天福庙水库清淤底泥及余水一体化处理系统①

2022-07-27刘祥兵饶泽轩李露露陈益人

建材技术与应用 2022年4期

□□ 刘祥兵，王毅，饶泽轩，郑好，李露露，陈益人

(1.宜昌市黄柏河流域管理局，湖北宜昌 443002；2.三川德青科技有限公司，湖北武汉 430075)

引言

底泥是水体中重金属、营养盐及有机物等污染物重要的“源”与“汇”[1]，在某些适宜的环境条件下这些底泥中的污染物可通过沉积物-水界面大量向上覆水体释放，造成水体的二次污染甚至安全隐患。随着水体治理技术的不断发展，在外源污染被有效截断后，控制水体底泥内源污染的释放已成为水体治理的关键。截至2019年，我国已建设各类水库9.8万多座[2]，但因其在避免泥砂入库及排砂方面存在设计缺陷，这些水库普遍存在泥砂淤积现象[3]。水库淤积大量的泥砂不但会大幅削减其有效库容并缩短使用寿命，还会降低其灌溉、防洪、供水、发电等重要社会功能[4]，而淤积物中污染物的释放不仅会造成水体的二次污染，更会使一些水源地水库存在很大的安全风险。因此，对水库内源污染底泥进行清除是一项十分关键且必要的工作，而清淤疏浚则属于最直接、最主要的清除内源污染的手段[5]。由于水库清淤底泥含水率较高、流动性较强，不但难以直接利用，还容易污染环境，直接填埋则占地很大，还会污染地表水、地下水及土壤，遇到暴雨等环境还会导致泥石流及山体滑坡，因此，必须对水库清淤底泥脱水减量、固化，并对施工过程的余水完成达标处理排放。现以天福庙水库为例，拟通过底泥及余水一体化处理系统的设计对库区淤积底泥进行清除，并完成底泥的脱水固化和余水的达标处理。

1 项目概况

天福庙库区水体水质存在总磷超标情况，其水体长期处于轻度～重度富营养化状态，且局部区域时有水华发生。根据2018年上半年的水质监测结果，天福庙库区水体总磷的污染程度仍比较严重，其富营养化程度也较高，库区水质已无法满足饮用水源地的水功能区划要求。相关调查研究表明[6-7]，天福庙水库底泥磷向上覆水的释放对该库区水质已产生无法忽视的影响。因此，天福庙水库清淤项目拟在控源截污的基础上，通过环保清淤的方式去除污染底泥，清淤分二期实施，本文主要讨论一期项目，其清淤总量约18.86万m3(其中包括干挖方量0.50万m3、深水清淤方量18.36万m3)，清淤面积约为0.97 km2，清淤厚度为0.1～1.5 m，余水深度处理量约为77.45万m3。

根据天福庙水库清淤项目的验收要求，按图1所示工艺流程对清淤底泥及余水进行处理，即通过气动吸泥泵环保清淤的泥浆在管道输送(远程接力)后，先经预处理筛分系统去除粒径≥3 mm的石块等杂物(可用于资源化利用或填埋)，然后经旋流筛分系统去除粒径≥75 μm的细砂等固体颗粒物(可用于资源化利用或填埋)，再进入五级浓密机并加入絮凝剂实现初步泥水分离，其上清液和沉降淤泥分别进入泥浆池的上清液和底泥(通过微型调节池)中，之后泥浆池中的沉淀淤泥进入待压罐并添加助滤剂，最后再通过板框压滤机脱水固化，使得泥饼含水率≤45%，泥饼可用于资源化利用或外运。同时，泥浆池中的上清液通过两级调节池稳定水质和水量并初步除磷和降低悬浮物，再经平流气浮池进一步快速除磷和去除悬浮物，然后通过砂滤罐进一步去除悬浮物和有机物，之后经1号中间水池缓冲后再由曝气生物滤池去除氨氮并截留悬浮物，最后经2号中间水池缓冲沉淀达标后排放至原水库。具体要求为悬浮物(SS)≤30 mg·L-1，而氨氮(NH4-N)、总磷(TP)、pH满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，即NH4-N≤1.0 mg·L-1、TP≤0.2 mg·L-1、pH=6～9。

图1 工艺流程

前期按照HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》于泥浆池多次采集的水样进行测定，天福庙水库清淤工程泥浆池上清液SS、NH4-N、TP及pH的平均值依次为：332 mg·L-1、4.55 mg·L-1、0.09 mg·L-1、7.45。

2 主要构筑物及设计参数

气动吸泥泵：1套，生产能力为180 m3·h-1，最大作业深度可达水下60 m。

预处理筛分系统：1套，生产能力为600 m3·h-1，可将粒径≥3 mm的石块等杂物从筛上分出，分出后的杂物资源化利用或填埋，而小粒径浆液通过筛下料斗进入下一工序。

旋流筛分系统：1套，生产能力为250 m3·h-1，可分离出粒径≥75 μm的细砂等固体颗粒物，用于资源化利用或填埋。

五级浓密机：1套，生产能力为200 m3·h-1，实现初步泥水分离，大幅度提升后续工序的泥浆浓度。

泥浆池：1座，钢筋混凝土结构，内设微型调节池及两道隔断，总面积为1 000 m2，池深为3 m，总容积为3 000 m3，用于储存清淤泥浆，并进一步泥水分离。

待压罐：3个，钢制防腐结构，单个容积为50 m3，实现泥浆与药剂的进一步混合、均化，改善泥性。

板框压滤机：过滤面积为800 m2(生产能力为12 m3·h-1)1台，过滤面积为600 m2(生产能力为9 m3·h-1)2台，再次泥水分离，完成淤泥固化，含水率降低至≤45%。

