太湖生态清淤设备选择及底泥处理技术比选

马农乐，严丽芳

（1.上海东南工程咨询有限责任公司，上海 200434；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 基本情况

太湖是太湖流域洪水和水资源调蓄中心，是我国第三大淡水湖，属典型的平原浅水湖泊。20世纪60～70 年代，太湖流域农民在农闲时入湖罱泥作为农田有机肥，当时每年人工罱湖泥量达到180～200万m3，对太湖水体自净起到了促进作用。80年代开始入湖罱湖泥逐渐减少，至90 年代基本不再罱湖泥，水质也日益变差[1]。自2000年开始，无锡市开展了太湖生态清淤的工程实践，先后陆续实施了梅梁湖区梅园水厂和小湾里水厂水源地生态清淤工程，五里湖生态清淤工程和梅梁湖生态清淤一期工程等工程。

2007 年5 月无锡供水危机以后，《太湖流域水环境综合治理总体方案》将太湖底泥生态清淤纳入生态修复项目，提出要对太湖实施清淤工程，清淤量约3000 万m3，先后开展竺山湖、梅梁湖、贡湖、东太湖、西沿岸区等湖湾的生态清淤工程，截至2017年已累计完成太湖生态清淤面积131.3 km2，清淤工程量约3900万m3。2014年太湖西部沿岸区开展了太湖新一轮清淤工程，生态清淤总量超过1770 万m3，涉及太湖西沿岸区、竺山湖、梅梁湖、东太湖。生态清淤是削减和控制底泥内源释放的工程手段，清除表层底泥中长期积累的营养盐，是减少湖泊内源污染、提高水环境质量、改善水生态的重要举措。

2 清淤设备选择

底泥疏浚主要目的是改善湖区的水生态环境，实施环保疏浚，防止疏浚和余水的二次污染，因此疏浚施工机械要根据疏浚目的、地质条件、施工条件、疏浚机械性能等各方面要求进行选择，满足清淤规模、施工精度、环保等要求，并尽可能消除底泥再悬浮和污染物释放风险，对周边水体扰动影响要小，防止泥水输送过程中二次污染。因此，清淤工程对疏浚施工设备的选择要求较高，在船型选择时应充分考虑土质、水深、排距、疏浚深度等因素，需具备有效清除受污染底泥的能力，同时疏浚时要尽量减小底泥扩散半径。疏浚设备有：抓斗式挖泥船、IMS 清淤设备、气动吸泥泵生态清淤船、环保绞吸式挖泥船等。

2.1 抓斗式挖泥船

抓斗式挖泥船（见图1）有自航和非自航两种。自航式挖泥船一般带泥舱，泥舱装满后自航至排泥区卸泥；非自航式则利用泥驳装泥和卸泥；挖泥时运用钢缆上的抓斗，依靠其重力作用，放入水中一定的深度，通过插入泥层和闭合抓斗来挖掘和抓取泥沙，然后通过操纵船上的起重机机械提升抓斗出水面，回旋到预定位置将泥沙卸入泥舱或泥驳中，如此反复进行。抓斗挖泥船一般用于航道、港池及水下基础工程的挖泥工作，适合于挖掘淤泥、砾石、卵石和粘性土等。

图1 抓斗式挖泥船

2.2 IMS清淤设备

全液压驱动挖泥船是专用于湖泊、池塘、水库、运河、河道、水渠、码头等清淤的环保型清淤设备。它具有效率高、体积小、便于移动、星轮自行系统、多功能等特点，成为国外广泛使用的小型挖泥船。该船型设备先进，适用性强，运输方便，特殊的护罩设计，可使泵出泥浆含固率达到20%～30%，但排距大于1 km时需设接力泵。该船型生产率较低，目前可用船型生产率为100 m3/h。

2.3 气动吸泥泵生态清淤船

气动吸泥泵生态清淤船是2015 年由国内研发的新型环保生态清淤船（见图2），具有清淤彻底、无二次扩散污染、精准施工、底栖生物依赖层保护完好、排泥浓度高的特点。目前气动吸泥泵生态清淤船在江苏、福建、天津等相关清淤工程上都有应用。

