新立城水库取水口底泥清理与处理方案

杨敏军，李桂娟

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130021）

1 概 况

新立城水库作为长春市重要饮用水水源地之一，担负着向长春市第三净水厂与第六净水厂提供生产用水，同时也是农安区重要供水水源，对长春市供水起着不可替代的作用。

由于长期的外源输入和水生生物残渣的沉积，底泥富集了大量的污染物，如重金属、N、P等营养物和难以降解的有机物等，成为水体污染的重要次生污染源（内污染源），对人类健康和水体环境构成严重的威胁。根据底泥成分分析，新立城水库的库底底泥已经处于有机污染状态，且受到轻度重金属污染。2010年3次坝址处底泥监测结果显示，六价铬含量达标，镉含量基本达标，总磷、氨氮、铅、汞、砷含量超标，其中铅、汞、砷超标较为严重。新立城水库管理局先后两次对取水口附近库底底泥进行了局部清理，一定时期内改善了取水水质，但因清理范围有限、清理技术水平低等原因，没有从根本上解决水库内源污染问题。

2 土工管袋脱水固化技术

面对大规模湖库底泥干化处理的实施需求和传统排泥场处置底泥的困境，迫切需要寻求新的、可行的底泥处置技术和方法。目前土工管袋在国外污染底泥脱水工程中应用广泛，国内如滇池淤泥疏浚工程、武汉外沙湖污泥清除工程、中新天津生态城污水库治理工程中应用且效果良好，其脱水工艺经济、简便、高效，非常适于国内对江河、湖泊、水库的底泥处置工程。根据土工管袋脱水固化工程实例，40 d内底泥含水质量分数可由95%降至60%以下。

土工管袋脱水固化分为3个阶段，分别是充填、脱水、固结阶段。①充填：将淤泥或污泥充填到土工管袋中，为加速脱水必要时可投加絮凝剂促进固体颗粒固结。②脱水：清洁的水流从土工管袋中排出，其脱水原理主要是土工管袋材质所具有的过滤结构和袋内液体压力两个动力因素。经脱水后超过99%的固体颗粒被存留在土工管袋中，渗出水经监测合格后达标排放。③固结：存留在管袋中的固体颗粒填满后，可以把土工管袋及其填充物送至垃圾填埋场或者将固结物移走，并在适当的情况下进行利用。

3 底泥清理与脱水干化处理方案

3.1 环保清淤的要求

底泥清理既要考虑工程实施中技术上的可行性及经济上的合理性，又要满足环境保护的要求，在实施过程中不造成二次污染：在淤泥清理的过程中，既要防止扰动引起淤泥的扩散，并需要对脱水过程中产生的尾水进行监测，如水质不达标应进行处理后达标排放或利用。

3.2 底泥清理范围和厚度

取水口底泥清理范围不能太小，从长远看，随着水流运动，上游淤泥还将对取水口造成威胁，达不到有效治理的目的。依据《饮用水水源保护区划分技术规范》湖泊、水库饮用水水源保护区的划分办法，大型水库取水口半径500 m为一级保护区范围；又依据《生活饮用水集中式供水单位卫生规范》，地表水水源卫生防护必须遵守下列规定：取水点上游1000 m至下游100 m的水域不得排入工业废水和生活污水。由于造成水库内源污染的底泥中含有与生活污水、工业污水类似的污染物质，因此新立城水库饮用水源地污染防治项目，取水口底泥清理范围确定为取水口1000 m半径范围。

生态清淤厚度的确定是一非常复杂而目前尚未从机理上完全解决的问题，目前多采用评估法确定。淤泥表层沉积物的清除，考虑到沉积层微地形不均匀影响,参照国内外实施工程，淤泥清理深度以40～50 cm为宜。

3.3 底泥清理与处理方案

新立城水库是长春市主要供水水源，并担负着重要的防洪任务，且工程清淤范围大，因此不具备取水口采用围堰方式放空后机械清淤的条件。水下机械清淤方案，施工环节少，技术上可行，根据新立城水库生态清淤环保要求高、规模大、范围广、污染淤泥运送距离长等特点，选择水下机械清淤结合管道输送、陆地固化处理技术较为适宜。

