湖库疏浚技术及淤积物资源化利用技术进展

杨会臣 王 培

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概 述

中国是世界上水库数量最多的国家，最新水利普查数据显示，我国已建在建水库98000多座，总库容9323亿m3；我国同样湖泊众多，常年水面面积1km2及以上的有2865个，水面总面积达7.80万km2。水库和湖泊为我国供水、灌溉提供了重要保障，在维系区域生态平衡和生物多样性、防灾减灾等方面发挥了重要作用。我国又是世界上水土流失最为严重的国家之一。受水土流失和人类活动影响，水库淤积和湖泊萎缩严重，水库和湖泊功能性、安全性和综合效益的降低，已成为制约我国经济社会发展的瓶颈之一。

我国中小型水库淤积严重，其中黄河流域问题最为突出，表1列出了我国部分水库淤损情况。据估算，目前全国每年大约有50亿t泥沙进入江河，其中淤积到水库的大约有16亿t。大面积围湖造田、违法养殖以及非法采砂等造成湖泊面积萎缩，水质恶化等问题突出，湖泊功能严重退化。

表1 我国水库淤损率的地域分布(不完全统计)

2 疏浚技术研发进展

张天存[1]的调查显示，目前中国工程疏浚量排在世界第6位，每年疏浚量可达到6亿m3，我国已成为世界上大规模开展底泥疏浚工程的国家之一，疏浚设备需求量大。目前常用的疏浚设备按原理分，一般可分为机械式、水力式、气动式和虹吸式四类。

2.1 机械式挖泥船

机械式挖泥船利用机械设备做周期性的切泥、输送、卸泥疏浚作业，按机械形式可分为抓斗式、链斗式、铲斗式等三种类型。

a.抓斗式挖泥船。抓斗式挖泥船一般用于航道、港口的疏浚工作。抓斗式挖泥船有自航式和非自航式两种。自航式泥舱装满后，自航至排泥区卸泥，非自航式则利用泥驳装泥和卸泥。适合于挖掘淤泥、砾石、卵石和黏性土等，但是不适合挖掘细砂和粉砂土。

b.链斗式挖泥船。链斗式挖泥船利用带有挖斗的斗链，在斗桥上连续转动，使泥斗在水下挖泥并提升至水面。链斗式挖泥船适用于泥沙、砾石、卵石等淤积物的开挖，不适合含粒径较大的漂石、块石的疏浚，生产效率低，工作环境限制较大。

c.铲斗式挖泥船。将铲斗挖掘机与挖泥船连为一体即形成铲斗式挖泥船，适用于内河河道的大规模疏浚，可较为高效地清除大粒径卵石、漂石、块石等淤积物，但是需要配套吨位较大的驳船，功率较大，费用也较高。

2.2 水力式挖泥船

水力式挖泥船利用铰刀等工具松动河底淤泥，再用泥泵将泥浆从吸泥管吸入，经排泥管送到岸上或排入泥驳运走，主要有绞吸式、耙吸式、吸盘式等。

a.绞吸式挖泥船。绞吸式挖泥船是一种成本低、效率高的挖泥船，适用于内河、湖区和沿海港口的清淤施工，对于砂质土、淤泥等土质较松的河底，疏浚效果较好，但不适合大粒径物料的疏浚。目前，绞吸式挖泥船最大作业水深为50m，水平输送距离为1000m，可疏浚淤积物最大颗粒为50mm，作业最大流量为1200m3/h。

b.耙吸式挖泥船。耙吸式挖泥船是一种装备有耙头挖掘机具和水力吸泥装置的大型挖泥船，适用于无掩护、狭长的沿海进港航道的开挖和维护。耙吸式挖泥船的泥舱容量较大，大型的可达1万m3，最大的挖泥深度可达35m，适用于淤泥、黏土和砂质土等淤积物的疏浚，同样不适合大粒径淤积物的疏浚。

c.吸盘式挖泥船。吸盘式挖泥船借助水力对淤积物进行松破，利用离心式泥泵通过吸口吸入，经排泥管输送至卸泥区，适用于细砂、中砂、砂质土、淤泥等土质较松软的淤积物的疏浚，工效和生产效率较高。

2.3 气动式挖泥船

气动式挖泥船安装有气力泵，可开挖淤泥、砂、砾石、卵石、漂石、块石等各类淤积物，作业水深120m以上，粒径可达80mm以上，较好地解决了河湖、水库疏浚难题。

气力泵由泵体、空气压缩机、空气分配器、定位绞车、升降绞车、排料管等组成。泵沉入水中工作，其他部件安装在驳船上。泵体由三个汽缸组成，压缩空气通过空气分配器依次排出和注入各个汽缸，三个汽缸依次循环有节奏地排气和进气排料，将所采的砂和卵石混料通过排料管输送到指定地点存放。气力泵构造见图1。

图1 气力泵构造

3 底泥处理技术研究进展

湖库底泥污染成分复杂，一般具有含水率高、压缩性高、颗粒细、强度低等特点，同时大部分含有重金属等有毒有害污染物。针对湖库底泥特点，经脱水后，常见的底泥资源化处置方法有筛分建材法、污泥填埋法、污泥堆肥法、厌氧制沼法、污泥掺烧法、化学固化法等物理和化学方法。

