水环境治理工程内源治理关键技术的探讨

曾曲波 广东省源天工程有限公司

1.概况

东莞市东引运河流域樟村断面综合治理工程水环境综合整治工程（EPC第一标段）位于东莞市，项目施工区域涉及大岭山、寮步、大朗、黄江、东坑、常平和松山湖（南）等7个镇街（园区）范围需治理的干支流河涌、河道、排渠共计82条，治理总长度约135.52km，项目总投资为约6.2亿元，属于大型水环境综合治理工程。本工程主要施工内容有内源治理工程（含河道清淤、淤泥固化处理、处理后污泥外运等）、活水保质工程（含新建补水泵站、分散式污水处理设备等）、生态修复工程（含河道清漂、水生植物种植、新建景观平台等）、河岸整治工程（含堤防工程）等工程和为完成工程所修建的各类临时性工程等。

2.工程重难点、关键技术分析

经本项目团队的实施前期综合分析，认为本项目的施工重点及难点为内源治理工程中涉及暗涵清淤和底泥固化处理工程，原因如下：

一是，暗涵清淤工程，本项目暗涵清淤工程是指对现状箱涵或管涵（有限空间条件下的暗涵）的淤积底物进行清理，因其施工环境复杂，淤泥和水位深度无法预测，汛期和雨天时存在暗涵的水位上涨过快的现象，可能对施工人员的作业安全产生危险，其次，箱涵多年未清理，在清淤装袋和冲洗搅动污泥时可能产生出大量有毒有害气体以及易燃易爆气体，为此，暗涵清淤技术作为本项目的关键技术来控制。

二是，底泥固化处理工程，在实施河道疏浚清淤过程中产生大量的黑臭淤泥，使其变为“无害化、稳定化”的回填材料；如果底泥固化工程施工控制不好，难于保证实施固化处理后的底泥达到本项目底泥的填埋要求，可能造成要二次处理增加施工成本，为此，底泥固化处理技术作为本项目的关键技术来控制。

基于此，本文重点对暗涵清淤及底泥固化处理这两项关键技术展开探讨，希望就该项目的实际操作给其他项目提供经验。

3.暗涵清淤施工技术

3.1 适用范围及工艺原理

本施工技术主要适合断面尺寸不大，施工作业空间小而长的箱涵或管涵，大型机具设备无法进入，只能采取人工使用高压水枪配合吸污泵进行清淤暗涵工程。

因本项目涉及的暗涵清淤工作施工点较多且分散，施工总体规划应根据设计图纸及暗涵的尺寸大小等实际情况，合理布局，因地制宜的规划好各暗涵的清淤工作面，以每200m至500m暗涵为一个工作面进行控制，利用坐标及标高进行控制，确定暗涵清淤厚度及平面位置，在施工工作面分段设置围堰及导流方式措施、集污坑后进行清淤施工，完成一个工作面后，结合现场工作面情况依次进入到下一个工作面。

3.2 暗涵清淤关键技术分析

3.2.1 气体检测评估

暗涵清淤在箱涵内施工，空间气体流动性较差，可能存在大量的有毒有害气体，主要包括：硫化氢、一氧化碳、可燃性气体。为了确保施工作业安全，施工前委托具有相关专业检测资质的单位进行检测，并专业评估、确定作业环境等级，提出建议及应急处理措施。评估完成并达到作业要求后，组织安排进行“人、材、机”清淤作业。进涵清淤作业前，施工班组应遵循“先通风、后检测、再作业”的原则，即：每次进行有限空间施工前必须按要求进行气体检测，气体检测按照氧气、可燃性气体、有毒有害气体的顺序进行，其中有毒有害气体至少包括硫化氢和一氧化碳，气体检测值满足相关的标准后方可开工，施工过程中每隔15min进行一次气体检测，具体检测方法如下：

①选取在施工段（50m）的中段箱涵上进行钻孔，孔径为4cm，采用1寸软管插入箱涵内，插入口软管与孔壁的间隙有水泥砂浆封堵，插入深度根据箱涵的高度确定，测点设置在作业人员的呼吸带高度内，检测箱涵空间范围内有毒有害气体含量，从而保证在不进入箱涵空间的情况下通过气孔进行检测，确保整个箱涵空间的施工安全性。

②检测时，保持正常的鼓风机送风、抽风机抽风及检查井井盖打开，才能准确、真实的反映箱涵清淤过程中箱涵内有毒有害气体含量。

③直至检查结果满足标准要求，才能进行下一道工序施工。检测结果内容包括检测时间、检测位置、检测方法、检测结果和监护者签名，依据《地下有限空间作业安全技术规范》（DB11T852-2019）见表1。