3.3.1 清淤设备选择

环保绞吸式挖泥船是在传统清淤设备的基础上进行改造和升级的挖泥船，其与普通绞吸式挖泥船的主要区别是配置了环保绞刀头。特制的长锥形罩壳式环保绞刀头，四周设有纵向刀片及横向刀片，内部为泥浆腔体，外部加设防护罩壳，壳内壁设有若干固定刀片，绞刀头刀片转动时与之相切，可有效清除杂草。绞刀头绕铰接点可调节转动，以确保不同深度、不同坡面下绞刀始终保持水平状态，且外罩底边围裙始终和泥面贴合，既防止了因绞刀扰动使底泥颗粒向罩外水体扩散造成二次污染，也有助于提高挖掘浓度。

为了防止较大粒径沙砾吸入，确保环保绞吸式挖泥船正常运行，防护罩壳配有网孔大小为5 mm的过滤器将大颗粒杂物过滤掉；环保绞吸式挖泥船工作时配有水下探测探头，当探测到前方出现较大块石时能及时避让。

3.3.2 底泥脱水、重金属钝化稳定处理方法

从当前来看，底泥脱水应用最广泛的方法是传统的排泥场自然脱水，该方法处置湖库底泥，技术简单，占地较多，是国内底泥处理工程（包括太湖底泥处理）常用方式。但这种脱水方式的效率非常低下，很可能造成二次污染问题。

若采用机械脱水方法(如板框压滤)处理有机污染及重金属污染底泥，尽管脱水效果好，但存在设备一次性投资高、需消耗动力能源、建设车间厂房、处理能力不能满足湖库底泥现场治理工期短的要求等不足。

土工管袋应用于湖库底泥脱水减容，脱水效果好，含固率可低于50%；添加适当重金属螯合钝化剂ECO-DEMETAL后，污泥脱水完成后重金属浸出毒性检测结果远优于(GB16889—2008）《生活垃圾填埋场污染控制标准》的指标要求，重金属钝化效果也完全满足固体废物资源化处置的环保要求。新立城水库饮用水源地污染防治项目，取水口底泥处理选用该方案，处理成本相对较低，还具有节能减排的优点。

3.3.4 底泥干化后处置

根据2013年1月份对新立城水库底泥风干后进行的重金属成分分析，各种重金属含量均低于（GB15618-2008）《土壤环境质量标准》一级标准重金属元素标准限值，因此取水口底泥干化处理后，可满足农田、蔬菜地、果园、林地等土壤使用要求。根据新立城水库实际情况，确定脱水干化后的底泥作为绿化营养土使用。

3.3.5 底泥清理与处理流程

首先由环保绞吸船将取水口底泥吸上来，此时的底泥含水率大致为95%，泥浆通过管道（浮管、潜管、岸管）全封闭输送至底泥脱水干化处理场。底泥干化场内，先向底泥输送管道中投加絮凝剂与螯合剂，絮凝剂可加速底泥脱水，重金属螯合剂促进重金属离子钝化稳定，投加点位于土工管袋进泥口前端，由管式静态混合器充分混合，而后进入土工管袋进行脱水干化。底泥在土工管袋内经过填充、脱水、固化三个阶段40 d左右时间可实现含水率降至60%左右，滤出水通过硬质地面排水沟收集后排至水库下游水体，固化后的干泥由车辆运至林间空地作为绿化营养土。

4 底泥处理工艺设计

清理出的底泥需脱水干化与重金属钝化稳定处理，其中土工管袋充填、底泥干化场设计、药剂投加系统是其中的重要环节。

4.1 土工管袋的充填过程

土工管袋的充填过程需要清淤船、加药系统、土工管袋和排水系统形成有序的工作流程，整个充填过程大体分为4个步骤：管道连接、清淤调试、初次充填、后续补充填，初次充填和后续补充填是较为关键的过程。

初次充填时，与絮凝剂充分混合的底泥进入土工管袋后，固体颗粒绝大部分被截留，沥出水从管袋的缝隙中排除。随着进泥量的不断增加，土工管袋的高度不断提升，直至达到最大充填高度时停止充填，此时可开启另一条土工管袋的充填口阀门进行切换，初次充填时间约为5～8 h。

当土工管袋初次达到最大充填高度时，其表面沥水并未结束，在进水停止、沥水继续的条件下，管袋的高度不断下降，这时就可以开始第2次充填，依此类推，挖泥船可在不停止工作的情况下，使充填过程在每条土工管袋之间交替进行。

