长春市伊通河北北段底泥清淤处理处置设计探讨

孙研， 穆玉峰

（1.南京市水利规划设计院股份有限公司， 南京 210000； 2.南京市市政设计研究院有限责任公司， 南京 210000）

随着2015 年国务院颁布的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）实施的不断深入， 各地区对城市河道治理纷纷加大力度。 2016 年长春市颁发了《长春市落实水污染防治行动计划工作方案》（简称“方案”）， 方案提出： 到2017 年， 建成区基本消除黑臭水体； 到2020 年， 饮马河、 伊通河、 卡岔河、沐石河等水质消灭劣Ⅴ类。 水体治理措施包含控源截污、 内源治理、 生态修复、 活水保质。 其中内源治理强调在综合调查评估河道水质和底泥污染状况的基础上科学实施清淤疏浚， 妥善对底泥进行处理处置， 防止二次污染［1-3］。 本文通过对实际项目内源污染存在的问题分析， 针对性地采取不同的处理处置措施， 合理、 高效地解决内源污染问题， 为河道内源治理提供相关的工程经验。

1 项目概况

长春市伊通河北北段（以下简称“北北段”）位于长春市区下游， 南起四化闸， 北至万宝拦河闸， 全长约13 km， 其中， 四化闸至一间堡铁路桥段长约5.5 km， 现状河道水面较宽（128 ～639 m）； 一间堡铁路桥至万宝拦河闸段长约7.5 km， 现状河道水面较窄（29 ～162 m）。 由于上游及支流水质较差（劣V类）， 沿线点源污染、 面源污染汇入量大， 河道流速缓等多方面原因， 导致河道底泥淤积严重， 底泥中CODCr、 氨氮、 TP、 汞、 镉、 有机物滴滴涕（DDT）等污染物超标， 水质长期呈劣V 类。 该河道整治工作于2016 年开始， 通过控源截污、 内源治理、 生态修复等措施， 确保2020 年底北北段水质达地表V 类水标准。

2 采样方法

采用方格网法布置底泥采样点， 网格间距50 m， 将河道分为若干单元格， 各单元格顶点对应取样点， 每个采样点沿深度方向每间隔20 cm 取1 个样品， 共取样品1 457 个。 采样后， 于-20 ～4 ℃冷冻保存， 并于14 d 内完成样品检测。

3 存在问题及分析

3.1 底泥量大

根据北北段工程测绘单位及水利设计院提供数据： 四化闸至一间堡铁路桥段底泥总量为363.08万m3， 其中水利设计高程之上的底泥量为182.44万m3， 水利设计高程以下底泥量为180.64 万m3；一间堡铁路桥至万宝拦河闸段底泥总量为74.11 万m3， 其中水利设计高程之上底泥量为39.33 万m3，水利设计高程之下的底泥量为34.78 万m3。

3.2 底泥中污染物释放速率高

对进入北北段的污染负荷分析、 计算分配， 要求底泥内源污染治理完成后， 北北段河道底泥中污染物CODCr、 氨氮、 TP 的目标释放速率分别为300、 80 和25 mg／（m2·d）。 对底泥污染物进行释放试验， 测得其中污染物CODCr、 氨氮、 TP 的释放速率分别为660、 160 和70 mg／（m2·d）， 3 个污染物指标均高于目标释放速率。

对河道底泥进行静态检测， 结果显示： 水利设计高程处有机质含量为0.06%～5.4%， 总氮含量为1 030 ～ 3 840 mg／kg， TP 含量为530 ～ 3 740 mg／kg。 参考DB 12／499—2013《中新天津生态城污染水体沉积物修复限值》［4］对于上述物质浓度的环境管理允许限值， 底泥中的有机质含量除一个点位外均不超标； 总氮含量除2 个点位外均超标， 平均超标1 倍； TP 含量全部超标， 平均超标1.4 倍。

3.3 底泥中重金属含量超标

根据某检测公司对北北段底泥的分析报告， 参照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》三级标准，四化闸至一间堡段底泥中重金属汞、 镉超标的样本数占样本总数的比例分别为33%、 43%， DDT 的超标比例为64%， 超标的重金属镉、 汞、 DDT 主要集中在表层60 cm 的底泥中； 一间堡至万宝闸段底泥重金属汞、 镉超标的样本数占样本总数的比例分别为6.25%、 0.62%， 而汞、 镉的浓度平均值远小于GB 15618—1995 三级标准中的相关限值。 因此，需对四化闸至一间堡段上层60 cm 重金属超标底泥采取必要的工程措施。