3.1 脱水处理技术

淤泥含水率高、压缩性大、强度低，为降低淤泥含水率需要进行脱水处理，目前国内外常用的处理技术分为物理脱水、高温烧结、絮凝脱水3类。

a.物理脱水。用自然风干、离心或外力挤压等方法将淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脱离出来，使淤泥颗粒黏结成密实状态，主要方法有自然风干脱水、机械脱水、堆载预压排水固结。

b.高温烧结。通过加热等高温处理方法，实现淤泥脱水，并分解淤泥中的有机成分，使颗粒之间紧密黏结，然后通过冷却，使淤泥熔合成具有一定强度的固体颗粒。

c.絮凝脱水。通过在淤泥中添加凝集剂(絮凝剂、混凝剂)等化学药剂，提高脱水效率，再结合其他脱水方法进行脱水。

3.2 建材法

对于颗粒较大的淤积物，如水库淤积物中的砂石等，可通过适宜深水作业的气动式清淤设备，将淤积物疏浚后，在库外选取合适的场地，进行脱水、筛分后，成为用途广泛的建筑材料。对于颗粒较细的，可用于施工用土、制砖、制陶粒、制水泥等。该方法不仅适用于淤积物颗粒较大、质地坚硬、以推移质为主要成分的水库淤积物处理，还可以处理颗粒较小的湖泊底泥。

a.施工用土。清淤底泥经过特定的处理过后，可以代替砂石和土料作为填方材料用于工程施工，可用于城市、港口建设中低洼地区的回填[2-3]，也可用于道路路基建设、防止边坡失稳和雨水冲刷[4]、堤防建设和加固[5]。

b.制砖。当底泥中的含砂量小于30%时，可替代黏土，制作符合质量要求的建筑用砖[6]。

c.制陶粒。污泥陶粒是由Nakouzi[7]等率先提出的，我国学者[8]研究表明，采用合适工艺，可制成满足《轻骨料试验方法》的陶粒产品。

d.制水泥。对于与黏土组成相似的底泥，可代替黏土制备水泥。

3.3 污泥填埋法

填埋是较为简化、直接的方法，有直接填埋和卫生填埋两种。直接填埋是将简单灭菌处理后的污泥直接倾倒到低地或谷地，而卫生填埋是将污泥运至垃圾填埋场与垃圾混合进行无害化填埋。

污泥填埋法优点是处理流程简易、操作设备简单，缺点是占地面积大，可能产生渗滤液和填埋气，可能会影响填埋场的透水、透气性能，缩短填埋场的使用寿命，仅用作填充，资源化不够，资源浪费。

因此污泥填埋适用于具有相应的地形条件、有机物含量低、无重金属污染的淤泥，适应范围较窄。

3.4 污泥堆肥法

对于有机质含量较高的污泥，堆肥后可增加农田有机质，减少施肥量，改良土壤，减轻土壤的潜在侵蚀[9]。堆肥法虽简单易用，但也存在费时、成本高、污染空气、占用土地、易受天气和市场销售影响等缺点，适应范围也较窄。

3.5 厌氧制沼气法

利用污泥发酵产生沼气是有机质含量较高的淤泥资源化利用的另外一种方法。产生的沼气可用于发电、做燃料等，熟污泥可用于农业，做花肥等。但由于湖库淤积底泥受人类活动影响，一般含有一定量的重金属，因此采用合适的方法消除污泥残渣的污染性，是污泥制沼法必须解决的一个难题，也限制了其应用的推广。

3.6 污泥掺烧法

污泥掺烧法是将脱水后含水率80%左右的湿污泥用高压泵送的方式直接投加到现有热电厂、垃圾焚烧厂等锅炉炉膛内焚烧，燃料中污泥比例一般不能大于20%。但污泥掺烧法存在的如下缺点不可忽视。

a.锅炉效率明显下降，煤耗量大大增加，碳排放增大。

b.烟气中水蒸气含量急剧增加，加速了对锅炉及后续烟气处理设备的腐蚀。

c.排出的烟气含大量高温蒸汽，影响除尘设备的运行效果。

d.燃料难以充分燃烧，降低了燃料热值。

3.7 化学固化法

化学固化法是通过向污泥中加入生石灰粉等物质，破坏污泥的胶团结构，降低污泥的含水率，并实现污泥的灭菌和除臭，得到物理、化学性质较为稳定的污泥。污泥经进一步堆置、晾晒或烘干，含水率降低至10%～20%；最后脱水污泥经破碎后压实填埋。化学固化法往往只能针对性地处理部分城市污泥，且固化后依然需要进行填埋处理，步骤较为繁琐。

3.8 干馏处理法

干馏淤泥技术是在密封、无氧的环境下，对淤泥进行高温加热，在非燃烧和高温状态下发生热分解作用，使淤泥中的水分转化为水蒸汽，有机物转化为可燃气体和有机碳。针对淤泥中的不同成分，可采用不同的处理措施。

a.淤泥中水分：蒸发→混合汽→分离→冷凝水→污水处理系统。

b.淤泥中有机物：热解→混合汽→分离→甲烷气→干馏燃料→二氧化碳和水。

c.淤泥中碳元素：脱氢→碳化→冷却→生物碳→土壤改良剂。

d.淤泥中各种细菌：高温→灭菌。

e.淤泥中金属：高温氧化→钝化→玻璃化→固化。

f.淤泥中氮磷钾等营养元素：高温分解→富集→生物碳。

4 结 论

我国水库存在不同程度的淤积，湖泊功能退化明显，亟需经济、环保、高效实用的深水清淤疏浚设备和底泥处理及资源化技术。本文简要分析了我国水库淤积现状，列举了部分疏浚技术和底泥处理及资源化利用技术。对于疏浚装置和淤泥处置方法，需要根据不同地区的淤积水深、污泥特性等各项综合要求来选择。