水利清淤工程底泥及余水處理一體化設計

　　摘 要：為驗證水利清淤工程底泥及余水處理一體化設計的應用效果，以某水庫為例，對清淤底泥及余水處理的效果進行分析。該水庫清淤項目擬通過前端添加絮凝劑、助濾劑等對泥漿調理后，經(jīng)板框壓濾機完成淤泥脫水，實現(xiàn)泥餅含水率≤45%，同時維持余水的pH值在6~9之間;產生的余水在添加多功能高分子絮凝劑后，經(jīng)高速絮凝反應沉淀去除總磷(TP)和大部分懸浮物(SS)，之后再通過脫氮分子篩礦物吸附過濾，進一步去除氨氮(NH4-N)和SS，處理后最終要求TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH6~9、SS≤30mg/L。結果表明，一體化處理系統(tǒng)可使泥餅和余水均達到驗收要求，余水處理系統(tǒng)總計可分別減少TP、NH4-N、SS排放量高達0.99t、6.10t、70.4t，該系統(tǒng)對于水庫清淤工程具有一定的推廣應用價值。

　　關鍵詞：清淤;底泥;脫水;余水處理

　　0 引言

　　截至2019年，我國已建成各類水庫98112座[1]，但由于減少入庫泥砂及排砂設計的缺乏，水庫在運行較長時間之后產生淤積已成為普遍現(xiàn)象[2]。水庫淤積一方面會大大削減其有效庫容，縮短其使用壽命，引起下游河床沖刷[3]，并進一步引起灌溉、防洪、供水、發(fā)電等效益的下降[4]，同時還會對壩址的良好水文、地質條件造成浪費;另一方面，水庫淤積底泥是氮、磷、有機質、重金屬、有機污染物等的“源”與“匯”，外源輸入的這些污染物進入水庫水體后，最終會蓄積在底泥中，同時當外界環(huán)境條件發(fā)生改變時，這些污染物又會通過沉積物-水界面向水體釋放而形成二次污染，即使通過控源截污等措施，使外源污染得到有效控制，底泥的內源釋放也會造成水庫的水質惡化[5-6]。

　　因此，對水庫合理開展清淤工作，使其能夠充分發(fā)揮功能并延長使用壽命，同時遏制底泥的內源污染，是一項十分必要的工作。由于水庫清淤將產生大量的泥漿，這些泥漿具有較強的流動性和較大的含水量，直接外用極易灑、漏而污染環(huán)境，而直接填埋不但會占用大量寶貴的土地資源，遇到暴雨時還很容易引起周邊的山體滑坡和泥石流，因此必須對這些泥漿進行脫水減量處理，與此同時，對脫水過程產生的余水，必須經(jīng)妥善處理后達標排放。綜上，有必要開展水利清淤工程底泥及余水處理一體化設計研究。為驗證水利清淤工程底泥及余水處理一體化設計的應用效果，以某水庫為例，對清淤底泥及余水處理的效果進行分析。

　　1 項目概況

　　某水庫庫區(qū)水體總磷污染程度較為嚴重，且富營養(yǎng)化程度較高，局部區(qū)域伴有水華發(fā)生，其水質不能滿足水功能區(qū)劃的要求。與此同時，通過調查發(fā)現(xiàn)，該水庫底泥含磷量是長江中下游湖泊、長江河口水庫、滇池等國內湖庫的5~15倍之間，且底泥中內源磷的釋放對水庫水質已產生不可忽視的影響。因此，本項目擬在采取控源截污的基礎上，對水源地水庫開展污染底泥清淤，清淤總量約20.25萬m3，清淤面積約0.95km2，余水深度處理量約88萬m3。

