河道水環(huán)境污染物清理與淤泥資源化利用技術(shù)研究

摘要：為解決水環(huán)境污染物清理與淤泥處理難題，依托河道水環(huán)境生態(tài)治理工程，設(shè)計了智能水面垃圾打撈裝置，優(yōu)化了暗涵清淤技術(shù)，并研發(fā)了淤泥脫水固化與資源化利用技術(shù)。通過智能傳感、機械自動化等技術(shù)，實現(xiàn)了高效清理與精準(zhǔn)治理；采用多公共轉(zhuǎn)點側(cè)方交會導(dǎo)線測量方法，解決了暗涵測量難題；研制了基于雙納米材料的淤泥絮凝固化劑，探索了淤泥的多種資源化利用途徑。通過采用淤泥脫水固化與資源化利用技術(shù)，顯著提升了水環(huán)境質(zhì)量，降低了處理成本，減少了二次污染，為保護水環(huán)境提供了堅實的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境；污染物清理；淤泥；資源化利用

中圖分類號：TV851；X703 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-06

Study on the Technology of River Water Environmental Pollution Cleaning and Silt Resource Utilization

ZHONG Jie

（China Railway Construction Ecological Environment Co.， Ltd.， Chongqing 400700， China）

Abstract： To solve the problem of water environmental pollution cleaning and treating silt， an intelligent water surface garbage salvage device was designed based on the river water environment ecological governance project. The dredging technology of hidden culverts was optimized， and the technology for dewatering， solidification， and resource utilization of silt was developed. Through technologies such as intelligent sensing and mechanical automation， efficient cleaning and precise management have been achieved; the method of measuring hidden culverts using multi public turning point lateral intersection lines has solved the problem of measurement; developed a sludge flocculation and solidification agent based on dual nano materials and explored various resource utilization pathways for sludge. By adopting sludge dewatering solidification and resource utilization technology， the water environment quality has been significantly improved， treatment costs have been reduced， and secondary pollution has been minimized， providing a solid technical guarantee for protecting the water environment.

Keywords： water environment; pollution cleaning; silt; resource utilization

水環(huán)境污染與淤泥堆積問題一直是制約河道生態(tài)健康和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。如何有效清理水環(huán)境污染物并妥善處理淤泥，成為亟待解決的重要課題。對此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，并取得一些成果。吳文鑫[1]針對我國疏浚淤泥產(chǎn)量大且難以處理的問題，結(jié)合國內(nèi)外淤泥的研究現(xiàn)狀，對淤泥處理方式和活化技術(shù)進行總結(jié)和整理，指出淤泥資源化利用在實際應(yīng)用中存在的問題及未來需要繼續(xù)深入研究的方向。劉丹[2]在分析生物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討了基礎(chǔ)型、綜合型生物修復(fù)技術(shù)的種類及應(yīng)用。隨著針對如何有效清理水環(huán)境污染物并妥善處理淤泥課題的逐漸開展，河道水環(huán)境生態(tài)治理工程項目應(yīng)運而生[3-4]。該項目聚焦于水面垃圾打撈及暗涵清淤技術(shù)的探索，深入剖析淤泥特性，全力研發(fā)脫水固化與資源化利用技術(shù)，包括水面垃圾打撈裝置的高效作業(yè)、暗涵清淤技術(shù)的精準(zhǔn)實施、淤泥資源化利用的應(yīng)用成效，以及實施污染物清理與淤泥資源化利用技術(shù)后，對流域水環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)功能、景觀環(huán)境和公眾環(huán)保意識等方面帶來的積極改變，旨在為水環(huán)境治理領(lǐng)域提供有價值的參考，推動相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用。

1 水面垃圾打撈技術(shù)