图2 气动吸泥泵生态清淤船

2.4 环保绞吸式挖泥船

环保绞吸式挖泥船（见图3）配备有环保绞刀头，可进行环保清淤，是国内已引进的常用设备。环保型绞吸式挖泥船在国内清淤工程中广泛采用，该船型应用效果良好。

2.5 设备选型

环保型绞吸式挖泥船船型较多，考虑太湖为浅水型湖泊，平均水深不足2.0 m，选用生产率可达350 m3/h的船型。该船型排泥浓度为15%～20%，使用效果良好。根据船型的吃水深度为0.8（空载）～1.25 m（满载），结合工程清淤条件和施工强度要求，推荐采用350 m3/h 环保型绞吸式挖泥船和1200 m3/h 的气动吸泥泵生态清淤船相结合的清淤方式，在条件允许的情况下，优先选择排泥浓度较高的气动吸泥泵生态清淤船。

图3 环保绞吸式挖泥船

3 淤泥处置

疏浚淤泥处置遵循无害化、资源化利用原则，可通过物理化学法和生物工艺来完成，对常用的板框压滤脱水法、自然干燥法、离心脱水法、淤泥化学固化法、增压式真空预压法及土工管袋脱水法等6种技术方案进行综合比选。

3.1 板框压滤脱水法

板框压滤脱水法主要原理是通过添加专用泥水分离剂，改变底泥的泥水结合模式，再利用专用的脱水机对淤泥进行高压和浓缩作用，促使淤泥中泥、水迅速分离，实现淤泥脱水干化，脱水处理后的土体含水率可控制在35%～60%。

板框压滤的主要特点如下：①淤泥采用板框式压滤机进行脱水干化，干化土含水量低，强度高，遇水不易软化；②干泥在后续堆放地点的选择上也更加灵活，用途更加广泛，可用于回填等基础填筑工程，有效实现淤泥的资源化利用；③工程临时占地面积小，针对不同的工程规模、临时用地限制等条件，均可灵活布置，节约工程用地；④板框压滤脱水是目前国内应用广泛、技术成熟的淤泥处置工艺。

3.2 自然干燥法

淤泥自然干燥有自然暴晒、人工翻晒、底面脱水、堑壕挖掘等方式。此类方法属于利用太阳光能、空气对流对淤泥进行自然脱水、干燥，或利用淤泥自重压密促使含水率下降的工法。优点是：施工工艺非常简单，直接处理成本最低，适合处理少量的、中低含水率的、无污染的原状淤泥。缺点是：淤泥在自然状态下脱水效率低，干燥周期长，施工需要长时间占用大量场地，且工期受天气条件影响很大。

3.3 离心脱水法

离心脱水法主要原理是通过添加生物氧化剂分解底泥中部分有机污染物，再通过分级分筛系统分筛出底泥中的沙粒、粉粒等，最后利用脱水设备在高速旋转下产生的离心作用使底泥中的泥水分离，实现淤泥脱水干化，脱水处理后的土体含水率可控制在45%～60%。

离心脱水法的主要特点如下：①分级分筛出砂粒，减量化程度大，分筛出来的砂可作为建筑用砂；②离心脱水过程不需添加碱性物质，以絮凝剂为主，对土壤无害，并可对有害物质进行固封和无害化处理，可作园林绿化用土，也可用于建筑填土；③干化土含水量较低，强度较高，遇水不易软化，可用于回填等基础填筑工程，有效实现淤泥的资源化利用；④压滤余水有机质降低明显，pH值呈中性，对环境无二次污染风险；⑤可连续生产，处理能力大，临时占地面积小，节约工程用地。

3.4 淤泥化学固化法

固化原理是在淤泥中添加固化剂材料，进行搅拌混合，制成淤泥固化土。固化剂的填加，引起固化剂和水发生水化反应，产生Ca（OH）2产物，这些产物与土颗粒发生离子交换作用，并附和在颗粒间形成固化物，并使淤泥中的自由水减少，强度增加。

固化处理须选择合适的淤泥含水量，以减少工程投资。淤泥在预处理后，检测其含水率及有机质及其它指标，根据相关指标及本工程设计要求，确定固化剂配比，然后做试样，再检测，符合设计要求后，可正式投入生产。

3.5 增压式真空预压法

增压式真空预压法主要是利用土体增压技术的原理，通过在土体内打设增压管，增加土体内部压力，加大土体内部与排水板间压力差，在增压气体的作用下，土体产生微裂隙，缩短排水路径，加快土体排水效率。