表1 气体检测标准

3.2.2 设置围堰及导流方式措施、集污坑

①设置围堰。根据箱涵内水位高度，采用土袋围堰结构形式，围堰高度按照箱涵内水位以上0.5m控制，每200m设置一处围堰。在1#通风口（出入口）上游50cm设置围堰，在2#通风口（出入口）下游50cm设置围堰和集污坑（拟定尺寸为150cm＊100cm＊100cm，或利用原有检查井设施进行集污），具体详见图1、图2。

图1 暗涵清淤施工剖面图

图2 集污坑示意图

②导流方式与措施。根据各渠道的现状特点、断面形式及来水流量大小等实际情况，因地制宜合理的采用导流方式；若清淤暗涵（渠）上游来水量不大及渠道纵向坡降满足埋设管道排水的条件的下，可以采用在上游围堰一侧底部埋设排水管并沿清淤渠道的内部走向（底部）直至下游围堰，并穿越下游围堰一侧底部的方式进行管道内自流（排）式导流；若来水量大等原因不能满足埋设管道自流（排）式导流，可以采用在上游围堰上游侧适宜的位置安装一台抽排流量能力略大于来水量的水泵，以保证水位不超过上游围堰的方式进行导流，铺设的排水管道可从1#通风口（出入口）引出，沿清淤渠道的走向一直铺设并进入2#通风口（出入口）后，将排水管出口引至下游围堰的下游1米开外进行排水导流，以满足围堰内干地施工。

③设置集污坑。若清淤施工段无法利用原有检查井设施进行集污，再考虑在施工段内合适的位置设置集污井，在选定的位置先采用破碎锤破碎，破碎点间距0.3～0.5m，逐层破碎，再用PC200挖机开挖集污坑。集污坑做好后按要求进行安全防护。箱涵清淤完成后，需对箱涵底板进行恢复。

3.2.3 利用设备进行清淤

本项目涉及暗（箱）涵清淤拟采用高压水枪稀释淤泥，并用大型吸污车抽排淤泥及局部辅助人工清淤的方法。

①清淤过程中为确保清淤人员的安全，鼓风机送新风、抽风机抽风应始终不间断工作。作业人员在井下每隔2分钟不断与外部现场监管人员进行传话，凡是进入暗涵的作业人员,必须戴防毒面具，在暗涵内作业的人员不得使用明火，每次下井作业最长时间不超过2h，且必须到路面休息15分钟后方可再次下箱涵作业；或直接由下一班作业人员替换进行暗涵清淤作业，每名作业人员每天入涵时间不得超过4小时。

②箱涵内作业人应实时检测有毒有害气体含量，并且与箱涵外面监测人员保持通信联系畅通；从上游出入口利用高压清洗车配置的高压管对箱涵底泥进行高压冲水，由上游冲洗至下游，不断地来回冲洗，使淤泥稀释，稀释后的底泥和污水流入集水坑，通过大型吸污车把污水吸走，直至清理干净，稀释后的底泥统一运到底泥处理厂进行处理。（详见图3暗涵清淤施工）

图3 暗涵清淤现场施工

③遇到需人工辅助清渣作业情况，在满足上述安全防护措施的条件下进行，在各个井口作业处安装施工专用吊土机，在箱涵内人工清淤作业人员采用橡胶桶盛装清淤的渣土，再用人力斗车装载后运至井位点，由于井筒口径较小，采用专用吊土机将盛装清淤土的橡胶桶吊运出地面，再使用人力斗车装载转运至场内临时堆放点，积聚了有一定数量时，采用人工装载上车后运输至泥渣土受纳场进行填埋处理,如底泥未达到填埋要求应运到底泥处理厂进行处理再作最终处置。

④淤泥清理外运完成后,再用高压水枪对暗涵人工清淤部分进行冲洗干净。清理底泥完毕后搞好周围卫生，并拆除围堰或砌墙、回填集水坑，恢复箱涵底板。

3.3 技术应用成效分析

（1）通过此技术实施清淤后的暗涵能符合相关施工图纸、规范、标准的要求，为此，恢复暗涵的泄洪能力，有效降低项目区河道的洪水位，可维持下游河道岸线和水流稳定，改善河岸的防洪排水条件，保证了渠道的防洪排洪安全，有利于沿岸地区经济正常的持续发展。

（2）本技术将施工过程中的质量、技术、安全等管理方法相互结合，形成的施工流程衔接顺畅，能达到高效施工，在确保了工程质量与安全的前提下降低成本。经我公司经济效益核算，本关键技术通过在本项目的应用，共取得经济效益约48万元。