受地形、社會條件、經(jīng)濟條件等因素制約，傳統(tǒng)的河道清理仍采用人工清漂、人工配合機械清底的方法，存在效率低、智能化程度低等問題。為實現(xiàn)水面垃圾的高效清理與精準(zhǔn)治理，進行了打撈裝置創(chuàng)新設(shè)計[5-6]。創(chuàng)新設(shè)計聚焦于提高垃圾識別精度、增強打撈適應(yīng)性、優(yōu)化收集與運輸流程等方面，綜合運用智能傳感、機械自動化等技術(shù)，打造契合不同水域垃圾特點的專業(yè)打撈裝置，提升水面垃圾治理效能。現(xiàn)有以下3種裝置。

第一，機械手臂收集裝置。該裝置由安裝板、回收倉、電機等部件構(gòu)成，通過第一電機轉(zhuǎn)動控制鋼絲繩下放夾持機構(gòu)，利用壓桿帶動卡爪夾持水底垃圾，電機反向轉(zhuǎn)動提起垃圾。螺旋槳提供動能并實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，回收倉收集水面浮萍等垃圾，適用于湖泊、池塘等中小型水域。

第二，吸力收集裝置。該裝置由收集箱、安裝桿、渦輪葉片等組成。將安裝桿插入河流兩側(cè)土壤，啟動渦輪電動機使收集箱頂部產(chǎn)生漩渦，吸引漂浮垃圾從進料口進入收集箱，河水從排水孔流走。還設(shè)有防護殼體、蝸輪等，可控制進料口擋板防止垃圾流出并調(diào)節(jié)進料口大小。

第三，柵格過濾網(wǎng)收集裝置。該裝置通過電機帶動絲桿使移動塊移動，支桿帶動橫板、壓板上下移動，濾板隨之移動。壓板向上時濾板過濾水流雜質(zhì)，壓板向下時使箱內(nèi)形成負壓，垃圾或雜質(zhì)被吸入箱內(nèi)，或順著水流經(jīng)壓板與箱體間隙進入濾網(wǎng)收集。

2 暗涵清淤技術(shù)及淤泥特性研究

2.1 暗涵清淤技術(shù)

第一，高壓水射流法。由高壓噴射車、儲水罐等組成，高壓水泵將水加壓送入射水噴頭，噴頭靠反作用力前行清洗管壁。噴頭行進一定距離后，卷揚機卷回軟管，噴頭繼續(xù)噴射，將淤積物沖到下游檢查井，再由吸泥車吸走。

第二，絞車清淤法。用竹片穿過排水管段，兩端系鋼絲繩與清通工具，通過2臺絞車絞動鋼絲繩帶動清通工具刮淤泥至下游檢查井。適用于各種管徑管道，淤積嚴(yán)重時效果好，但需要人工下井送竹片，有安全隱患。

第三，通溝機清淤法。利用液體或空氣壓力使清淤器成為噴射體穿過管道清淤，適用于金屬排污管道。氣動式通溝機通過壓縮空氣將清淤器從一個檢查井送至另一個檢查井，再用絞車來回拉動清淤器上的翼片進行清淤。軟軸通溝機由引擎或電機通過軟軸傳動力給清淤器清淤。

第四，攔蓄沖洗門。由德國研發(fā)，利用攔蓄門攔截水流，水位達預(yù)設(shè)高度瞬間打開形成席卷流沖洗下游管道，工作過程自動連續(xù)。目前，已應(yīng)用于北京地鐵宋家莊站，應(yīng)用范圍較小，清淤效果待考證。

2.2 淤泥特性研究

以靠近底部的淤泥作為試驗對象開展研究，測定其物理和力學(xué)參數(shù)。

第一，淤積深度及粒徑分布統(tǒng)計分析。對監(jiān)測點進行分組，統(tǒng)計各組的淤積深度分布區(qū)間和監(jiān)測點個數(shù)，計算其百分比。對箱涵內(nèi)淤泥顆粒粒徑分布、淤積深度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，繪制箱涵深度累計曲線圖，如圖1所示。