3.4 浸出液分析

北北段底泥样品浸出液的检测结果见表1。

表1 底泥浸出液检测结果对比Tab. 1 Comparison of sediment leaching solution test results

由 表1 可 知， 检 测 项 目 均 低 于GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》中相关标准限值， 经鉴别本工程河道底泥不属于危险废物，可参照一般工业固体废物， 执行GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、 处置场污染控制标准》，在妥当位置卫生填埋即可； 浸出液中重金属浓度未超过GB 8978—1996《污水综合排放标准》中污染物最高允许排放浓度限值， 无需特别处理。

4 清淤方案

北北段河道底泥量大， 且表层60 cm 底泥重金属含量超标， 底泥需分层清淤。 考虑到东北地区冬季施工情况， 选择围堰排水干式清淤， 该方式清除的底泥固化前后体积变化较大， 体积缩减15.2%［5］；此法易于控制清淤厚度， 施工效率高， 冬季施工不受河道结冰的影响， 易于观察清淤后河底状况。

5 工程设计

5.1 重金属超标底泥处理处置

北北段重金属超标底泥量为91.24 万m3， 根据长春市环境保护局批复的底泥环境影响评价报告，重金属超标部分底泥需先固化再运至填埋场填埋。

5.1.1 固化剂选择

常用的固化方法主要分为5 种： 水泥固化法、石灰固化法、 热塑性微包胶固化法、 聚合型固化法、 镁系固化剂固化法。 其中热塑性微包胶固化法对设备及技术要求高， 且需底泥先减量化［6］； 聚合型固化法在操作过程中会使重金属溶出， 固化物老化破碎后， 污染物可能再进入环境［7］。

对水泥固化剂、 石灰固化剂、 镁系胶凝固化剂（M1 固化剂）从固化后体积变化、 无侧限抗压强度（不小于25 kPa）及重金属固化效果3 个方面进行试验分析， 结果如下：

（1） 水泥固化剂的添加量在20% 时的无侧限抗压强度达58.2 kPa， 但固化后体积增加明显［8］（增容比达1.52）， 且固化重金属效果不佳。

（2） 石灰固化底泥的无侧限抗压强度较差（小于20 kPa）， 固化后体积增加明显， 且在添加量较大时， 污泥的pH 值偏碱性， 底泥的恶臭气味增加， 重金属有析出现象。

（3） M1 固化剂的固化效果较好， 未检测出有重金属析出， 固化后底泥体积不增加； 添加量为15%时的无侧限抗压强度大于100 kPa。

综上所述， 选择镁系胶凝固化剂（M1 固化剂）为最终底泥固化药剂， 固化前后SEM 照片如图1 所示， 固化前底泥结构呈繁花状， 固化后底泥结构呈晶体形态且彼此相互交叉连结成网状结构， 含水率降低， 内部结构发生变化， 固化后整体体积不增加。

图1 底泥固化前后SEM 照片Fig. 1 SEM images of sediment before and after solidification

5.1.2 固化相关参数确定

北北段中重金属超标底泥进行固化处理后需满足以下2 项指标： ①满足运输和填埋堆放要求， 暂按无侧限抗压强度25 kPa 考虑。 ②固化后底泥浸出液中的重金属含量以满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中V 类标准和GB／T 14848—93《地下水质量标准》中Ⅲ类标准为处理目标。

现场进行试验对固化后的底泥检测上述2 项指标， 针对固化剂的投加量和固化后时间进行正交分析， 从而确定满足上述指标的最佳固化剂投加量和固化时间。

对取样样本进行底泥浸出液结果测试和强度测试， 结果如表2 所示。

表2 固化底泥浸出试验结果Tab. 2 Leaching test results of solidified sediment

无侧限抗压强度检查结果见表3。

表3 无侧限抗压强度检测结果Tab. 3 Unconfined compressive strength test results

根据试验结果， 同时参照GB／T 14848—93 中Ⅲ类标准， 当固化剂掺加量为15%、 养护72 h 后表明能满足标准要求。 养护24 h 后强度试验结果表明能满足装车运输要求， 可在24 h 后运至填埋场， 在填埋场内再进行养护。

综上所述， 固化剂掺加量暂定15%， 采用M1固化剂， 掺加量暂定为130 ～165 kg／m3， 具体工程中再进行调整。

5.1.3 底泥填埋场设计

对长春周边地区进行走访， 选择德惠市米沙子镇兰家村机砖厂（简称“兰家填埋场”）、 沃皮乡唐障子村5 社机砖厂（简称“沃皮填埋场”）取土坑为最终底泥填埋场建设点。 填埋场底部均设有滤液收集系统， 收集系统由主管（DN 300 mm HDPE穿孔管）与支管（DN 200 mm HDPE 穿孔管）成鱼刺形布置， 滤液经收集系统后进入收集池， 定期由罐车送至北郊污水厂处理。

