茅洲河流域水环境整治底泥污染治理方案及实践

路文典

(中电建生态环境集团有限公司，广东 深圳 518101)

茅洲河属珠江口水系，流经深圳光明、宝安和东莞长安镇两市三地。茅洲河是深圳、东莞两市的界河，也是深圳市第一大河，被称为深圳的“母亲河”。20世纪90年代，茅洲河流域内工业化、城镇化发展迅猛，工业、生活、第三产业污染急剧增加。截至2015年底，流域内总人口约417万，仅深圳侧就有污染源企业约3.87万家，以电镀、线路板等高污染中小企业居多。而流域内污水处理及配套排水设施建设严重滞后，大量生活、工业污水直排进入茅洲河干支流，茅洲河全线变成了“墨汁河”“臭河”，成为珠三角地区污染最严重的河流。2016年，茅洲河水环境污染问题被中央环保督察组点名，被广东省列为挂牌督办的重点治理项目。

1 茅洲河流域概况

茅洲河发源于深圳市境内的羊台山北麓，干流全长41.69km，宝安区内干流长19.71km，共有支流19条；光明区内干流长14.80km，共有支流13条；东莞长安镇内干流是东莞市与深圳市的界河，长11.68km，共有支流9条，流域面积77km2。茅洲河为雨源性河流，干流平均年径流量为33632.4万m3，河面宽50～80m，河床平均比降0.71%。

2 茅洲河流域底泥污染情况调查分析

为了检测茅洲河流域底泥污染状况，分3个区对其进行研究，茅洲河干流以沙井河为界，上游为A区，沙井河为B区，下游为C区。在茅洲河流域干支流布置了16个检测点，分别在每个检测点的河底以下0.5m、1.0m、1.5m取样进行检测，个别点位在2.0m、2.5m取样检测。根据取芯土样，黑臭底泥与污染较轻的土样之间有较为明显的颜色分界线，黑臭底泥的厚度在0.4～1.8m之间，普遍在1.0m左右，总体呈中间薄、两边厚的形态。

2.1 茅洲河底泥有机质、营养盐、重金属污染严重

2.1.1 底泥有机质污染严重

研究区域底泥有机质污染严重，其中，沙井河(B区)底泥有机质污染最为突出，平均含量高达39526.65mg/kg；下游(C区)有机质含量较高，均值为27216.34mg/kg；上游(A区)有机质含量最低，为24417.52mg/kg。

茅洲河底泥表层0～1.0m有机质含量最高，有机质平均含量为35541.67mg/kg；其次是1.0～2.0m，有机质平均含量为31200.33mg/kg。

2.1.2 底泥氮营养盐污染严重

茅洲河底泥氮污染严重，平均值为1781.20mg/kg，最大值高达9277.51mg/kg。沙井河(B区)底泥总氮污染最为严重，为3670.88mg/kg；下游(C区)底泥总氮含量次之，为2999.80mg/kg；上游(A区)底泥总氮含量最低，为2557.15mg/kg。

茅洲河底泥表层0～1.0m总氮含量最高，总氮含量垂向变化存在随深度增加呈现下降的趋势，在一定程度上反映了污染排放变化情况。

2.1.3 底泥磷营养盐污染严重

茅洲河底泥总磷平均含量为1930.03mg/kg，最高可达9203.73mg/kg，3.0m厚度以上部分底泥磷污染较为严重，含量均超过1000.00mg/kg，特别是表层1.0m厚度以内的底泥总磷含量最高。总的来看，C区底泥总磷平均含量均高于A区底泥总磷含量，但低于B区底泥总磷含量，全区总磷标准指数均值为1.92，属于重度污染。

茅洲河作为浅水河流，底泥中的磷与上覆水交换较为强烈，受风浪扰动和人为活动影响，底泥中的磷很容易释放到上覆水中，从而引起上覆水高度富营养化。

2.1.4 底泥重金属污染严重

茅洲河底泥重金属污染严重，其中Cu含量最高，平均达到802.00mg/kg，最大值高达7352.00mg/kg；Zn含量次之，平均含量384.00mg/kg，最大值约为2558.00mg/kg；Cd含量最低，均值为0.44mg/kg，最大值为3.78mg/kg。重金属含量排序为Cu>Zn>Cr>Ni>Pb>Cd。

沙井河(B区)底泥重金属污染最为严重，下游(C区)含量次之，上游(A区)含量最低。以Cu为例，B区平均含量高达1401.00mg/kg，C区平均含量约770.00mg/kg，A区平均含量约422.00mg/kg。各区重金属含量排序与全区一致，没有变化。表层0～1.0m重金属含量最高，随深度增加含量逐渐降低。