　　根據(jù)該項目的驗收要求，工藝流程對清淤泥漿及余水進行處理，即前端添加絮凝劑、助濾劑等對泥漿進行調理后，通過板框壓濾機完成淤泥脫水，實現(xiàn)泥餅含水率≤45%，同時維持余水的pH值在6~9之間;產生的余水在添加多功能高分子絮凝劑后經(jīng)高速沉淀池沉淀，去除TP和大部分SS，之后再通過脫氮分子篩過濾器的礦物吸附過濾，進一步去除NH4-N和SS，余水處理后最終要求按照GB3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》III類標準(即TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH值在6~9之間，另外還要求SS≤30mg/L)直接排放至原水庫。

　　根據(jù)現(xiàn)場長時間的實測數(shù)據(jù)：該水庫清淤過程進入余水處理系統(tǒng)的進水氨氮指標范圍在4.87~10.9mg/L，平均氨氮含量為7mg/L;進水pH指標范圍在7.1~7.6之間，平均pH值為7.33;進水SS指標范圍在22.5~335mg/L之間，平均SS含量為95mg/L;總磷含量在1.00~1.32mg/L之間，平均總磷含量為1.18mg/L。

　　2 主要構筑物及設計參數(shù)

　　沉淀池1座，鋼筋混凝土結構，總容積2250m3，儲存清淤泥漿，并進行初步泥水分離。待壓罐2個，碳鋼結構，單個容積50m3，調理泥漿，改善泥性。板框壓濾機2臺，過濾面積600m2，對泥漿進行脫水，降低其含水率。

　　調節(jié)池1座，碳鋼結構，尺寸為10.0m×9.0m×4.0m，有效水深3.5m，用于穩(wěn)定余水的進水水量和水質。高速絮凝反應沉淀池1座，碳鋼結構，尺寸為9.8m×4.8m ×4.0m，配合多功能高分子絮凝劑進行混凝反應，通過三級攪拌后，采用斜管沉淀，去除余水中的懸浮物和總磷。中間水池1座，碳鋼結構，尺寸為5.0m×5.0m×4.0m，中轉高速絮凝反應沉淀池的余水進一步至后續(xù)脫氮分子篩過濾器。污泥池1座，碳鋼結構，尺寸為5.0m×5.0m×4.0m，儲存高速絮凝反應沉淀池的污泥。脫氮分子篩過濾器2座，碳鋼結構，尺寸為Ф4.0m×4.0m，采用礦物吸附過濾，去除余水中的氨氮和懸浮物。

　　3 運行效果

　　參照GB/T50123-2019《土工試驗方法標準》，對壓濾泥餅的含水率進行連續(xù)5d的測定�？梢园l(fā)現(xiàn)，泥餅含水率均≤45%，已達到驗收要求。在正常生產運行期，參照HJ/T91-2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》于總排口采集水樣并帶回實驗室立即測定，進行為期3d的出水水質指標監(jiān)測�？梢园l(fā)現(xiàn)，TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、SS≤30mg/L、pH值在6~9之間，已達到驗收要求。

　　4 系統(tǒng)運維要素分析

　　系統(tǒng)運行的主要影響因素有絮凝劑的使用、助濾劑的使用等。對于上述影響因素，運行維護過程中應注意以下要點。

　　4.1 絮凝劑的使用在調理泥漿時，正式投入使用前，需先通過實驗確定最佳用量，用量過低，絮凝作用不明顯，而用量過高，則會起反作用，超過一定濃度時，甚至會分散穩(wěn)定絮體，此外，絮凝劑用量過多還會造成板框壓濾機的泥餅粘布現(xiàn)象。

　　同時絮凝劑應溶解在中性不含鹽的水溶液中，配置比例以1‰~2‰為宜，溶解時先充分攪拌起水體后再緩慢、均勻添加絮凝劑干粉，避免出現(xiàn)大塊絮團及魚眼現(xiàn)象而引起管道、泵的阻塞。絮凝劑需現(xiàn)配現(xiàn)用，但其溶解相對較慢，因此可通過攪拌和適當加溫加速其溶解，攪拌速度可控制在50~250r/min，攪拌速度不能過快，避免產生較大的剪切力，使絮凝劑分子鏈斷裂而影響其絮凝性能，同時水溫不得超過60℃。

