某湖泊底泥污染特性分布及治理處置應(yīng)用研究

毛超杰

（東莞市水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

污泥是在對污水處理過程中產(chǎn)生的固體沉淀物。不同污泥的物理化學(xué)性質(zhì)差別較大，為了減少對環(huán)境的影響必須進(jìn)行分類處置。根據(jù)污泥產(chǎn)生的來源不同將其分為：市政污泥、管網(wǎng)污泥、工業(yè)污泥、河湖底污泥。河湖底污泥主要是江河、湖泊在沉積及疏通過程中產(chǎn)生的[1]。

隨著國家城鎮(zhèn)化水平的提高，污水處理的水平以及設(shè)施都得到了長足的進(jìn)步，污泥處理年產(chǎn)量逐漸增高。我國的生活生產(chǎn)范圍大多集中于水系發(fā)達(dá)的地方，河湖污泥在底部沉積，嚴(yán)重影響了河湖的生態(tài)系統(tǒng)。前期研究發(fā)現(xiàn)湖泊底泥的數(shù)量巨大且成分復(fù)雜，其本質(zhì)是水體與污水中的其他污染物混合的富集體，必須采取合適且快捷的方法進(jìn)行處置，達(dá)到節(jié)能減排的目的[2]。

目前對于河湖底泥的來源、物化性質(zhì)和處置措施并沒有廣泛的研究，不成體系。河湖底泥與其余類型的污泥處置有著相似但又有這不同之處，本文以某湖泊為例，對其湖泊底泥進(jìn)行成分、來源、處置工藝分析，為河湖底泥的處理提供了借鑒。

1 湖底污泥物化特性分析

1.1 水質(zhì)采樣分析結(jié)果

本文所選取的研究湖泊其湖水來源主要是上游河流以及高潮水位時(shí)候從相鄰海域涌入的海水，實(shí)現(xiàn)湖泊水體的交換[3]。本次在湖泊周邊設(shè)置8 個(gè)采樣點(diǎn)，檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 水樣檢測結(jié)果

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，該湖泊水域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為地表水Ⅳ類水，根據(jù)檢測報(bào)告，東湖的pH 值范圍為7.7～8.1，溶解氧質(zhì)量濃度范圍為5.50～7.80 mg/L，化學(xué)需氧量（COD）的范圍為2.34～4.74 mg/L，生化需氧量（BOD5）的范圍為2.92～5.82 mg/L；總磷質(zhì)量濃度（湖、庫）的范圍為0.07～0.40 mg/L，平均值0.16 mg/L。其中S1、S2、S4、S5、S6、S7、S8 站點(diǎn)的總磷質(zhì)量濃度超出地表水Ⅳ類水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值總磷（湖、庫）≤0.1；總氮質(zhì)量濃度（湖、庫）的范圍為1.31～4.09 mg/L；平均值為1.93 mg/L，其中S1、S2、S5、S6、S7 站點(diǎn)的總氮質(zhì)量濃度超出地表水Ⅳ類水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值總氮（湖、庫）≤1.5。

1.2 底泥采樣及物化性質(zhì)分析

根據(jù)《海洋傾倒物質(zhì)評價(jià)規(guī)范疏浚物》所要求的采樣數(shù)目，在湖泊設(shè)置24 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行分析，底泥成分檢測項(xiàng)目包括重金屬分析（銅、鋅、鉛、鎘、鉻、汞、砷、石油類）、總磷分析、總氮分析、含水率分析、有機(jī)質(zhì)分析、顆粒分布。