4.淤泥固化处理施工技术

本施工技术主要涉及对水库、湖泊、河道（河涌）等清淤产生的淤泥进行稳定化、固化处理处置等内容。实施过程应根据河道（河涌）清淤产生的淤泥特性分析及污染程度试验检测分析结果，对淤泥稳定化及固化处理。经处理后淤泥达到无害化标准后，按要求运至业主指定的弃土场进行填埋或用于本项目区内护岸整治、堤防加固的回填土。

4.1 淤泥稳定化技术分析

淤泥稳定化是指对河道淤泥中的将易腐化的部分有机物进行分解转化，及对重金属元素由非稳定态向稳定态转化达到稀释钝化的目的，最终使淤泥大大降低恶臭、不易腐败，并达到无公害化标准的填埋要求。

淤泥中重金属的形态是指重金属的价态、化合态、结合态和结构态四个方面，即某一种重金属元素在环境中以某种离子或分子存在的实际形式。污泥中重金属存在形态的有关研究成果表明重金属形态分为以下五种：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态。不同形态重金属的生物有效性不同，前三种形态稳定性差，容易被植物吸收利用；后两种形态稳定性强，不易释放到环境中。污泥中重金属处理的目的是采用有效的方法，使污泥中的重金属降到标准值并向稳定性强的形态转化，降低重金属释放到环境中的风险。

本技术实施前期，我项目团队拟先对东坑镇河涌的淤泥样品进行稳定化技术的前期试验，经试验取得相关技术数据支持后，方可进行规模化、标准化的淤泥的稳定化施工。

淤泥样品特性：外观呈灰黑色、有恶臭味，有滑腻感；测定PH值为6.51，有机质含量为14.32%，含水率为71.3%，样品中8种重金属含量测定数据如表2。

表2 东坑镇某河涌底泥8种重金属含量表

根据表2可以看出淤泥样品受重金属镍污染较为严重，镉和铜出现轻微污染，共3 种重金属超出土壤环境质量二级标准（居住用地）的范围，为此，项目团队研究拟加入有絮凝、去除重金属、脱臭、除油、杀菌、除磷、降低出水COD（化学需氧量）及BOD（生化需氧量）等功效的稳定化等药剂后经反应充分后，再测定这3种重金属的变化情况，具体试验方法如下。

将每10kg经充分混均的淤泥样品分成10份淤泥样品，每个淤泥样品为1kg。根据单因子评价法，在“聚合氯化铝、阳离子型聚丙烯酰胺、氯化铁、聚合硅酸铝铁、除臭剂”五种药剂投放用量不变的情况下，再分别加入不同剂量的重金属捕捉剂，得到投放不同配比的稳定化药剂的试验样品（详见表3）。

表3 东坑镇河涌底泥样品稳定化药剂配比情况表（单位mg/kg）

在不同配比药剂的充分反应后，测得样品中8种重金属的含量的变化情况，详见表4。

表4 东坑镇河涌底泥样品重金属的含量的变化情况表（单位mg/kg）

由表4分析可知，淤泥样品经稳定化处理后，各重金属含量均有下降。当重金属捕获剂量达到0.03mg/kg时，镍的含量为149 mg/kg，达到回填土无机污染物的环境质量第二级标准值里的居住用地标准≤150mg/kg，其他7种重金属含量也均达标；且经试验测定，经过稳定化处理后的淤泥基质的pH得到提高，多数重金属离子能与OH-结合，生成不溶于水的盐类，如Cr，Cu和Pb；稳定剂中含有一些黏土矿物，这些物质对重金属离子有较好的离子交换吸附作用，稳定剂与水发生反应后,生成的水化产物对重金属离子有包裹和吸附作用重金属形态由非稳定态向稳定态转化；为此，在考虑经济性和符合标准的情况下，项目团队采用样品编号6对应的稳定化药剂配比对东坑镇某河涌的淤泥进行规模化的实施稳定化处理。其他河涌的淤泥稳定化处理，同理采用此试验法进行前期的稳定化试验后，再规模化实施对淤泥进行稳定化处理。

4.2 淤泥固化技术分析

淤泥固化是指为减小淤泥的体量，对淤泥进行脱水固化成泥饼达到最大限度进行减量化处理。

经过项目团队综合对本项目淤泥的含水率、容重等特性的研究，基于施工高效性及经济性等方面考虑，项目团队采取机械脱水固结一体化法的方案，它由砂水分离设备、垃圾分拣设备、底泥脱水设备、加药设备、泥水处理设备及干底泥输送设备等组成是一套完整设备装置，机械脱水固结一体化主要设备设施具体详见图4。

