水利清淤工程底泥及余水处理一体化设计

　　摘 要：为验证水利清淤工程底泥及余水处理一体化设计的应用效果，以某水库为例，对清淤底泥及余水处理的效果进行分析。该水库清淤项目拟通过前端添加絮凝剂、助滤剂等对泥浆调理后，经板框压滤机完成淤泥脱水，实现泥饼含水率≤45%，同时维持余水的pH值在6~9之间;产生的余水在添加多功能高分子絮凝剂后，经高速絮凝反应沉淀去除总磷(TP)和大部分悬浮物(SS)，之后再通过脱氮分子筛矿物吸附过滤，进一步去除氨氮(NH4-N)和SS，处理后最终要求TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH6~9、SS≤30mg/L。结果表明，一体化处理系统可使泥饼和余水均达到验收要求，余水处理系统总计可分别减少TP、NH4-N、SS排放量高达0.99t、6.10t、70.4t，该系统对于水库清淤工程具有一定的推广应用价值。

　　关键词：清淤;底泥;脱水;余水处理

　　0 引言

　　截至2019年，我国已建成各类水库98112座[1]，但由于减少入库泥砂及排砂设计的缺乏，水库在运行较长时间之后产生淤积已成为普遍现象[2]。水库淤积一方面会大大削减其有效库容，缩短其使用寿命，引起下游河床冲刷[3]，并进一步引起灌溉、防洪、供水、发电等效益的下降[4]，同时还会对坝址的良好水文、地质条件造成浪费;另一方面，水库淤积底泥是氮、磷、有机质、重金属、有机污染物等的“源”与“汇”，外源输入的这些污染物进入水库水体后，最终会蓄积在底泥中，同时当外界环境条件发生改变时，这些污染物又会通过沉积物-水界面向水体释放而形成二次污染，即使通过控源截污等措施，使外源污染得到有效控制，底泥的内源释放也会造成水库的水质恶化[5-6]。

　　因此，对水库合理开展清淤工作，使其能够充分发挥功能并延长使用寿命，同时遏制底泥的内源污染，是一项十分必要的工作。由于水库清淤将产生大量的泥浆，这些泥浆具有较强的流动性和较大的含水量，直接外用极易洒、漏而污染环境，而直接填埋不但会占用大量宝贵的土地资源，遇到暴雨时还很容易引起周边的山体滑坡和泥石流，因此必须对这些泥浆进行脱水减量处理，与此同时，对脱水过程产生的余水，必须经妥善处理后达标排放。综上，有必要开展水利清淤工程底泥及余水处理一体化设计研究。为验证水利清淤工程底泥及余水处理一体化设计的应用效果，以某水库为例，对清淤底泥及余水处理的效果进行分析。

　　1 项目概况

　　某水库库区水体总磷污染程度较为严重，且富营养化程度较高，局部区域伴有水华发生，其水质不能满足水功能区划的要求。与此同时，通过调查发现，该水库底泥含磷量是长江中下游湖泊、长江河口水库、滇池等国内湖库的5~15倍之间，且底泥中内源磷的释放对水库水质已产生不可忽视的影响。因此，本项目拟在采取控源截污的基础上，对水源地水库开展污染底泥清淤，清淤总量约20.25万m3，清淤面积约0.95km2，余水深度处理量约88万m3。

　　根据该项目的验收要求，工艺流程对清淤泥浆及余水进行处理，即前端添加絮凝剂、助滤剂等对泥浆进行调理后，通过板框压滤机完成淤泥脱水，实现泥饼含水率≤45%，同时维持余水的pH值在6~9之间;产生的余水在添加多功能高分子絮凝剂后经高速沉淀池沉淀，去除TP和大部分SS，之后再通过脱氮分子筛过滤器的矿物吸附过滤，进一步去除NH4-N和SS，余水处理后最终要求按照GB3838-2002《地表水环境质量标准》III类标准(即TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH值在6~9之间，另外还要求SS≤30mg/L)直接排放至原水库。

　　根据现场长时间的实测数据：该水库清淤过程进入余水处理系统的进水氨氮指标范围在4.87~10.9mg/L，平均氨氮含量为7mg/L;进水pH指标范围在7.1~7.6之间，平均pH值为7.33;进水SS指标范围在22.5~335mg/L之间，平均SS含量为95mg/L;总磷含量在1.00~1.32mg/L之间，平均总磷含量为1.18mg/L。

