流流動的污染物會進入到下一段河流，而剩余的沉淀物或者底泥就會堆積在河道內，導致河道不斷變窄，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。基于現狀，設計一個基于層次分析法的河道底泥應急處理方法，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物質與N、P等離子。將底泥進行脫水處理，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，最后在高溫下，加入結晶物質參與化學反應[1]，減少其中的離子動態反應。

在處理后，對底泥中含有的眾多元素按照溶解程度進行排序，篩選出來的元素與離子就可以單獨形成一個判斷矩陣[2]，假設矩陣為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 建立層次結構模型

在底泥測定與分析的基礎上，預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聯性，根據底泥中存在的物質區別，將層次劃分為高級層、連接層與基礎層，高級層次及時決定最終的底泥處理[4]方式，結構模型如圖1所示。

圖1 層次結構模型

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環境的影響[5]，將計算空氣中污染指數的計算方法進行對比，總結出一個新的河道污染指標，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—河道污染標準；εi—權重因子；Ii—河道內的污染程度，mg/kg；i—種類；n—數量；Mi—廢水等污染物在河道內的比例；j—層數。

層次分析法的核心要素就是將河道內每個污染物進行排列，相互比較其污染程度[6]，找出其中的關聯性，按照底泥的獨特性，找出最為合理的處理技術。而當污染物中出現極其類似的元素或者物質，就要分批次對其進一步分析，相互比較，建立判斷矩陣，一般比較的物質為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，按照污染指數的標準來互相比較，進行判斷[8]，作為處理底泥的依據。而比較后產生標度的意義見表1。

表1 判斷矩陣的標度以及含義

按照矩陣給出的指示來確定權重[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不變，公式為：

AW=λmaxW/n

(4)

式中，λmax—權重因子最大值，也是劃分特征向量的標準，而矩陣不同也會導致權重互不相同。

為了使得到的數值具有準確性，將要對結果進行檢驗，公式為：

CI=(λmax-n)/(m-1)

(5)

式中，m—矩陣的序列數；CI—檢驗結果。

該公式一般用于底泥中污染較小的廢棄物，而其中較為嚴重就是金屬污染物，不但具有毒性，還不可以回收利用。基于上述結構，獲取河道底泥含量的基本概況[10]，為河道底泥應急治理提供基礎。

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，通過管道運輸，最后統一處理達到整治指標的過程。減量化操作不但過程明確，還能有效地清除河道內堆積的污染物，避免二次污染[11]，最后將過濾后的礦物質進行回收，循環利用，達到節約資源與保護環境的目的。

到目前為止，最為常用的底泥應急處理技術就是傳統河道處理與循環式多面修復的方法，傳統的方法主要是固定底泥的停留位置，保證周圍環境與河道兩極分化，互不影響，然后應用先進的物流技術和化學技術，對底泥中含有的特殊物質進行分解與過濾[12]，旨在提高河道中的水流速度，凈化其中的污染，但治標不治本，剩余不易分解的物質還會流入下一條分支河道中。本文在傳統方法的技術上進行改進與優化，首先徹底清除河道內的底泥，保證河道正常流淌，然后將取出的底泥用降解或者化學方法進行第一層處理，將分解得到的氣體或者液體循環使用于工廠中，不但清理較為徹底，還促進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流入城市中，以免污染其他河道，造成二次污染，破壞生態環境的穩定。

該方法涉及的分離技術需要較為復雜的操作手法，進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，增加了運輸的難度，致使河道中的水量急速減少。此時，就要采用特殊的運輸方法，將留存下來的材料運輸到工廠內，進行利用。最常用的方法就是利用挖泥船進行輸運，在河道底泥與船之間連接一個管道，利用船的發動機動力抽出底泥與材料，然后統一運輸到廢棄場，全部銷毀。由于河道鄰近城市，并且周圍存在眾多村莊，考慮到技術的特殊性，進一步對處理方法進行優化[14]。在上述方法的基礎上，將會加入化學物質，使其與污泥中的物質發生化學反應，生成物不占用河道空間，且可繼續循環使用，保證一段時間的投放，就會使河道內的污泥不斷減少，并且不會污染環境，剩余不易溶解的礦物質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，就會浪費大量資源[15]，因此使用先進的底泥脫水技術將污泥中的水源隔離出來，繼續投入河道中，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 穩定脫水固化同位處理技術工藝流程

通過機器脫水可以徹底將底泥中的毛細水與雜質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中，固體雜質會經過特定的通道傳送到船上，而污泥就會隨著離心機的旋轉而丟失大量水分，剩余干燥的泥土，水分就會隨著管道重新進入到河道內，而后續的固體物質會根據滾筒筒身孔的大小進行分類，針對底泥的黏稠程度離心機可以隨機調節轉速，最高可達3000r/min，處理的工作量可達到100m3/h，流程如圖3所示。

圖3 淤泥處理工藝

此時，經過脫水后的污泥中的有害物質已經大大減少，對環境不能構成威脅，其中的固體物質可以作為建筑材料得以應用，還可以作為沙土用來填補與改善橋梁，不但土質較軟，還具有一定的黏度，而剩余的雜質水會運輸到加工廠，多次凈化處理用于人們的生活用水。

4 實例分析

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

4.1 污泥采集

在第一部分實驗中需要采集污泥，為保證底泥樣品維持原有的狀態，進行原位取樣，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。在進行取樣時，將其安裝到取樣管的底部，并將一部分堅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進行直接觀察，所以采管采用了厚而硬的透明塑料管。為了便于搬運，把它分成若干個小塊，每個小塊之間用螺釘固定，如果采樣管的強度不足，應在采樣管外面用鋼護套來支撐和防護。

(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，將取樣管內的泥漿樣本送入取樣瓶。

取樣設備需按照如下步驟使用。

(1)到達指定的取樣位置，將取樣管的幾個部分連接到適當的長度，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，過程中如底泥層堅硬難以繼續插入，則在上方輕輕敲擊取樣管，使其繼續向下插入至河底堅硬底泥層。

(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行檢測，得到實際成分，將實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行對比，分析河道底泥成分判定的準確性。

在第二部分實驗中，分別采用以往的應急處理方法與所提出的處理方法對實驗地區河道底泥進行處理，主要對比5個月內分別采用2種方法處理后河道淤堵的次數。

4.2 河道底泥成分分析

實際成分與所提出的方法測得成分對比結果見表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際成分差距較小，基本能夠準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對比結果如圖4所示。

圖4 河道淤堵情況分析

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

5 結語

河道底泥疏浚作為改善河道水質、提高河道行洪能力的重要工程措施，在水利行業日常建設管理中扮演著舉足輕重的“角色”。雖然本文所構建的評價模型，其評價對象為主要污染物含量較小的底泥，而在對污染物超標的部分底泥進行評估時，評價結果往往會出現偏離。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生較大影響。因此，為了進一步完善該評價模型，必須進行更多的案例比對和實驗，從而獲得更加全面的評價指標項和更加合理的指標權重，最終使得評價模型的適應性得到提升。但整治河道依然是一個未完成的挑戰，仍然需要繼續挖掘與研究。