對其樣品進(jìn)行分析，底泥含水率在30%～70%之間，表層（0～1.0 m）含水率的平均值為60%。含水率各點(diǎn)位底泥中含水率在豎直方向上變化較明顯，隨深度增加，含水率逐漸降低，且表層底泥的含水率變化范圍最大。底泥總氮含量在0.50～7.28 mg/g 之間，平均值為1.53 mg/g；從垂直方向上看，隨著深度的增加，總氮逐漸降低。各點(diǎn)位底泥中總氮差異不大。底泥總磷含量在0.3～2.0 mg/g 之間，平均值為0.54 mg/g；從垂直方向上看，隨著深度的增加，總磷逐漸降低。各點(diǎn)位底泥中總磷差異不大。底泥有機(jī)質(zhì)含量在0.92%～8.60%之間，平均值為2.96%；從垂直方向上看，除個(gè)別點(diǎn)位外，有機(jī)質(zhì)隨深度變化的規(guī)律一般呈現(xiàn)為中間層有機(jī)質(zhì)含量低，表層和底層有機(jī)質(zhì)含量高。隨著水流的方向，有機(jī)質(zhì)的含量逐漸增大。底泥中銅的含量在14.0～86.3 mg/kg，平均值為39.87 mg/kg；底泥中鋅的含量在81.5～233 mg/kg，平均值為128.70 mg/kg；底泥中鉛的含量36～86.3 mg/kg之間，平均值為40.92 mg/kg；底泥中鎘的含量在0.06～0.53 mg/kg 之間，平均值為0.21 mg/kg；底泥中鉻的含量在36～130 mg/kg 之間，平均值為65.97 mg/kg；底泥中汞的含量在0.03～0.145 mg/kg 之間，平均值為0.122 mg/kg；底泥中砷的含量在6.3～19.4 mg/kg 之間，平均值為12.25 mg/kg；底泥中石油類的含量在7.8～3 170 mg/kg 之間，平均值為1 174 mg/kg。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，底泥顆粒分布為：底泥粉砂含量22.4%～67.2%，平均含量52.8%；底泥粘土含量8.36%～29.7%，平均含量19.3%；底泥砂含量6.79%～49.5%，平均含量26.7%。

底泥檢測結(jié)果顯示：重金屬含量個(gè)別點(diǎn)位的銅超過下限外（不超過上限），其余點(diǎn)位的檢測物的含量都低于下限值；有機(jī)碳含量大部分高于下限值但低于上限，少部分低于下限值，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；而在表層淤泥，油類的含量大部分超過上限，油類污染嚴(yán)重。

2 污染底泥處理工藝

淤泥處理技術(shù)主要分為原位處理和異位處理兩大類，根據(jù)湖泊地理位置特點(diǎn)，該湖泊主要位于城區(qū)，交通繁忙，用地緊張，是重要的防洪通道，因此不宜采用原位處理的方案。本工程主要采用異位處理方案。異位處理處理主要分為固化法、機(jī)械脫水法、物理脫水固結(jié)法、晾曬場晾曬法；經(jīng)過對比后最終選擇機(jī)械脫水法[4]。

2.1 固化法

淤泥固化法采用在淤泥中加入固化材料，對淤泥進(jìn)行固化、改性，形成有一定工程力學(xué)強(qiáng)度、可供利用的淤泥改性土，大幅度減少有害物質(zhì)交換。根據(jù)淤泥固化時(shí)是否采取了脫水處理措施，固化法可分為直接攪拌固結(jié)和脫水固結(jié)一體化處理兩大類，其差異的核心在于是否對淤泥中的水分進(jìn)行了“減量化”處理。

2.1.1 直接攪拌固結(jié)法

淤泥攪拌固結(jié)處理是直接在開挖淤泥或經(jīng)過自然沉淀的疏浚泥漿中加入固結(jié)劑，對淤泥進(jìn)行攪拌、改性，并將處理后的高含水淤泥進(jìn)行堆放、存儲(chǔ)的方法。淤泥直接攪拌固結(jié)處理法沒有對淤泥進(jìn)行脫水減量，而是直接對淤泥采用了添加固化劑攪拌的處理方式，它比較適合于處理含水率較低的排水干挖淤泥。

