引水河道沉积物的生态清理和处理方案探讨

杨志刚，张姣姣，张伟光，李万平

（1.天津水利电力机电研究所，天津301900；2.中国建筑第八工程局有限公司华北公司，天津300456）

1 概述

大中型输水系统包括水库、明渠、涵洞、隧道、渡槽等，主要长度是明渠，水面宽度40～50m，水底宽度约25m。我国著名的南水北调工程中的河北段自2014年12月通水至2017年12月间，短短3年，大风中的沙尘和漂浮物及下雨产生的泥土沙石等汇集到河道中沉积蓄集，初步测量水底沉积物的厚度已近0.5m。南水北调中线干线工程河北境内全长596km，河北段淤泥含量大约有7.5×106m3，严重影响水质和输水效率。沉积物在水流、温度等外部因素作用下会释放有害成分，对下游用户产生不利影响，甚至会危害人民的身体健康和生态环境。

南水北调中线工程已成为京津等地的主力水源。3年间，中线工程不间断通水，安全供水超过1000d，累计调入总干渠水量超过120亿m3，累计分水量超过110亿m3。由此可见北方城市，尤其北京、天津两大城市，对外来输水的依赖程度之高。

水是生命之源，是企业生产、人民生活所必需。输水系统是不可能中断的。输水系统沉积物的清理只能在系统正常运行下进行。一个安全环保的沉积物清理方案是整个输水系统所必需的。本文将提出一个环保、安全、经济、可行的方案以供探讨。

2 总体方案

大中型输水系统明渠的组成比最大，明渠宽度和深度尺寸较大，水流流速慢，针对这个特点提出以下明渠的沉积物系统解决方案。

总体工艺流程方案图见图1。

图1 总体工艺流程方案

整个系统主要包括沉积物收集单元、分拣单元、淤泥脱水单元、余水处理单元、支持平台单元、动力单元、围污栏、转运方案、沉积物处理方案等。

系统的组成图见图2。

3 单元功能

系统每个单元担负不同任务共同实现整个系统的功能。每个单元的功能简单介绍如下：

图2 系统组成图

（1）沉积物收集单元

沉积物收集单元包括高压冲洗泵、淤泥收集泵、淤泥缓存罐、收集头、滤网和切割设备、大臂及大臂摆动控制系统。

通过高压泵的冲洗，淤泥冲散后淤泥收集泵将泥水混合物料泵送到淤泥缓存罐。

输水系统河床一般都做硬化处理，清理沉积物时为了不对河床造成损伤，需专门设计吹吸式收集方式的收集头。收集头的冲洗喷嘴喷出高压冲洗泵的高压水冲散淤泥，收集头的吸口吸入泥水混合物。

滤网和切割设备安装在收集头的前端，收集大块固体，割断藻类和其他纤维性物体，同时切割头打碎淤泥，滤网过滤后淤泥进入收集头。将大块固体和藻类提升到水面进行收集。

大臂及大臂摆动控制系统完成收集头的左右摆动，形成扇形工作面，完成河底的沉积物收集。

（2）分拣单元

分拣单元采用滚筒式微滤机，淤泥通过缓存罐再泵送到微滤机进行筛分，直径＞2mm的沙石，藻类纤维类物质将被筛检出来，装箱或者装袋外运。滚筒式微滤机可以实现连续的分拣和过滤，保证连续作业。

淤泥水将泵入淤泥脱水缓存罐然后到淤泥脱水单元进行处理。

（3）淤泥脱水单元

淤泥脱水单元流程图见图3。

图3 淤泥脱水单元流程图

淤泥脱水单元主要设备包括叠螺式污泥脱水机，化学注入设备等，絮凝剂和混凝剂经过化学注入设备打入淤泥脱水缓存罐内，泥浆经过调理剂的改性和絮凝剂的凝聚作用，凝结成大的絮状物，送至叠螺式污泥脱水设备，脱水处理，淤泥脱水后做外输处理。分离水送到余水处理单元。

（4）余水处理单元

根据GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》规定，排放到GB3838《地表水环境质量标准》中的地表水Ⅱ类水体，需要达到一级标准的B类标准。为保证脱水的余水回排河道，对水体水质不造成影响，将余水经过一次沉淀，在经过纤维转盘过滤器做进一步过滤后回排，达到一级标准的A类标准。