兰家填埋场占地面积约为9.52 hm2， 底部设有3 排主管， 主管间距约为120 m， 支管间距约为30 m， 共需主管758 m， 支管1 859 m； 沃皮填埋场占地面积约为11.27 hm2， 底部设有3 排主管， 主管间距约为130 m， 支管间距约为25 m， 共需主管822 m， 支管2 408 m。

填埋场防渗采用复合土工膜＋天然钠基防水毯＋复合土工膜的形式。 填埋场由下往上结构依次为： 夯实基础层； 100 mm 细砂； 7 mm 长丝复合排水网格； 600 g／m2复合土工膜； 5 000 g 天然钠基防水毯； 600 g／m2复合土工膜； 40 cm 厚卵石层（d ＝20 ～60 mm）及HDPE 穿孔管； 7 mm 长丝复合排水网格； 400 g／m2长丝土工布； 固化底泥层（7 ～9 m）； 300 mm 黄粘土层； 800 mm 种植土层。

5.2 非重金属超标底泥处理处置（水利高程之上）

根据现场实际情况并结合伊通河北北段水利及景观的用土需求， 北北段河道内非重金属超标底泥采用生态土工管袋脱水后回填于一间堡至万宝闸西岸滩地。 单个袋体宽度为13.75 m， 长度为30.6 m，充填高度为2.3 m， 固结高度为1.7 m， 固结袋体容积为715 m3， 共需要生态土管数量约2 178 个。

5.3 非重金属超标底泥处理处置（水利高程之下）

北北段底泥量较大， 全部清淤处理工程量大，处置困难。 根据底泥污染物含量测定结果可知， 水利高程处全氮、 全磷仍超标， 因此采用生态河床构建及污染物阻隔的组合方式降低底泥中污染物对水体的影响。

5.3.1 生态河床构建

在四化闸至水利桩号K1＋800（有效水深0.83 ～2.08 m）之间设置生态河床， 平面布置如图2 所示。具体设置如下：

图2 生态河床平面布置Fig. 2 Ecological bed layout

（1） 沉水恢复面积： 643 000 m2；

（2） 微生物生长基布置： 四化闸下游布设面积为60 400 m2， 东新开河入河口布设面积为86 310 m2； 总布置面积为146 710 m2；

（3） 生态砾石床： 20 000 m2。

5.3.2 河床覆盖阻隔

在水利桩号K1＋800 至一间堡铁路桥段有效水深超过2 m， 不利于生态河床的构建， 对该区域采取环保清淤， 清淤厚度为50 cm， 保证河床覆盖后河底标高不超过水利设计高程， 清淤后再采用“碎石＋石笼”的方式覆盖， 一定程度上降低淤泥中污染物向水体中释放速率， 同时也为水生动物提供适合繁殖生长的环境。 碎石部分厚200 mm， 上部石笼厚300 mm（石笼网中填充粒径50 ～200 mm 山皮石）。

6 结语

此次对伊通河北北段底泥的处理处置采用清淤、 生态河床构建、 污染物阻隔等多种措施， 实现了内源污染控制。 通过对工程项目的分析与设计， 形成以下主要结论：

（1） 伊通河北北段底泥量较大， 且底泥中CODCr、 氨氮、 TP 的释放持续影响着河道水质， 四化闸至一间堡段底泥中重金属汞、 镉超标比例分别为33%、 43%， 有机物DDT 的超标比例为64%，超标的重金属镉、 汞、 DDT 主要集中在表层0.6 m以内的底泥中。

（2） 本工程清淤采用围堰干式清淤法， 施工工艺简单， 清淤淤泥含水率较其他清淤方式更低。

（3） 合理、 高效地处理处置北北段底泥是本次工程的重要内容： 对水利高程之上重金属超标部分底泥采用固化＋卫生填埋的方式， 固化剂采用镁系固化剂， 掺加量为15%（质量比）， 固化后24 h 转运至兰家乡与沃皮村2 座填埋场； 对水利高程之上非金属超标部分底泥采用生态土工管袋脱水后结合水利与绿化用土需要进行土方消耗； 对水利高程之下部分底泥采用生态河床构建与污染物阻隔相结合的方式减少底泥清淤及处理处置量， 降低投资， 缓解财政压力。