3.6 土工管袋脱水法

土工管袋本质上是一种高效的高强度过滤容器，固液混合物在其中发生沉淀、分离，通过重力作用将水排出土工管袋外，底泥存留在管袋内，脱水处理后的土体含水率可控制在50%～60%。土工管袋脱水系统包含脱水平台、管道、助剂投加设备组件及土工管袋单元4 大部分组成：脱水平台实现承载、防渗（保护地下水）、排水三大功能，排水通常通过排水沟来引导；管道主要功能为泥浆输送、助剂与泥浆反应的场所、反应效果监测；助剂投加设备组须实现助剂的溶解配置、助剂的定量泵送两大主要功能；土工管袋单元是整个土工管袋系统功能元件，利用不同的堆放方式达到不同的目标，高强度的土工管袋单元可以用堆叠的方式减少占地。

土工管袋脱水法的主要特点如下：①投资少，无需大型设备投入；②工期短，经过简单的场地平整与防渗膜铺设，即可开展淤泥脱水固化作业，对于工期紧、超大方量的淤泥固化尤其具有优势；③淤泥全程封闭在管袋和管路中，无淤泥暴露和泄露，有效减少淤泥臭味外泄；④大幅提升滤液水质，滤出液水质均能达到新提标的国标一级A 排放标准，大幅降低后续水处理成本和难度；⑤可通过减少重金属不稳定态的含量、降低重金属的活性使淤泥达到无害化；⑥不添加固化剂和无机药剂，不造成干污泥的增量，且干泥可以就地农用或用作绿化用土。

4 淤泥固结技术工艺比选

对6 种淤泥处置方法进行比较，疏浚淤泥固结方案比较见表1和表2。根据不同工艺技术指标比较情况，板框压滤脱水及离心脱水两种机械固化脱水工艺在处理后底泥含水率、处理周期、减量化、无害化方面差异不大，固结后底泥均可用于填方材料、建筑材料等。板框压滤由于泥饼固结过程中需要加入较多调质剂，泥饼不适于复耕，各生产环节连续性较差，能耗、运行费用及投资相对较高。

离心脱水可经生物氧化降低底泥有机质含量，使底泥脱臭，并可对含沙的淤泥可通过分级分筛生产出沙用作建筑用沙，提高资源化利用率，各生产环节连续性好，但施工人员投入较多，能耗、运行费用及投资相对较高。

采用化学固化方式处理的淤泥，由于其化学性质发生改变，不宜进行复耕，适合用于填方材料、建筑材料方面，利用方向受到限制，土方的利用必须与用土需求相结合，才能达到综合效益的最大化。同时，化学搅拌固化各生产环节连续性差，施工人员投入较多，能耗、运行费用及投资相对较高。

真空预压方案的真空系统采用水气分离的造压系统往复式真空泵，每台泵所能控制的面积较大，使处理费用降低，节省了投资。同时，真空预压方案采用“管代砂”思路，无论从经济角度还是保护生态环境都具有重大意义。

土工管袋脱水法脱水工艺相对环保，淤泥全程封闭在管袋和管路中，无淤泥暴露和泄露，不添加固化剂和无机药剂，干泥可以就地利用（农用或用作绿化用土），固化周期短，日处理量大，无需建厂，无需大型设备，对于工期紧、超大方量的淤泥固化尤其具有优势，各生产环节连续性好，无固化土中间转运环节，施工人员投入较少，能耗、运行费用及投资相对较低。

表1 不同脱水固结工艺技术指标分析

表2 不同固结工艺技术优劣势对比

5 淤泥处置方式

淤泥固结工艺根据排泥规划、周边场地条件、施工周期等因素，结合工艺优缺点进行确定。太湖流域城镇化程度较高、用地紧张，经综合比选，从工艺的优劣势来看，较适用的淤泥固结方式主要有增压式真空预压法和土工管袋脱水法，从投资角度看，增压式真空预压法较优，但从节省工期看，土工管袋脱水法更具优势。

推荐采用土工管袋脱水法为主，具备条件的排泥场辅以增压式真空预压法的固结方案。

6 结语

太湖流域土地资源紧缺，大量清淤导致淤泥堆放困难，因此确定合适的设备和广泛应用的技术处理淤泥，成为太湖实施清淤疏浚的关键环节。经过设备选型和淤泥处置技术比选，对底泥脱水能够减量化、稳定化、无害化和资源化，以便于后期的进一步利用。践行新时代治水新思路，受污染水体治理的重点和根本是加强外源治理和控制，实施全流域的系统治理，才能有效降低入湖污染物，进而抑制蓝藻水华与湖泛的发生。