单个土工管袋的充填次数多为8～10次，在后续充填过程中，随着管袋内底泥含固率的增加，每次充填的时间不断减少，沥出水量亦是初期较大，后期不断减少。

4.2 底泥干化场设计

4.2.1 干化场位置选择

根据新立城水库取水口周边地形，结合底泥干化场场地必须平坦的技术要求，经比较底泥脱水干化场位置选定在水库大坝北侧，溢洪道东侧，此处地面高程在207.1 m至207.4 m之间。此处距现有道路有一定距离，需铺设长度约为0.5 km的施工临时道路。

4.2.2 土工管袋设计容积

土工管袋投加絮凝剂固化脱水处理水库底泥，底泥含水率降至60%需经过40 d左右时间。因此底泥处理一个周期需40 d时间，另据其他工程经验，土工管袋充填完成时已经约有六分之五水量从土工管袋中滤出，因此土工管袋实际所需容积应为40 d底泥量的六分之一。待底泥干化达到含水率要求后运出底泥干化场，下个周期清理出的底泥再进行干化处理，依次交替运行。

4.2.3 土工管袋堆放形式

土工管袋选用规格尺寸：长度32 m，周长30 m，最大充填高度为2.4 m，理论纳泥容积为700 m3，管袋固结高度为1.8～2.0 m。选用价格较低，能满足使用要求的聚丙烯材料土工管袋。

设计4条土工管袋为一组，单层结构连续摆放，每组土工管袋总纳泥容积为2800 m3。充填一组，准备一组。以此计算，每个周期共需7组土工管袋，设置为1列7行。每列长度128 m，宽度15 m；每行之间间隔4 m，用以设置排水沟、工人操作及干泥外运车辆通行。

4.2.4 场地排水设计

每行土工管袋间设置梯形断面浆砌片石排水沟，排水沟（i=0.01）终点设一座集水池，集水池内安装2台排水泵，用于将滤出水排至下游水体。

4.2.5 场地防渗漏设计

土工管袋的脱水干化场地必须平坦，杂物(如树根、坚硬带棱角的石块等)有可能损害土工管袋。另外，场地底部需设置防渗漏结构层，防渗结构自下至上依次为：300 mm厚粘土地基、600 g/m2长丝土工布、2 mmHDPE光面土工膜、600 g/m2长丝土工布、500 mm厚级配卵石滤层，级配卵石滤层内沿长度方向布置DN250的HDPE打孔花管，间距为5 m，坡向排水沟一侧。

4.3 药剂投加系统

为实现底泥在土工管袋内完成快速脱水，需在其进入管袋前投加絮凝剂并充分混合，絮凝剂选用阳离子聚丙烯酰胺（PAM）。

针对重金属污染湖库底泥脱水减容的问题，采用土工管袋脱水减容和重金属钝化稳定的处理方法，实现对汞等多种重金属污染底泥的高效治理。添加对重金属具有螯合稳定作用的药剂ECO-DEMETAL，据有关试验确定最佳添加量为11.93 kg/t污泥。

5 结 语

采用环保清淤与土工管袋联合使用的方法应用于湖库底泥清理，具有机械化程度高、二次污染小、脱水后底泥含水率低等技术特点。通过投加絮凝剂、重金属螯合剂，土工管袋能最大程度的截留底泥中的固体颗粒，脱水后底泥含水率可达到60%以下，同时也实现了重金属离子的稳定，对湖库库底泥污染治理取得了理想的效果。

［1］李永进.深圳水库泥沙淤积对水质的影响及其对策措施［J］.中国农村水利水利，2002，11.

［2］王松，魏新庆，王立彤.环保疏浚联合土工管袋用于湖库底泥的脱水减容［J］.中国给水排水，2011，4.

［3］张景辉，刘朝辉，西伟力.重金属污染底泥的土工管袋高效脱水减容研究［J］.中国给水排水，2011，11.

［4］冯利平，陈小杰.深圳市石岩水库环保清淤工程实施探讨［J］.人民珠江，2010，01.

［5］王铭阳，赵兰坡，赵兴敏.东北黑土区水库底泥有机无机复合体组成特性研究—以长春市新立场水库为例［J］.中国农学通报，2012，28.