對武漢市東湖水系連通港內源清淤的設計思路

陳建飛，徐 恒，陳媛媛

(武漢中科水生環(huán)境工程股份有限公司，湖北 武漢 430070)

1 引言

我國經(jīng)濟的飛速增長促使城鎮(zhèn)人口急劇增加，城市環(huán)境負荷日益增大，與此同時，人們對友好環(huán)境的向往也是愈加強烈，但黑臭水體嚴重制約了城市發(fā)展，降低了人們幸福指數(shù)和滿意度。為此，國家推出“水十條”等一系列治理黑臭水體方案、措施，曾一度在全國范圍內刮起一陣黑臭水體治理熱浪，可結果卻差強人意。人們對黑臭水體的認識更加深刻，大部分治理效果不明顯的水體主要是由于水體自身底泥遭到污染，不去除底泥無法從根本上解決黑臭現(xiàn)象，底泥清淤應時而生。目前，對于底泥清淤設計缺乏相關標準體系，本文以武漢市東湖水系連通港為例，詳細介紹了底泥清淤設計的思路，以供同行參考。

2 底泥概況

本工程中連通港為墨水湖、南太子湖之間的連通水系，底泥重金屬情況可類比參照武漢新區(qū)六湖水系湖泊底泥重金屬潛在生態(tài)危害水平，呂擁軍等[1]人的研究表明武漢新區(qū)六湖水系湖泊底泥重金屬處于中低風險水平，為可接受程度，對周邊環(huán)境污染影響較小，可通過水體自凈能力恢復。因此本工程僅對連通港底泥營養(yǎng)鹽進行檢測分析。

參考《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術指南(試行)》，采用直線形布置底泥勘探線，對連通港底泥進行采樣檢測，共10個點位，勘探點間距約150m。底泥中含水率、pH值采用快速檢測儀檢測，總氮(TN)和總磷(TP)采用分光光度法[2]。具體采樣點布設位置見圖1。

對底泥樣品中含水率、pH值、有機質、總氮、總磷等指標進行檢測分析，具體結果如表1所示。

清淤工程中常采用綜合污染指數(shù)法[3]對底泥的污染情況進行評價。具體評價方法如下：

Si=Ci/Cs

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Si為單項評價指數(shù)或標準指數(shù)，Si大于1表示因子i量超過評價標準值；Ci為評價因子i實測值；Cs為評價因子i的評價標準值，參照EPA標準[1]，TN的Cs=1000 mg/kg，TP的Cs=420 mg/kg；F為n項污染指數(shù)平均值(STN和STP中平均值)，F(xiàn)max為最大單項污染指數(shù)(STN和STP中最大者)。按上述步驟要求對連通港底泥進行綜合污染評價，并參照表2作出連通港底泥綜合污染評價表，具體評價結果如表3所示。

圖1 底泥采樣點位布設

表1 連通港底泥檢測結果

從表3中可知連通港所采集的各點位底泥綜合污染指數(shù)處于1.44～1.86間，大多數(shù)為中度污染，局部點位為輕度污染，說明本工程內連通港底泥整體污染程度已達中度污染。淤泥中污染物的富集與釋放是河湖水體污染的重要來源，也是河湖凈化與修復的重要阻礙[4,5]。參考胡開明等[6]在太湖不同湖區(qū)底泥懸浮沉降規(guī)律研究及內源釋放量估算研究，本工程擬定COD、NH3-N、TP內源平均釋放速分別為85.41 mg/(m2·d)、3.61 mg/(m2·d)、2.46 mg/(m2·d)。本工程內連通港面積取62900 m2，經(jīng)計算，連通港內源污染負荷量如表4所示。

表2 底泥污染程度分級

表3 連通港底泥綜合污染評價

表4 內源污染負荷

3 設計目標

依據(jù)計算污染負荷和參考環(huán)境容量，可得目標污染物的理論削減值(污染負荷與環(huán)境容量的差值)，為保障水質目標實現(xiàn)的可靠性，消除污染監(jiān)測與環(huán)境容量計算的偏差及其他不確定性，需增加污染物負荷削減量，提高水質目標的安全系數(shù)，因此本工程主要污染物COD、NH3-N、TP的目標削減量分別為2.02 t/a,0.08 t/a,0.21 t/a。

4 清淤設計

4.1 方案比選

4.1.1 清淤方式比選

國內外用于湖泊、港渠底泥疏挖[7]的方法很多，從采用人力角度，可分為人工開挖、機械開挖和半人工半機械開挖；從水體是否排水角度，可分為排水干灘施工、水下疏挖施工[8～11]等。