茅洲河底泥重金属潜在生态风险评价全区风险因子均值为867，属于强生态风险。B区重金属污染严重，潜在生态风险较高，风险因子(RI)均值为1420，属于极强生态风险；A区均值为475，属于强生态风险；C区均值为869，属于很强生态风险。

2.2 茅洲河底泥氮释放量巨大

茅洲河流域底泥每年释放总氮59.94t，其中A区释放8.72t，占总量的14.55%；B区释放35.50t，占总量的59.22%；C区释放15.72t，占总量的26.23%。

间隙水是水-沉积物界面氮交换的重要中介，一方面间隙水中的氮通过扩散层向上覆水体扩散迁移，从而影响上覆水环境；另一方面，间隙水中氮被沉积物中矿物颗粒物吸附。茅洲河流域间隙水中总氮有向上覆水释放的趋势。其中，B区释放量最大，为478.83 mg/(m2·d)；其次为C区，为50.35mg/(m2·d)；A区释放量最小，为32.54mg/(m2·d)。整体呈现表层释放多，底层释放少；上游释放多，下游释放少的趋势。

2.3 茅洲河底泥氮释放时间较长

茅洲河流域底泥TN蓄积量为10465.00t，上层蓄积量(厚度30～50cm)为2138.00t，占总蓄积量的21.4%。A区蓄积量最小，为2679.60t，占总蓄积量的25.61%，其中，上层蓄积量(厚度30～50cm)为561.00t；B区蓄积量为3463.50t，占总蓄积量的33.1%，其中，上层蓄积量为1148.83t；C区蓄积量最大,为4321.90t，占总蓄积量的41.3%，其中，上层蓄积量为428.17t。若将茅洲河流域上层底泥中TN蓄积量全部释放，预计需要35.67年。

2.4 茅洲河底泥内源释放对水质指标贡献率高

茅洲河主要水质指标如氨氮、COD、BOD、TP等严重超标。水质恶化除因沿河大量污水直排入河所致外，河底淤积物对水质的影响也很大。河道中大部分污染物沉积在底泥中，形成内源负荷，在一定条件下，底泥中的污染物又会释放出来进入上覆水体。当外源输入得到有效控制后，底泥成为河道污染物的主要来源，底泥表层污染释放最快，释放速率随深度增加而降低。底泥的释放速度主要与水体扰动和水温有关，若仅通过截污纳管等措施减少外源污染输入，内源污染仍不断释放，茅洲河水质亦无法从根本上得到改善。

从整体来看，茅洲河干支流均处于重污染状态，水质为劣Ⅴ类。对茅洲河污染的贡献率为东莞长安镇>深圳宝安区>深圳光明区，深圳的贡献率为58.8%，东莞的贡献率为41.2%[1]。

3 底泥环保清淤方案

根据对流域底泥污染情况的调查分析，必须对底泥进行环保清淤。清淤后不仅可以解决茅洲河内源污染问题，还可提升防洪排涝能力，增强防灾减灾能力。

3.1 清淤工程量

茅洲河流域底泥环保清淤范围为茅洲河、沙井河和塘下涌(河口段)，清淤总工程量为334.07万m3，工程量分布见表1。

表1 清淤工程量 单位：万m3

3.2 清淤方案

茅洲河、沙井河和塘下涌(河口段)为城市河道，两侧居民区较多，为尽量减少对周边居民的影响，清淤采用“环保绞吸式挖泥船+输泥管输送”方案。

考虑河道清淤工况复杂，以环保绞吸式挖泥船清淤为主，局部边角区域、茅洲河洋涌河水闸—白沙坑段、沙井河中上游及塘下涌(河口段)狭窄河段，采用水陆两用绞吸泵、水上挖掘机及吸泥泵为辅的清淤方案。将淤泥输送至最近的泥驳并采用支管接入主管输送至底泥处理厂。清淤方案见图1。

图1 茅洲河流域清淤方案

根据绞吸式挖泥船有关施工规范，绞吸式挖泥船分条开挖宽度不宜大于船长的1.1～1.3倍，因此，取分条宽度为30m，各分条之间根据施工情况设置1～2m的重叠区。采用扇形横挖法施工，分块、分条、分层开挖，分层厚度1.0m以内，挖槽宽度和边线的控制采用DGPS差分定位。

3.3 底泥输送方案

为保证输送效率和避免二次污染，底泥采用管道输送，包括水上浮管和水下潜管。采用长6.0m钢管穿设浮筒形式浮管，管道直径450mm，钢管间用1.5m长的橡胶管柔性连接，浮管敷设线路近似流线型弯曲。严格控制浮管摆幅和线路顺畅，每隔100.0m单向抛小锚定位，防止水流、风速造成管线大幅度摆动，从而影响航道正常通航。