第二，含水率測定。采用恒溫烘干法測量各組的含水率，然后計算平均值。

第三，密度及孔隙率測定。用環(huán)刀法測定淤泥密度，然后計算孔隙率。

第四，抗剪強度測定。根據(jù)含水率、密度、孔隙率等參數(shù)，采用三軸剪切儀進行固結(jié)排水剪切試驗，得出淤泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 黑臭水體淤泥脫水固化與資源化利用技術(shù)

3.1 黑臭水體成因

水體中的有機物在氧化分解過程中會消耗大量溶解氧，導(dǎo)致水體缺氧，厭氧微生物活動會產(chǎn)生硫化氫、甲烷等惡臭物質(zhì)，使水體發(fā)黑發(fā)臭。黑臭水體形成因素眾多，與周邊環(huán)境、氣候、污染源均有關(guān)聯(lián)。

3.2 淤泥處理系統(tǒng)

3.2.1 淤泥的收集與輸送

第一，管道輸送。設(shè)計一種大型清淤裝置，通過淤泥輸送管道、沉淀箱、過濾箱、蓄水箱等實現(xiàn)水的循環(huán)利用，避免浪費水資源。第二，挖機收集。針對挖機鏟斗清理淤泥時存在的問題，設(shè)計一種大型清淤設(shè)備，利用高壓水槍頭、電動伸縮桿等裝置沖洗鏟斗內(nèi)壁淤泥，增大裝載量。

3.2.2 淤泥分選及處置

淤泥經(jīng)管道或運輸車送至岸上，利用沉沙池進行重力分選。先用平格柵去除浮渣和塊狀磚石，專人收撿后用封閉式垃圾車外運至指定垃圾處理廠。

3.2.3 泥沙分離及余沙淋洗

疏浚淤泥垃圾分選后經(jīng)兩級自然沉淀分離出0.1 mm以上顆粒的沙，通過鏈板機、鏈斗式洗沙機、斗輪式洗沙機清洗后輸送至沙堆場，清洗水采用余水處理系統(tǒng)處理后的清水，廢水排至沉淀池。

3.2.4 淤泥調(diào)理改性

第一，濃度調(diào)節(jié)。除渣后的淤泥在沉淀池濃縮，析出水分。第二，添加材料及混合。加入固化劑、絮凝劑、重金屬捕捉劑等復(fù)合材料，通過螺旋輸送機和淤泥攪拌機自身紊流完成調(diào)理調(diào)質(zhì)。第三，均化反應(yīng)。攪拌均勻的淤泥流入調(diào)理池，通過反吹、放氣實現(xiàn)對調(diào)理池泥漿的攪拌，加速有效成分釋放并充分反應(yīng)。

3.2.5 壓濾脫水

泥水分離系統(tǒng)由濾板、濾框、濾室、板框壓濾機等組成。調(diào)制調(diào)理后的淤泥經(jīng)管道輸送至泥水分離系統(tǒng)脫水，分離的尾水回用，泥餅含水率約50%，可臨時堆高、壓實，無二次污染，清運至納泥場。

3.3 黑臭水體淤泥的脫水固化技術(shù)研究

3.3.1 淤泥脫水固化技術(shù)

第一，自然晾曬干化技術(shù)。通過陽光、風(fēng)力使淤泥脫水，但需占地面積大，干化時間長，易產(chǎn)生惡臭、滋生蚊蠅，不適用于城市黑臭水體淤泥處理。

第二，預(yù)壓法。該方法包括真空預(yù)壓法（見圖2）和堆載預(yù)壓法，通過外加壓力加快淤泥內(nèi)部水分脫除。利用真空負壓和泥封層附加預(yù)壓荷載使淤泥脫水固結(jié)并抬高地面，堆載排水預(yù)壓法將土料等作為荷載使其固結(jié)。

第三，土工管袋。將疏浚淤泥輸送至土工布袋中，利用袋內(nèi)液體壓力和過濾空隙及添加藥劑促進泥和水分離，適用于透水性較好的淤泥。黑臭水體難脫水淤泥的處理需要添加藥劑調(diào)理。