本方法價(jià)格低廉、效果優(yōu)良，且能實(shí)現(xiàn)廢物再利用，目前已成為河道底泥處理較有競爭力的技術(shù)方案之一。但是需要時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，耗時(shí)較長，且占地面積較大[5]。

2.1.2 脫水固結(jié)一體化

脫水固結(jié)一體化處理系統(tǒng)是根據(jù)城市河道、湖泊污泥中有機(jī)質(zhì)及泥漿的特性，向其中加入固結(jié)劑進(jìn)行處理，專門設(shè)計(jì)和制造的即時(shí)泥水分離處理系統(tǒng)。

對其中有害物質(zhì)進(jìn)行固結(jié)、沉淀，最終實(shí)現(xiàn)淤泥“減量化、無害化、穩(wěn)定化”處理的目標(biāo)。此方法能徹底處理淤泥中有害物質(zhì)，所需施工地較小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

投加固化劑處理工藝的原理主要是固化材料自身的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)減少了淤泥中自由水的含量，同時(shí)水化反應(yīng)的產(chǎn)物能夠提高產(chǎn)物整體強(qiáng)度，同事由于質(zhì)地致密可以阻止離子交換等反應(yīng)，降低重金屬離子的活性，有效阻隔了污染疏浚泥對環(huán)境的影響。

2.2 機(jī)械脫水法

機(jī)械濃縮脫水一體化處理工藝是將疏浚泥漿經(jīng)管道輸送至底泥處理系統(tǒng)，泥漿經(jīng)格柵機(jī)攔污、粗顆粒自行沉淀后，在“濃縮脫水一體化”處理系統(tǒng)中進(jìn)行泥水即時(shí)分離。該工藝是能夠處理強(qiáng)力污染、占地面積小，在某些湖泊地區(qū)中對疏浚泥漿的處理中具有廣泛的應(yīng)用。目前，離心脫水和壓濾脫水是濃縮脫水的兩種主要方式。

2.2.1 離心脫水

離心脫水的原理是利用其密度不同，在高速旋轉(zhuǎn)下，底泥由于重力較大，由于離心力的作用會(huì)吸附在內(nèi)壁上，而水的密度比較小，則會(huì)與底泥分離。

這種方式可以降低底泥中的含水率，并使疏浚泥漿顆粒中的大部分固態(tài)化為泥餅。

2.2.2 壓濾脫水

利用壓力作用對污泥施加壓力，迫使水分通過介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污泥與水分的分離。常用的壓濾方法帶式壓濾、鼓式壓濾和板框壓濾等，目前帶式壓濾機(jī)和板框壓濾機(jī)被廣泛應(yīng)用。

1）帶式濃縮脫水機(jī)。利用濾布施加壓力進(jìn)行脫水，可以保證脫水率達(dá)到80%。主要分為三個(gè)步驟：重力脫水、壓力脫水及加壓脫水。重力脫水區(qū)能夠?qū)⑽勰嗯c高分子混合后的產(chǎn)物，細(xì)小懸浮顆粒能夠通過高分子的絮凝作用而凝聚，然后在重力的作用下進(jìn)入后續(xù)流程。壓力脫水區(qū)則是在上下濾布的加壓作用下污泥開始脫水。加壓脫水區(qū)，則是為了達(dá)到更好的效果，利用直徑不同的滾輪進(jìn)行加壓，對污泥中毛細(xì)管中的結(jié)合水進(jìn)行處理，從而得到較干燥的污泥餅。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行，且自動(dòng)控制，成本低廉，效率高，方便管理，未添加額外的化學(xué)試劑[6]。

2）板框壓濾機(jī)。交替排列的濾板和濾框是其主要結(jié)構(gòu)。懸浮液、洗滌水等液體可以有組裝后的濾框和濾板形成的完整的通道通過。通過壓緊裝置壓緊板、框并添加濾布保障氣體密封性。懸浮液進(jìn)入濾室后通過濾布過濾形成濾渣。濾液則通過邊角通道集中排出。過濾完畢后利用清水進(jìn)行清過濾完畢，可通入清水洗滌濾渣。然后清楚濾渣，更換濾布，組裝設(shè)備，開始下一工作循環(huán)。