(1)排水干灘施工適用于庫容小、水深較淺的湖泊港渠。首先施工圍堰，然后通過分期導流、泵抽或重力排水等方式將水域內的水排干，接著根據(jù)現(xiàn)場淤泥實際情況選擇專用淤泥鏟運機進行清淤作業(yè)，將淤泥清除并歸堆于岸坡邊緣。這種機械施工適用于淤泥泥性較好的情況，或者采用水力沖挖的方式進行清淤，沖挖下來形成的泥漿被固定在浮桶上的泥漿泵提升至淤泥處理場。

(2)水下疏挖(環(huán)保疏浚)：適用于庫容大、水深較深的湖泊港渠。它是在保持河道中水位的情況下，采用底泥疏動裝置和吸泥泵的操作配合，泵吸底泥，清出的底泥以泥漿的形式用輸泥管直接輸送至處理場。該方法容易控制清除底泥的層厚，適用范圍廣，幾乎可用于各種底泥類型的河道。

表5對干灘水利沖挖和絞吸式挖泥船清淤方式進行了詳細比選。

表5 清淤方式比選

本工程內連通港水面較小，水深較淺，不利于大型水下機械作業(yè)，綜合考慮，擬采用排水干灘+水力沖挖的清淤方式。

4.1.2 淤泥處理方法比選

4.1.2.1 處理原則

污泥的處理處置與其他固體廢棄物的處理處置一樣，都應遵循無害化、節(jié)能減排及資源利用的要求。

4.1.2.2 處理方法

淤泥處理的主要方法包括自然脫水干燥法、真空預壓脫水法、土工管袋法、機械脫水法、固結法等，各工藝方法的特點介紹見表6。

連通港地處市區(qū)，周邊建有工業(yè)廠區(qū)或小區(qū)，周圍環(huán)境對淤泥處理要求較高。綜合上述各淤泥處理方式的特點，結合國內外目前湖泊、河道清淤淤泥的脫水處理技術及連通港周邊用地的實際情況，擬選擇的底泥處理技術為“脫水固結一體化”工藝。該技術能夠快速對淤泥進行脫水處理，脫水效率高，占地面積小，自動化程度高，能夠在短時間內處理大量淤泥，同時對周圍環(huán)境影響小。

表6 淤泥處理方法比選

4.1.3 淤泥處置方式比選

目前常見的淤泥最終處置方法有填埋、焚燒、綜合利用等，具體處置方式優(yōu)缺點如表7所示。

表7 污泥處置方式對比

園林綠化、建筑填方用土是較好的資源化利用途徑，也符合當前的環(huán)保政策。但淤泥脫水固化后形成類似混凝土塊的硬質固體，且承載力一般不滿足相關要求，不宜用作園林綠化、建筑填方用土。針對脫水固化淤泥，填埋是較為合理安全的處置方式。通過對連通港周邊用地情況及土方需求情況調查，連通港周邊暫無合適的淤泥消納場地，暫定將脫水固化后淤泥外運填埋處置。

4.2 方案設計

從經(jīng)濟、技術角度考慮，結合現(xiàn)場實際調查情況與連通港的防洪排澇需求，確定本工程清淤范圍為下太子溪與連通港交匯處至南太子湖北路閘門處之間的渠段，清淤長度約1365 m，清淤寬度約45 m，清淤深度0～0.45 m，清淤量12871.65 m3(水下自然方)。

連通港采用修筑圍堰+排水干灘清淤方式，主要工藝流程為：水下自然方(目標清淤量)→圍堰修筑→堰內降水→自然晾曬→水上挖機疏挖→布料、拌合→悶料養(yǎng)護→干泥餅→外運棄土場填埋處置。

4.2.1 圍堰修筑

采用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，對兩次測試的成績采用（x-±s）描述，比較進行配對t檢驗，以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計意義。計算學生對課程的滿意百分比。

在下太子溪與連通港交匯處、南太子湖北路涵閘前各修筑一道圍堰。下太子溪來水經(jīng)四新泵站排出。

圍堰采用袋裝粘土填筑，迎、背水面坡比1∶1，填筑高度應高出水面50 cm以上。圍堰施工前先清除渠底上的雜物、塊石等，以減少滲漏。圍堰應從渠道兩岸向中心進行填筑。

4.2.2 堰內排水

利用潛水泵對圍堰內進行降水，圍堰內水體導排至清淤渠段上游，經(jīng)四新泵站排出。

4.2.3 渠底清雜

圍堰內水排干后，清理渠道底部的樹枝、垃圾、秸稈等雜物。

4.2.4 自然晾曬

4.2.5 堆瀝瀝水

根據(jù)設計的清淤范圍，合理劃分作業(yè)區(qū)，采用挖掘機等清淤設備(施工單位可根據(jù)自身施工條件選擇更優(yōu)的施工方式)，清除底泥至設計渠底高程，將需處理的淤泥清理至近岸帶，并堆成堆，便于瀝水和后續(xù)的固化處理。

