□□ 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(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)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(guò)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(shù)的不斷發(fā)展，在外源污染被有效截?cái)嗪螅刂扑w底泥內(nèi)源污染的釋放已成為水體治理的關(guān)鍵。截至2019年，我國(guó)已建設(shè)各類水庫(kù)9.8萬(wàn)多座[2]，但因其在避免泥砂入庫(kù)及排砂方面存在設(shè)計(jì)缺陷，這些水庫(kù)普遍存在泥砂淤積現(xiàn)象[3]。水庫(kù)淤積大量的泥砂不但會(huì)大幅削減其有效庫(kù)容并縮短使用壽命，還會(huì)降低其灌溉、防洪、供水、發(fā)電等重要社會(huì)功能[4]，而淤積物中污染物的釋放不僅會(huì)造成水體的二次污染，更會(huì)使一些水源地水庫(kù)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)水庫(kù)內(nèi)源污染底泥進(jìn)行清除是一項(xiàng)十分關(guān)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(kù)清淤底泥含水率較高、流動(dòng)性較強(qiáng)，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(huì)污染地表水、地下水及土壤，遇到暴雨等環(huán)境還會(huì)導(dǎo)致泥石流及山體滑坡，因此，必須對(duì)水庫(kù)清淤底泥脫水減量、固化，并對(duì)施工過(guò)程的余水完成達(dá)標(biāo)處理排放?，F(xiàn)以天福廟水庫(kù)為例，擬通過(guò)底泥及余水一體化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)庫(kù)區(qū)淤積底泥進(jìn)行清除，并完成底泥的脫水固化和余水的達(dá)標(biāo)處理。

1 項(xiàng)目概況

天福廟庫(kù)區(qū)水體水質(zhì)存在總磷超標(biāo)情況，其水體長(zhǎng)期處于輕度～重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，且局部區(qū)域時(shí)有水華發(fā)生。根據(jù)2018年上半年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，天福廟庫(kù)區(qū)水體總磷的污染程度仍比較嚴(yán)重，其富營(yíng)養(yǎng)化程度也較高，庫(kù)區(qū)水質(zhì)已無(wú)法滿足飲用水源地的水功能區(qū)劃要求。相關(guān)調(diào)查研究表明[6-7]，天福廟水庫(kù)底泥磷向上覆水的釋放對(duì)該庫(kù)區(qū)水質(zhì)已產(chǎn)生無(wú)法忽視的影響。因此，天福廟水庫(kù)清淤項(xiàng)目擬在控源截污的基礎(chǔ)上，通過(guò)環(huán)保清淤的方式去除污染底泥，清淤分二期實(shí)施，本文主要討論一期項(xiàng)目，其清淤總量約18.86萬(wàn)m3(其中包括干挖方量0.50萬(wàn)m3、深水清淤方量18.36萬(wàn)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(wàn)m3。

根據(jù)天福廟水庫(kù)清淤項(xiàng)目的驗(yàn)收要求，按圖1所示工藝流程對(duì)清淤底泥及余水進(jìn)行處理，即通過(guò)氣動(dòng)吸泥泵環(huán)保清淤的泥漿在管道輸送(遠(yuǎn)程接力)后，先經(jīng)預(yù)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(xì)砂等固體顆粒物(可用于資源化利用或填埋)，再進(jìn)入五級(jí)濃密機(jī)并加入絮凝劑實(shí)現(xiàn)初步泥水分離，其上清液和沉降淤泥分別進(jìn)入泥漿池的上清液和底泥(通過(guò)微型調(diào)節(jié)池)中，之后泥漿池中的沉淀淤泥進(jìn)入待壓罐并添加助濾劑，最后再通過(guò)板框壓濾機(jī)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(yùn)。同時(shí)，泥漿池中的上清液通過(guò)兩級(jí)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(jìn)一步快速除磷和去除懸浮物，然后通過(guò)砂濾罐進(jìn)一步去除懸浮物和有機(jī)物，之后經(jīng)1號(hào)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(hào)中間水池緩沖沉淀達(dá)標(biāo)后排放至原水庫(kù)。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(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，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(cè)技術(shù)規(guī)范》于泥漿池多次采集的水樣進(jìn)行測(cè)定，天福廟水庫(kù)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(shè)計(jì)參數(shù)

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

預(yù)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(guò)篩下料斗進(jìn)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(xì)砂等固體顆粒物，用于資源化利用或填埋。

五級(jí)濃密機(jī)：1套，生產(chǎn)能力為200 m3·h-1，實(shí)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(shè)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(chǔ)存清淤泥漿，并進(jìn)一步泥水分離。