4 底泥处理处置方案

因清淤疏浚底泥含水率高、流动性大、总量多，须对清淤底泥进行减量化、稳定化、无害化、资源化处理，以免对周边环境造成二次污染。底泥处理范围为茅洲河、沙井河等17条干支流、4个排涝工程、2个管网工程和2条明渠，处理总量为374.55万m3。

结合近年来国内已实施的滇池外海、武汉外沙湖等多个大型清淤及底泥处理工程所采用的工艺，经对机械脱水固结法(离心式脱水机、带式压滤机、板框压滤机等)、物理脱水固结法(土工管袋、真空预压固结)进行比选，确定采用效率较高的板框压滤机机械脱水固化方案。

4.1 底泥处理厂设置

根据底泥处理总量及处理场地分布情况，共设置3座底泥处理厂，底泥厂位置见图1，底泥厂技术指标见表2。

表2 底泥厂技术指标

4.2 底泥处理工艺

根据底泥处理总量、处理强度、场地条件等，经综合比较，底泥处理厂均采用泥砂分离池+固液分离池预处理、板框压滤机脱水固结、超磁分离净化处理余水的总体处理工艺，工艺流程见图2。

图2 底泥处理处置工艺流程

4.3 余水处理工艺

余水来源为茅州河现状河水，余水还河标准按照《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)二级标准执行。对传统沉淀池、滤布滤池、高效沉淀一体机、超磁分离一体机4种余水处理方案，从处理效果、成本、处理能力等方面进行综合比选，选用超磁分离净化技术处理余水。超磁分离净化工艺见图3。

图3 底泥处理处置工艺流程

4.4 主要构筑物和设备

底泥处理厂主要由泥砂分离系统、洗砂系统、固液分离系统、改性拌和系统、均化调理系统、脱水成固系统、余水处理系统以及堆场等部分组成，下面以1号底泥厂为例说明主要构筑物和设备配置。

4.4.1 主要构筑物

a.泥砂分离池，尺寸为54m×6m×2m，钢筋混凝土结构，分为2级，一、二级分离池分别用于沉淀大、小颗粒砂砾。

b.固液分离池，即调节沉淀池，面积为6810m2，容积为2.69万m3。一方面用于固液的沉淀分离，另一方面用于调节挖泥船清淤与底泥处理厂生产之间的矛盾，提高生产效率。

c.均化调理池，用于加药后对底泥进行均化调质，面积为442m2。为了保持调理后底泥的流动性，均化调理池底部为倾斜状，坡度为1∶7。

d.余水处理站，余水处理采用超磁分离技术，处理站为成套的集装箱设备，单套处理能力2万m3/d。

e.余土临时堆场，采用封闭钢结构，面积为3300m2。泥饼采用皮带机堆存。

4.4.2 主要设备

a.环保绞吸式挖泥船。配备2艘流量为2000m3/h的环保绞吸式挖泥船，通过管道将底泥输送至底泥厂。

b.板框压滤机。脱水固化系统布置在场地中间，主要为4台压滤面积为600m2的板框压滤机，厂房采用二层钢结构。二层安装板框压滤机，底层为泥饼运输皮带机。

c.超磁分离设备。超磁分离净化设备为成套集装箱设备，为减少设备投入量，节约投资，余水处理采用调节池进行错峰调节，安装2万m3/d超磁分离设备一套。

5 底泥污染治理成效

疏浚底泥经过底泥预处理、机械脱水固化后，产物分为4部分：余水、垃圾、砂料、泥饼，共分离出垃圾14.87万m3、砂砾34.24万m3、泥饼157.87万m3。余水处理达标后还河，垃圾运往垃圾处理厂进一步处理，固化后的泥饼符合深圳市地方标准《河湖污泥处理厂产出物处置技术规范》(SZDB/Z 236—2017)后，一部分制成陶粒、透水砖用于工程中，一部分运往业主指定的消纳场所。

茅洲河流域经过环保清淤，消除Cr、Ni、Cu、Cd、Pb、TN、TP、有机质分别为929t、775t、2580t、7t、162t、5482t、4291t、86385t。通过岸上雨污分流、水下清除底泥等综合治理，茅洲河国考断面于2019年11月达到地表Ⅴ类水标准，提前一年两个月达到国考目标，治理效果显著。

6 结 语

茅洲河流域底泥量大、污染重，对水质黑臭的贡献率高，对河道底泥进行环保清淤，消除河道内源污染十分必要。

茅洲河底泥处理采用泥砂分离池+固液分离池预处理工艺，底泥脱水固化采用板框压滤机工艺，余水处理采用超磁分离净化工艺，整套工艺缓冲能力强、效率高，脱水的底泥(泥饼)物理力学参数较好，环保指标满足要求，达到了减量化、稳定化、无害化、资源化的处理处置目标，解决了茅洲河流域水环境综合治理内源污染治理的难题，可为类似工程提供借鉴。