调节池：2座，钢制防腐结构，尺寸为15.0 m×3.0 m×3.0 m，两级调节，用于调节水质、水量，并投加PAM、PAC等混凝剂初步除磷和降低悬浮物。

平流气浮池：1座，钢制防腐结构，尺寸为11.0 m×3.0 m×2.8 m，进一步快速除磷和去除悬浮物，气浮形成的浮渣通过刮渣机收集后返回泥浆池，沉淀下来的污泥回排至泥浆池。

砂滤罐：2套，钢制防腐结构，内净尺寸为Φ1.6 m×3.0 m，单套处理能力为90 m3·h-1，强制过滤，进一步降低余水中的悬浮物和有机物。砂滤罐反冲洗的污泥回排至泥浆池。

1号中间水池：1座，钢制防腐结构，内净尺寸为15.0 m×3.0 m×3.0 m，缓冲和暂存余水，并为后续处理设施提供余水。

曝气生物滤池：3套，钢制防腐结构，内净尺寸为Φ3.0 m×6.0 m，内设大量生物载基，有效截留余水中残留的细少悬浮物或生物脱膜，并通过大气液比的交换实现微量部分氨氮的吹脱及硝化。曝气生物滤池反冲洗的污泥回排至泥浆池。

2号中间水池：1座，钢制防腐结构，尺寸为12.0 m×3.0 m×3.0 m，起缓冲沉淀及应急处置作用。

清水池：1座，钢制防腐结构，内净尺寸为5.0 m×3.0 m×3.0 m，用于提供曝气生物滤池载基生物膜再生所需的水源。

3 运行效果

在正常生产运行期，按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》对天福庙水库压滤泥饼的含水率连续测定1周，结果见表1。根据表1可知，天福庙水库压滤泥饼含水率均<45%，符合验收要求。

表1 泥饼含水率

同时，根据验收要求在总排口设置NH4-N、pH、SS及TP的自动监测设备，对应上述正常生产运行期总排口水质的日均值统计结果见表2。根据表2可知，NH4-N≤1.0 mg·L-1、pH=6～9、SS≤30 mg·L-1、TP≤0.2 mg·L-1，均符合验收要求。

表2 总排口水质情况

4 系统运维要素分析

4.1 絮凝剂及混凝剂的使用

在清淤底泥的调理过程中，须通过试验确定絮凝剂的最佳调理用量，若用量过低则无法达到絮凝效果，而用量过高不但可能分散稳定絮体，还会造成泥饼粘在板框压滤机的滤布上并导致开板困难。此外，絮凝剂宜使用中性、不含盐的水溶液溶解，并按1‰～2‰的浓度配置，溶解过程注意要缓慢、均匀，同时可通过搅拌(控制转速在50～250 r·min-1)及适当加温(≤60 ℃)加快溶解速度。另外，絮凝剂溶液的输送宜选用低剪切泵，如螺杆泵等。

在调节池添加混凝剂的过程中，应注意观察和记录调节池的矾花生长情况。若调节池末端矾花颗粒较细小而水体混浊不易沉淀，则表明调节池加药量不够；若调节池末端矾花颗粒较大而松散，且出水异常清澈、出水还夹带大量矾花，则表明调节池加药量过大，导致矾花颗粒异常长大而不密实，难以沉淀。

4.2 助滤剂的使用

助滤剂的合理使用能够大大提高板框压滤机的效率，应通过试验确定助滤剂的最佳用量，若用量过高不但会加大运行成本，还会加大泥饼的体积量，制造消纳难题；而用量过低则难以达到生产效率要求，导致工期滞后。此外，助滤剂种类的选择亦须谨慎，一些助滤剂可能会显著提升余水的氨氮及pH，由此会增大后续余水处理系统的负荷和成本。

4.3 材料更换及设施维护

为保障系统的高效稳定运行，应及时完成相关材料更换和设施维护，如对板框压滤机的滤布使用情况开展定期检查，对损坏及不达要求的滤布及时更换；对砂滤罐、曝气生物滤池要及时反冲洗；对平流气浮池的浮渣及沉淀污泥要及时返回至泥浆池等。

4.4 停留时间

调节池、平流气浮池、砂滤罐、中间水池及曝气生物滤池等在调试期均应通过试验确定适当的停留时间。若停留时间太短则导致反应不充分、无法达到处理要求；而停留时间太长则会造成处理效率过低，使工期滞后。

4.5 其他

一体化处理系统的运行应提前做好应急预案和应急措施，如出水不达标时，可在2号中间水池完成应急处理，并及时检查、整改系统存在问题。

5 环境及社会效益分析

清淤工程的实施可大大降低天福庙水库底泥磷的释放，防止内源污染造成水质恶化并导致水华现象，同时还能恢复天福庙水库的有效库容，提升其防洪、供水、发电等方面的社会效益；另一方面，清淤底泥经脱水固化的无害化、减量化(体积减量60%以上)处理后可实现泥饼含水率≤45%，可在检测合格后资源化利用或外运，不仅能够大大节约土地资源，还能避免对地表水、地下水及土壤的二次污染，环境及社会效益十分明显。