图4 机械脱水固结一体化主要设备、设施图

4.2.1 技术方案基本原理

本淤泥固化技术方案主要由预处理系统及调理改性系统两大系统中的若干个施工工序组成，详见图5。预处理系统中的垃圾分选设施将分离出来的砂石、垃圾以及经脱水后干泥由皮带输送机输送至运泥车，由运泥车将脱水后的干泥运往指定地点进行后续处理；调理改性系统中的带式压滤机是本技术方案的核心设备，是由带式压滤机及浓缩机组合成的一体化的过滤设备，主要由驱动装置、机架、压榨編上滤带、下滤带、滤带张紧装置、滤带调整装置、滤带清洗装置、卸料装置、气压系统、电气控制系统等部件组成。底泥脱水过程中分离出来的水经处理达到排放标准回用于稀释药剂和冲洗设备，其余排入河道，处理后的泥块运至指定点进行填埋。经过一套完整技术系统处理后，实现淤泥内部中的自由水的减少且有效降低有毒有害物质含量，达到可直接进行填埋的要求，避免了对环境土壤的二次污染；固化后的淤泥的重量、体积的明显减小，达到减小填埋占用面积。

图5 淤泥固化技术方案基本原理图

4.2.2 淤泥固化处理技术要点分析

淤泥固化脱水处理过程可分为预处理、重力脱水、楔形区预压脱水及压榨脱水4个重要阶段，主要技术要点分析如下：

①预处理阶段。将原始泥浆与絮凝剂混合，物料在絮凝剂作用下，细微颗粒逐渐粘成絮团状,并初步沉淀，为污泥的过滤脱水准备条件。

②重力脱水阶段。被絮凝的物料逐渐加到滤带上，使絮团之外的自由水，在重力作用下与絮团分离，逐渐使污泥絮团的水份降低，流动性变差。因此，重力脱水段的脱水效率的高低取决于过滤介质（滤带）的性质、污泥的性质及污泥的絮凝程度。重力脱水段去除了污泥中很大一部分水份。

③重力脱水阶段楔形预压脱水阶段。污泥经重力脱水之后，流动性明显变差，但仍难满足压榨脱水段对污泥流动性的要求，因此，在污泥的压榨脱水段和重力脱水之间，加了一个楔形预压脱水段，污泥经该段的轻微挤压脱水之后，流动性几乎完全丧失，这样就保证了污泥在正常情况下不会在压榨脱水段被挤出，为顺利地进行压榨脱水创造条件。

④压榨脱水阶段。指污泥进入第一压榨脱水辐之后，在滤带张力的作用下，使上、下滤带夹着滤饼绕着大小不同的压榨根进行反复地挤压与剪切作用，脱除了大量的毛细作用水，使滤饼水份逐渐减少，最后滤饼含水率为68-80%，在物料出口处设有上、下滤饼刮泥板，刮泥板可去除滤带上未脱落的滤饼。

4.3 技术应用成效分析

通过本技术方案进行稳定化、固化处理后的底泥，我项目团队对成型的底泥按每2万方检测一次，且每个固化场和弃土场堆放的底泥检测不少于3次。根据成型的底泥的检测结果，底泥的污染物等指标均低于相应的限值，且浸出毒性鉴别值低于相应标准值时，则表明无污染危害，固化后的底泥符合规划设计及环境保护的要求。

通过本技术方案对固化处理1m³淤泥需投入稳定化改性药剂、固化设备费、填埋成本等进行综合成本分析。成本分析如下：稳定化改性药剂投放成本约120元/m³，机械设备能源动力费用约80元/m³，运输填埋成本约约60元/m³，其他综合管理费用投入费用约35元/m³，则固化处理1m³单位淤泥成本约295元/m³，根据市场调查，目前东莞市场上消纳场处理1m³淤泥的单价一般为310元/t，本项目约需处理淤泥60万m³，由此核算，本技术方案的实施可为本项目节约900万元，具有显著的经济效益

固化改性处理后的底泥，同时可以用作本工程的护岸工程中的填土，不仅能实现废弃物的再生利用，还可作护岸植物的种植土壤，为此，具有显著的经济效益和环境效益。

5.结语

在水环境治理的工程中，既要注重生态环境可持续发展的理念，又要注重治理与修复相结合的方式。为使东莞市东引运河樟村断面水环境工程项目得到了有效的治理，本文重点对本项目涉及的暗涵清淤及底泥固化处理两项关键技术进行展开探讨，本项目实施过程中因地制宜选取、制定合宜的工程技术方案并实施应用，并取得了显著的经济效益和环境效益，希望就该项目的实际操作给其他类似项目提供经验借鉴作用，共同促进我国水污染治理工作的健康发展。