機(jī)械脫水施工工藝主要由除渣系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)理系統(tǒng)和分離系統(tǒng)組成。

2.3 物理脫水固結(jié)法

2.3.1 土工管袋脫水法

土工管袋脫水法是基于自然脫水的方法，簡單便捷、易于實(shí)現(xiàn)。土工管袋技術(shù)脫水耗能小，無需設(shè)備維護(hù)，可以循環(huán)利用，節(jié)約占地面積。缺點(diǎn)是需要大面積的場地進(jìn)行脫水施工作業(yè)，且對粘性土脫水處理效果不理想[7]。

土工管袋脫水法的步驟如下：首先將絮凝劑于底泥進(jìn)行混合，加快固體顆粒固結(jié)；然后利用土工管袋的壓差，添加脫水劑加快脫水速率；最終將固體顆粒填滿后將土工管袋及其填充物移走。

2.3.2 真空預(yù)壓干化法

真空預(yù)壓固化法是基于真空預(yù)壓法的思想。真空脫水干化處理工藝主要由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成。排水系統(tǒng)主要包括豎向排水體和水平排水體，豎向排水體常用塑料排水板、袋裝砂井等；水平排水體常用砂墊層、土工合成材料（如濾管、塑料排水板等）。排水系統(tǒng)能夠改善排水邊界條件，傳遞壓力，加快水的排出速度，土體固結(jié)，完成預(yù)定的軟土固化效果，滿足工程建設(shè)需要。

加壓系統(tǒng)主要是指抽真空裝置，該方法適用于處理土質(zhì)主要為軟弱土、黏性土，一般加固脫水深度可達(dá)為15～20 m，占用場地為5～6.7 萬m2。

2.4 自然干化處理工藝

自然干化處理工藝即將泥漿通過疏浚設(shè)備輸送至底泥堆場，在自然狀態(tài)下泥水分離。自然干化主要通過日照蒸發(fā)、風(fēng)干等途徑完成，干化期周期較長，取決于氣候條件，碰到降水時(shí)間會(huì)更長，而且大風(fēng)會(huì)吹散細(xì)微顆粒，造成粉塵污染，資源浪費(fèi)，存在一定的安全隱患[8]。

3 污染底泥處理工藝方案比選

因該湖泊所設(shè)計(jì)淤泥干化場位于大門山西南側(cè)，面積約18 萬m2，較為充裕，同時(shí)考慮淤泥干化后作為綠化用土、回填用土，泥餅含水率要求小于40%，故本次采用板框壓濾機(jī)脫水符合要求。因此，通過對常見淤泥脫水設(shè)備進(jìn)行比選，擬選擇板框壓濾機(jī)作為的淤泥固化設(shè)備。板框壓濾機(jī)脫水的特點(diǎn)為效率高、工期短，采用高壓板框壓榨技術(shù)，其處理效率是傳統(tǒng)方法的2～3 倍，對節(jié)約工期有利。場地占用少，有利于節(jié)約場地。標(biāo)準(zhǔn)化施工，脫水后的泥餅便于收集、管理。處理效果好，高壓板框壓榨機(jī)處理后的泥餅含水率能降到50%以下，處理后泥餅的強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)運(yùn)輸工作量也大大減小。具體見表2。

表2 污泥脫水工藝比選表

4 結(jié)語

近年來環(huán)保以及排放標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，對湖底污泥的處理也越來越受到廣泛的重視。在當(dāng)前節(jié)能減排、資源緊缺的大背景下，必須要對污泥以“資源化”為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)能源的最大化回收。基于湖底污泥組成和物理化學(xué)特點(diǎn)，對其綜合處理利用技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究和推廣，使用板框壓濾脫水工藝能夠使處理過程有依據(jù)、有方法、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。