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

板框壓濾機(jī)：過(guò)濾面積為800 m2(生產(chǎn)能力為12 m3·h-1)1臺(tái)，過(guò)濾面積為600 m2(生產(chǎn)能力為9 m3·h-1)2臺(tái)，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(jí)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(jìn)一步快速除磷和去除懸浮物，氣浮形成的浮渣通過(guò)刮渣機(jī)收集后返回泥漿池，沉淀下來(lái)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(qiáng)制過(guò)濾，進(jìn)一步降低余水中的懸浮物和有機(jī)物。砂濾罐反沖洗的污泥回排至泥漿池。

1號(hào)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(shè)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(shè)大量生物載基，有效截留余水中殘留的細(xì)少懸浮物或生物脫膜，并通過(guò)大氣液比的交換實(shí)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(hào)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(yīng)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(yùn)行效果

在正常生產(chǎn)運(yùn)行期，按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)天福廟水庫(kù)壓濾泥餅的含水率連續(xù)測(cè)定1周，結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1可知，天福廟水庫(kù)壓濾泥餅含水率均<45%，符合驗(yàn)收要求。

表1 泥餅含水率

同時(shí)，根據(jù)驗(yàn)收要求在總排口設(shè)置NH4-N、pH、SS及TP的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)應(yīng)上述正常生產(chǎn)運(yùn)行期總排口水質(zhì)的日均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)收要求。

表2 總排口水質(zhì)情況

4 系統(tǒng)運(yùn)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(guò)程中，須通過(guò)試驗(yàn)確定絮凝劑的最佳調(diào)理用量，若用量過(guò)低則無(wú)法達(dá)到絮凝效果，而用量過(guò)高不但可能分散穩(wěn)定絮體，還會(huì)造成泥餅粘在板框壓濾機(jī)的濾布上并導(dǎo)致開(kāi)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(guò)程注意要緩慢、均勻，同時(shí)可通過(guò)攪拌(控制轉(zhuǎn)速在50～250 r·min-1)及適當(dāng)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(guò)程中，應(yīng)注意觀察和記錄調(diào)節(jié)池的礬花生長(zhǎng)情況。若調(diào)節(jié)池末端礬花顆粒較細(xì)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(guò)大，導(dǎo)致礬花顆粒異常長(zhǎng)大而不密實(shí)，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(jī)的效率，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定助濾劑的最佳用量，若用量過(guò)高不但會(huì)加大運(yùn)行成本，還會(huì)加大泥餅的體積量，制造消納難題；而用量過(guò)低則難以達(dá)到生產(chǎn)效率要求，導(dǎo)致工期滯后。此外，助濾劑種類的選擇亦須謹(jǐn)慎，一些助濾劑可能會(huì)顯著提升余水的氨氮及pH，由此會(huì)增大后續(xù)余水處理系統(tǒng)的負(fù)荷和成本。

4.3 材料更換及設(shè)施維護(hù)

為保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)完成相關(guān)材料更換和設(shè)施維護(hù)，如對(duì)板框壓濾機(jī)的濾布使用情況開(kāi)展定期檢查，對(duì)損壞及不達(dá)要求的濾布及時(shí)更換；對(duì)砂濾罐、曝氣生物濾池要及時(shí)反沖洗；對(duì)平流氣浮池的浮渣及沉淀污泥要及時(shí)返回至泥漿池等。

4.4 停留時(shí)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(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r(shí)間。若停留時(shí)間太短則導(dǎo)致反應(yīng)不充分、無(wú)法達(dá)到處理要求；而停留時(shí)間太長(zhǎng)則會(huì)造成處理效率過(guò)低，使工期滯后。

4.5 其他

一體化處理系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)提前做好應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急措施，如出水不達(dá)標(biāo)時(shí)，可在2號(hào)中間水池完成應(yīng)急處理，并及時(shí)檢查、整改系統(tǒng)存在問(wèn)題。

5 環(huán)境及社會(huì)效益分析

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

6 結(jié)語(yǔ)

(1)工程應(yīng)用表明，天福廟水庫(kù)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(yàn)收要求。通過(guò)一體化處理系統(tǒng)的應(yīng)用，泥餅和余水水質(zhì)均可滿足驗(yàn)收要求，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為今后類似工程的實(shí)施提供借鑒。

(2)按設(shè)計(jì)余水處理量計(jì)算，余水處理系統(tǒng)總計(jì)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(kù)余水的水質(zhì)，使得清淤過(guò)程可不中斷供水，環(huán)境及社會(huì)效益十分明顯。

(3)一體化處理系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程仍需對(duì)各運(yùn)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(shí)調(diào)整藥劑的用量及停留時(shí)間等，確保在提高處理效果與效率的同時(shí)最大程度降低運(yùn)行成本。