4.2.6 布料拌合

(1)施工布料。施工布料一般以機械布料為主，在局部地區(qū)可以輔以人工布料相結合的方式，布料均勻性是淤泥改性效果的質量控制關鍵點。需嚴格按照施工配合比進行投料。

固化劑分袋裝與散裝兩種計量方式，袋裝為50±1 kg/袋，袋裝固化劑采用人工與機械配合投料，人工破袋，包裝袋需在投料后揀出；投料前，可采用5 m×5 m方格網(wǎng)計算淤泥方量，實際投料量與設計摻量應控制在±5 kg/m2范圍內為佳。散裝固化劑一般由40 t左右罐車運至現(xiàn)場，進散裝儲罐后投放或直接投放。散裝固化劑一次投料量大，投料前應根據(jù)散裝固化劑量計算所需的淤泥方量，設置淤泥拌合處理邊界，控制間距。避免界外淤泥的進入降低了固化劑的實際摻量。

(2)施工拌和。每施工單元可配備一套水陸兩用拌合機直接在淤泥上作業(yè)。將淤泥與土壤固化劑拌和2～3遍，拌和均勻即可，實際施工中通常是沿淤泥一側或周邊開始，逐步向內推進。

拌和作業(yè)采用挖掘機或其它攪拌機械拌和。挖掘機拌和至少需翻拌3～5遍，拌和過程中為保證拌和的均勻性，達到顏色一致，淤泥沒有漏拌的部位，也沒有固化劑過于集中的部位。拌和過程中，對大團粒的淤泥，進行壓碎處理，原則上顆粒粒徑應控制在6 cm以下。淤泥拌和與淤泥轉運可以交互進行，轉運過程中實現(xiàn)淤泥的拌合處理。

4.2.7 燜料固化

拌和后的淤泥，若含水率過大，應自然放置養(yǎng)護至含水率合適范圍，養(yǎng)護時間一般24～72 h不等，現(xiàn)場以手握成團，兩手輕捏即散為宜。

固化養(yǎng)護方法：拌合后的淤泥，根據(jù)場地條件，應盡量攤薄處理，養(yǎng)護區(qū)域應設有排水明渠，避免因降雨導致雨水匯聚浸泡改性后的淤泥，提高淤泥失水速度。根據(jù)不同淤泥性質，分別燜料12～72 h，燜料期間禁止擾動。

4.2.8 固化要求

原位固化施工需滿足如下要求：

(1)本工程所采用固化劑為粉體土壤固化劑(可選用石灰水泥類無機固化劑、礦渣類干粉土壤固化劑、高聚類離子土壤固化劑或市場上滿足本工程功能需求的其它類型固化劑)；藥劑摻加量(土壤固化劑)約5～10%(本摻加量為暫估量，具體用量需根據(jù)現(xiàn)場試驗后確認)。

(2)對重金屬、微生物、細菌等有害物質進行固結、消毒及鈍化。

(3)處理后的淤泥力學指標穩(wěn)定，遇水不泥化，設備占地面積少，處置淤泥為實時處理。

(4)參照《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)，處理后的固化底泥浸出液中重金屬含量小于規(guī)范限值。

(5)根據(jù)《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)及《惡臭污染物排放標準》(GB14554-1993)，處理后底泥臭度須達到二級標準，即臭氣濃度≤20。

(6)原位固化后的泥餅需滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質》(GB/T 23485-2009)相關要求。

(7)減量化原則：采用原位固化施工工藝底泥減量≥30%。

4.2.9 余水處理

初期排水及原位固化過程中產(chǎn)生的余水導排至清淤渠段上游，經(jīng)四新泵站排出。

4.3 干淤泥處置

連通港(下太子溪與連通港交匯處至南太子湖北路涵閘處之間渠段)清淤底泥原位固化后產(chǎn)生干泥約7757.13 m2，淤泥固化體外運至棄土場填埋處置。

5 主要工程量

對下太子溪與連通港交匯處至南太子湖北路涵閘之間的渠段進行清淤，清淤長度約1365 m。主要工程量及措施工程量見表8、9。

表8 清淤工程主要工程量

表9 主要措施工程量

6 可達性分析

目標削減量：前文設計目標已描述。

工程削減量：工程措施從水體中去除污染物的質量，t/a。

差值：差值=工程措施削減量-需要削減的污染量，用以評判水質是否可達，正值為可達，反之為不可達。

根據(jù)計算，本項目可達性較好，可進行下一步施工處理(表10)。

表10 連通港可達性分析