第四，電滲透脫水。施加直流電壓使淤泥粒子和水分子向相反極性方向分離移動，排水效果不受顆粒粒徑影響，適用于黏土質(zhì)等不易快速脫水且易受降水影響干化效果的土類，但能耗較高。

第五，機械脫水。該技術(shù)可分為離心脫水和板框壓濾脫水。離心脫水利用離心力使淤泥顆粒和水分離，可將淤泥含水率降低至一定程度，但工程運行成本高。板框壓濾機通過濾板、濾框、濾布等組成的濾室過濾淤泥，分離尾水和泥餅。

第六，攪拌固化法。造價較低，固化效果較好，能將淤泥無害化、穩(wěn)定化且固化產(chǎn)物可資源化利用，但固化后需養(yǎng)護，養(yǎng)護周期長，對場地面積要求較高，在高密度建成區(qū)受限制。

3.3.2 振動脫水篩脫水過程數(shù)值分析方法

第一，計算流體力學(xué)法。通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，對流體力學(xué)問題進行模擬和分析。

第二，體積法。針對復(fù)雜的自由液面采用的計算方法，在自由表面流、分層流方面有實踐和應(yīng)用。

第三，離散單元法。重點分析顆粒之間的碰撞、相互作用及能量交換，然后對其進行數(shù)值模擬計算。

第四，計算流體力學(xué)法與離散單元法的結(jié)合。采用計算流體力學(xué)法與離散單元法研究振動脫水篩上的淤泥與水流的運動狀態(tài)。

3.3.3 基于雙納米材料的淤泥絮凝劑

絮凝劑包括無機絮凝劑（鋁鹽、鐵鹽系等）、有機絮凝劑（按分子鏈電荷類型和原料來源性質(zhì)分類）、微生物絮凝劑（微生物釋放的具有絮凝活性的次生代謝產(chǎn)物），各有優(yōu)缺點。以殼聚糖和羧甲基纖維素鈉為原料制備改性生物絮凝劑，復(fù)配陽離子聚丙烯酰胺、聚合硫酸鐵粉、聚合硫酸鋁粉等，添加納米氧化物、納米碳纖維、粉煤灰等，解決現(xiàn)有絮凝劑絮凝固化功能單一問題，對淤泥或廢水中有機物和無機物均有絮凝固化作用，提高絮凝效果。

3.4 淤泥的資源化利用技術(shù)及技術(shù)要求

3.4.1 淤泥資源化利用技術(shù)

第一，堆肥。底泥含大量有機質(zhì)和營養(yǎng)成分，可作肥料，但對底泥污染程度和植物類型有要求。研究表明，底泥施用量與作物生長、重金屬含量等有關(guān)，園林投放比農(nóng)田投放的可行性更高。

第二，工程就地利用。可用于低洼地區(qū)填埋、筑堤或堤防加固、低等級道路路基等綜合性工程，減少投資和成本。

第三，半成品銷售。經(jīng)簡單預(yù)處理后供給水泥廠、磚廠、陶瓷廠等，減少自身投資。

第四，制備建材。固廢制備建材技術(shù)成熟，但市場出口問題難解決，且建材行業(yè)產(chǎn)能過剩，大規(guī)模投資風(fēng)險高，國內(nèi)底泥用于制備建材或建材原料的工程化實施項目較少。

3.4.2 技術(shù)要求

第一，園林綠化。準(zhǔn)入條件和污染物限值參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括表面與嗅覺要求、理化指標(biāo)及生物學(xué)指標(biāo)。淤泥用于園林綠化用土的準(zhǔn)入條件如表1所示。

第二，農(nóng)業(yè)用肥。淤泥用于農(nóng)業(yè)用肥的準(zhǔn)入條件如表2所示。

第三，垃圾填埋場覆蓋土。參考相關(guān)規(guī)范，摻混自然土或礦化垃圾，混合均勻堆置后滿足承載力要求，符合含水率、有機質(zhì)、臭度、滲透系數(shù)、施用后蠅密度等技術(shù)條件。淤泥作為垃圾填埋場覆蓋土的技術(shù)條件如表3所示。