纤维转盘过滤器由中心转鼓、转盘、反洗系统和配套控制电气系统等组成。转盘固定在中心转鼓周围，并与中心转鼓具有连通孔。原水（污水）由中心转鼓的一端开口流入转鼓内，并通过连通孔进入各转盘，转盘两侧装有过滤布，过滤布为不锈钢丝或聚酯丝编织而成，过滤孔径最小可达10μm，单位面积通量最高达到76L/（s·m2），可以耐受7.5bar反洗冲洗水压力，有效提高反洗效果。原水通过过滤布过滤后，清水流出过滤布，从过滤水出口排出系统外。随着过滤的进行，过滤布内侧的截留杂质不断增加，过滤压差随之增加，透过滤布的水量减小。当杂质堆积到一定程度，中心转鼓液位达到设定值，需要进行反洗，将过滤布内侧堆积的杂质反洗出。反洗水泵抽取透过过滤布的清水，喷洒到过滤布外侧，将过滤布内侧的截留杂质冲洗下来，冲洗后污水掉落在接液盘内，排出装置外。反洗时转盘旋转，反洗水从不同角度喷洒过滤布，直至转盘旋转1周，过滤布全部经过清洗，反洗停止，重新进入静止过滤过程，直至再次进行反洗。

淤泥脱水过程所使用的调理剂、絮凝剂等采用食品级产品，脱水过程产生的余水经过膜过滤等深度处理排回水体，确保水体水质不因清淤受到影响。

（5）支持平台单元

支持平台单元是整个系统的载体，沉积物收集单元、分拣单元、淤泥脱水单元、余水处理单元、动力单元、围污栏等全部安装在上面。

支持平台单元可以采用无动力的甲板驳船，自航甲板驳船，自走式可升降平台等。无动力甲板驳船需要拖轮配合。自航甲板驳船带动力可以航行。

由于河道底部已硬化，表面平坦，这是普通河道不具备的，采用专门设计的自走式可升降平台是个不错的选择。走行部采用橡胶履带式结构，对河床底部的损伤几乎可以忽略，定位方便，准确。因河道需要定期进行沉积物清理，这种方案是可行的。

支持平台单元需配备锚泊系统，带缆系统，照明指示系统，作业人员的办公休息室等相应设施。

（6）动力单元

动力单元可提供全系统作业和生活的电力供应。采用清洁能源的LNG发动机的发电机组提供全系统的用电。动力单元留有岸电外接的电源插头，在岸电方便的情况下使用岸电。动力单元的发电机组采用一用一备模式确保系统安全稳定。

（7）围污栏

在全系统的尾部，作业范围周围铺设漂浮围污栏，使得作业时泛起的污物得到有效控制。河底可能存在的藻类被采集头割断也会漂浮到水面，通过围污栏收集防止其扩散。

（8）转运方案

在河道宽度大的情况下，脱水污泥的转运需要通过拖船来完成。生活和作业物资也需要拖船来补给。若河道宽度小，可以从支持平台搭设走道平台进行物质补给。淤泥通过传送带直接上岸。

（9）沉积物处理方案

输水系统所产生的沉积物沙的量很大，其次是脱水淤泥量。

分离出的沙可以作为建筑材料。

因水体常年保持地表水Ⅱ类或更优的水质，所以脱水的淤泥基本上没有重金属和其他有害物质的污染，根据具体河段污泥性质，可以考虑用于园林种植、基础建设材料、建材原料甚至农用种植土等。

河道污泥焚烧发电处理也是一种方式，通过污泥的进一步干化处理然后进电厂锅炉焚烧，现在也被采用。

4 特殊部位的沉积物清理

（1）使用水下机器人

水下机器人在海洋工程中广泛使用，当然这种设备的价格昂贵，成本会很高。但其不但可以完成清扫也可以进行巡检。隧道和涵洞的沉积物可以被水下机器人清扫到敞开河面后进行收集。

（2）使用清扫器

根据涵洞断面设计专门的清扫设备，利用隧道水流的大速度产生的水动力将杂物清出洞外是安全、便捷和经济的方法，这种方式在大口径的管道项目中广泛使用。

5 健康环保

水关系到千万家，水质的保证是重中之重。在污泥处理的过程中采用的化学药剂必须采用食品级产品，设备的润滑脂和润滑油也应当采用食品机械所采用类型，设备涂装用的涂料采用无毒产品。

6 结束语

输水系统是不间断的，泥沙的沉淀不可避免。人工清理沉积物的风险系数很大，费用高昂，高效、安全、经济的清理设备的开发是必要的；随着人工成本的上升，采用新技术的设备能够健康、安全、经济和高效的解决沉积物清理的问题。