　　與此同時，輸送絮凝劑溶液時，應選用螺桿泵等低剪切泵，不宜選用離心泵。為進一步穩(wěn)定進入板框的泥漿比重，可在沉淀池、待壓罐等多處投加絮凝劑。在余水處理使用多功能高分子絮凝劑時，通過干粉直接投加，三級攪拌需先快速攪拌3~5min，使藥劑充分反應形成明顯絮狀物，再慢速攪拌，進一步使絮狀物相互接觸生成大礬花并由此聚集成團狀沉淀。同時，絮凝劑添加量的參考值為100~200mg/L，現(xiàn)場應通過實驗確定最佳用量，用量過低則對TP和SS的去除率不夠，用量過高則會增加處理成本。

　　4.2 助濾劑的使用合理使用助濾劑可大幅提高板框的壓濾效率，應通過小試和中試試驗確定助濾劑的最佳用量，助濾劑用量過低，壓濾效率提升不明顯，生產效率達不到要求，影響工期;助濾劑用量過高則會增加生產成本，同時還會增加泥餅的體積，對后續(xù)泥餅的消納產生影響。此外，助濾劑的種類也應謹慎選擇，避免因使用助濾劑而顯著改變余水pH值，從而提高后續(xù)余水處理的成本。

　　4.3 材料、設施更換為保證生產效率及處理效果，應及時更換材料及相關設施，如定期檢查濾布的使用情況，及時更換不符合使用要求的濾布;定期對過濾器中的濾料進行反沖洗，一般6個月還需更換一次填料等。

　　4.4 停留時間沉淀池、調節(jié)池、高速絮凝反應沉淀池及脫氮分子篩過濾器等均應在調試期通過試驗確定合理的停留時間，如高速絮凝反應沉淀池的靜置沉淀可在10min左右完成，過濾器中的濾速應維持在4~6m/h左右等。停留時間過長，則處理效率較低，難以匹配工期;停留時間過短，則反應不完全，處理效果較差。

　　4.5 其他在系統(tǒng)運行過程中，應做好應急措施，如出水不達標，可通過管路將出水回流至調節(jié)池重新處理等。

　　5 環(huán)境效應分析

　　通過清淤可大大降低該水庫底泥內源磷的釋放，避免其進一步引起水質惡化，甚至發(fā)生水華。此外，清淤泥漿通過處理后含水率≤45%，經(jīng)檢測合格后可進行資源化利用或外運，由此可大大減少對土地資源的占用，絮凝劑及助濾劑對泥餅的固化作用還可以避免其泥化產生二次污染。根據(jù)設計水量計算，余水處理系統(tǒng)可分別減少TP、NH4-N、SS排放量高達0.99t、6.10t、70.4t，保障了還庫水的水質，環(huán)境效應十分明顯。

　　6 結論

　　(1)實踐應用表明，底泥及余水處理一體化系統(tǒng)可以有效地將清淤泥漿處理至含水率≤45%，同時使余水TP、NH4-N、pH等處理達到GB3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》III類標準(即TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH6~9)、使余水SS處理至≤30mg/L。一體化處理系統(tǒng)可使泥餅和余水均達到驗收要求，該系統(tǒng)對于水庫清淤工程具有一定的推廣應用價值。(2)按設計余水處理量計算，余水處理系統(tǒng)總計可分別減少TP、NH4-N、SS排放量高達0.99t、6.10t、70.4t，保障了還庫水的水質，環(huán)境效應十分明顯。(3)實際運行過程中，需要對各運維要素多加調試，并根據(jù)不同泥漿濃度及不同余水水質水量對絮凝劑、助濾劑、停留時間等及時做出調整，在提升系統(tǒng)處理效果和處理效率的同時，控制處理成本。

　　參考文獻

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　　作者：蘇海龍1，劉祥兵1，王 毅2*，陳益人2，曾凡榮1，李 瀚1，曹 洪1

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