4 技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新

對河道水環(huán)境污染物清理與淤泥資源化利用所使用的技術(shù)進行應(yīng)用與創(chuàng)新分析。

4.1 暗涵清淤技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新

4.1.1 工程挑戰(zhàn)及應(yīng)對

第一，測量難題及應(yīng)對措施。暗涵內(nèi)可視距離短，嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。在地下測量工程中，目前多采用導(dǎo)線測量方法傳遞坐標(biāo)方位，導(dǎo)線測量精度不高，進而會影響進度、質(zhì)量，甚至造成經(jīng)濟損失。運用多公共轉(zhuǎn)點側(cè)方交會導(dǎo)線測量方法，解決曲線變截面大型箱涵暗涵因可視距離短、導(dǎo)線延伸路徑變化導(dǎo)致的測量精度不足問題，實現(xiàn)高精度測量。

第二，清淤環(huán)境惡劣及應(yīng)對措施。暗涵內(nèi)淤積物復(fù)雜，有毒有害氣體混雜，且作業(yè)空間密閉、有限。通過截流導(dǎo)流、通風(fēng)換氣、氣體檢測、人員防護等措施，保障清淤安全。

4.1.2 清淤工藝創(chuàng)新

第一，淤泥清除。根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)與運輸條件，確定不同長度箱涵的清淤人員進出方式與清淤物輸送途徑，考慮大尺寸箱涵車輛清淤掉頭空間需求。針對暗涵環(huán)境提前通風(fēng)并設(shè)置照明設(shè)施，采用鋼筋混凝土管涵清淤方法，封斷上游流水并引入下游。

第二，淤泥固化。鑒于淤泥特性，采用廢料拌制固化處理，結(jié)合分層分段控制策略，將淤泥拌制半干，便于挖掘運輸。

第三，淤泥挖掘與運送。挖掘方式多樣，包括攪拌挖出、人工挖掘、挖掘機挖掘等，根據(jù)實際情況選擇，確保清淤作業(yè)安全進行。

4.1.3 施工流程優(yōu)化與成效

暗涵清淤工序如圖3所示。根據(jù)暗涵內(nèi)外部情況靈活調(diào)整清淤方式，嚴(yán)格把控安全指標(biāo)，人員防護與救援配備完善，有效提高了清淤效率，保障了作業(yè)人員安全與暗涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，取得良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

4.2 淤泥固化工藝適配

穩(wěn)定脫水固化同位處理技術(shù)適用于用地寬松、周邊影響小的淤泥處置場，具有穩(wěn)定可靠、工程案例多的優(yōu)勢，但施工占地面積大，對周邊影響較大。全自動機械化減量分離固化處置法適用于用地緊張、周邊影響大的淤泥處置場，缺點是設(shè)備運行過程中可能故障，維護工作量較大。

4.3 清淤裝置革新

清淤裝置包含破碎腔、除石裝置、傳送室、離心分離室、第一混合室、第一過濾室、第二混合室及第二過濾室，能有效去除淤泥中的石塊，克服傳統(tǒng)清淤裝置存在的多機配合成本高、易造成二次污染、石塊分離效果差及過濾設(shè)備易堵塞等問題。

4.4 新型絮凝劑效能提升

采用基于納米碳纖維和納米氧化物的雙納米材料。該材料對無機物有吸附作用，對有機物有絮凝固化作用，吸附效果更好。粉煤灰含有大量的鋁硅金屬氧化物，可與重金屬離子產(chǎn)生化學(xué)鍵合作用，且粉煤灰為多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大，能更進一步提高絮凝效果。

4.5 振動脫水篩助力脫水

在壓濾機機械脫水過程中加入振動脫水篩裝置，兩個振動電機同步反向轉(zhuǎn)動，使振動脫水篩沿振動方向做反復(fù)直線運動。淤泥在篩面上爬升輸出，提高機械脫水效率，滿足城區(qū)黑臭水體淤泥脫水要求，克服普通機械脫水效率低的不足。

4.6 綠色環(huán)保設(shè)施應(yīng)用

針對工地板房屋面雨水收集再利用問題，設(shè)計板房雨水收集利用裝置，用于收集雨水、沖洗、養(yǎng)護、綠化灌溉等，符合環(huán)保節(jié)約理念，能夠節(jié)約水資源，改善工地水資源浪費現(xiàn)狀。

5 研究展望

未來，可以從以下兩方面開展深入研究。一方面，深化技術(shù)研發(fā)，進一步提高水面垃圾打撈裝置的智能化水平，增強其對復(fù)雜水域環(huán)境和新型垃圾的適應(yīng)能力。優(yōu)化暗涵清淤技術(shù)，降低成本，提高安全性和效率。完善淤泥脫水固化與資源化利用技術(shù)，提高產(chǎn)品性能和附加值。另一方面，加強技術(shù)在不同場景下的適應(yīng)性研究。為進一步擴大技術(shù)的應(yīng)用范圍，我國應(yīng)不斷完善產(chǎn)業(yè)體系，加強上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同合作，培育相關(guān)市場主體，推動產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展；健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，保障技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性和規(guī)范性。通過持續(xù)努力，不斷提升河道水環(huán)境治理水平。

6 結(jié)論

本研究依托河道水環(huán)境生態(tài)治理工程項目，深入探究水環(huán)境污染物清理與淤泥處理技術(shù)，取得以下研究成果。

在水面垃圾打撈技術(shù)方面，創(chuàng)新設(shè)計了基于機械手臂、柵格過濾網(wǎng)的收集裝置。這些裝置綜合運用了智能傳感、機械自動化等技術(shù)，能針對不同水域的垃圾特點進行高效清理與精準(zhǔn)治理，有效解決了水面垃圾來源廣泛、危害多的問題，顯著改善了水面環(huán)境，為水上運輸提供了有力保障。

在暗涵清淤技術(shù)方面，梳理了常用清淤方法并對淤泥特性進行深入研究。通過多公共轉(zhuǎn)點側(cè)方交會導(dǎo)線測量方法解決暗涵測量難題，采用一系列安全保障措施應(yīng)對惡劣的清淤環(huán)境。合理規(guī)劃施工流程，克服施工協(xié)調(diào)困難。優(yōu)化施工流程，不僅大幅提高了清淤效率，縮短了工期，還保障了作業(yè)人員安全與暗涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，取得良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

在淤泥脫水固化與資源化利用技術(shù)方面，分析了黑臭水體成因，構(gòu)建了淤泥處理系統(tǒng)。在脫水固化技術(shù)研究中，對比了多種常用技術(shù)，開展振動脫水篩脫水過程數(shù)值分析，研制基于雙納米材料的淤泥絮凝固化劑。再生使用技術(shù)研究涵蓋堆肥、工程就地利用、半成品銷售、分類利用、制備建材等途徑，并深入探究淤泥路基填筑技術(shù)及不同土地利用方法與技術(shù)要求。這些研究成果為淤泥的有效處理和資源再利用提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，在降低處理成本、提高資源利用率的同時，減少了對環(huán)境的二次污染，為相關(guān)工程建設(shè)提供了可行的材料選擇。

在技術(shù)應(yīng)用與成效方面，展示了各項技術(shù)的實際應(yīng)用價值。從清淤工程的精準(zhǔn)實施到淤泥資源化利用產(chǎn)品在工程建設(shè)中的應(yīng)用，都證明了本研究技術(shù)體系的有效性和可行性，在提升水環(huán)境質(zhì)量、改善景觀環(huán)境的同時，促進了資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強了公眾的環(huán)保意識。

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收稿日期：2024-12-17

作者簡介：鐘杰（1987—），男，重慶人，工程師。研究方向：市政工程及生態(tài)環(huán)境綜合整治。