　　2 主要构筑物及设计参数

　　沉淀池1座，钢筋混凝土结构，总容积2250m3，储存清淤泥浆，并进行初步泥水分离。待压罐2个，碳钢结构，单个容积50m3，调理泥浆，改善泥性。板框压滤机2台，过滤面积600m2，对泥浆进行脱水，降低其含水率。

　　调节池1座，碳钢结构，尺寸为10.0m×9.0m×4.0m，有效水深3.5m，用于稳定余水的进水水量和水质。高速絮凝反应沉淀池1座，碳钢结构，尺寸为9.8m×4.8m ×4.0m，配合多功能高分子絮凝剂进行混凝反应，通过三级搅拌后，采用斜管沉淀，去除余水中的悬浮物和总磷。中间水池1座，碳钢结构，尺寸为5.0m×5.0m×4.0m，中转高速絮凝反应沉淀池的余水进一步至后续脱氮分子筛过滤器。污泥池1座，碳钢结构，尺寸为5.0m×5.0m×4.0m，储存高速絮凝反应沉淀池的污泥。脱氮分子筛过滤器2座，碳钢结构，尺寸为Ф4.0m×4.0m，采用矿物吸附过滤，去除余水中的氨氮和悬浮物。

　　3 运行效果

　　参照GB/T50123-2019《土工试验方法标准》，对压滤泥饼的含水率进行连续5d的测定。可以发现，泥饼含水率均≤45%，已达到验收要求。在正常生产运行期，参照HJ/T91-2002《地表水和污水监测技术规范》于总排口采集水样并带回实验室立即测定，进行为期3d的出水水质指标监测。可以发现，TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、SS≤30mg/L、pH值在6~9之间，已达到验收要求。

　　4 系统运维要素分析

　　系统运行的主要影响因素有絮凝剂的使用、助滤剂的使用等。对于上述影响因素，运行维护过程中应注意以下要点。

　　4.1 絮凝剂的使用在调理泥浆时，正式投入使用前，需先通过实验确定最佳用量，用量过低，絮凝作用不明显，而用量过高，则会起反作用，超过一定浓度时，甚至会分散稳定絮体，此外，絮凝剂用量过多还会造成板框压滤机的泥饼粘布现象。

　　同时絮凝剂应溶解在中性不含盐的水溶液中，配置比例以1‰~2‰为宜，溶解时先充分搅拌起水体后再缓慢、均匀添加絮凝剂干粉，避免出现大块絮团及鱼眼现象而引起管道、泵的阻塞。絮凝剂需现配现用，但其溶解相对较慢，因此可通过搅拌和适当加温加速其溶解，搅拌速度可控制在50~250r/min，搅拌速度不能过快，避免产生较大的剪切力，使絮凝剂分子链断裂而影响其絮凝性能，同时水温不得超过60℃。

　　与此同时，输送絮凝剂溶液时，应选用螺杆泵等低剪切泵，不宜选用离心泵。为进一步稳定进入板框的泥浆比重，可在沉淀池、待压罐等多处投加絮凝剂。在余水处理使用多功能高分子絮凝剂时，通过干粉直接投加，三级搅拌需先快速搅拌3~5min，使药剂充分反应形成明显絮状物，再慢速搅拌，进一步使絮状物相互接触生成大矾花并由此聚集成团状沉淀。同时，絮凝剂添加量的参考值为100~200mg/L，现场应通过实验确定最佳用量，用量过低则对TP和SS的去除率不够，用量过高则会增加处理成本。

　　4.2 助滤剂的使用合理使用助滤剂可大幅提高板框的压滤效率，应通过小试和中试试验确定助滤剂的最佳用量，助滤剂用量过低，压滤效率提升不明显，生产效率达不到要求，影响工期;助滤剂用量过高则会增加生产成本，同时还会增加泥饼的体积，对后续泥饼的消纳产生影响。此外，助滤剂的种类也应谨慎选择，避免因使用助滤剂而显著改变余水pH值，从而提高后续余水处理的成本。

　　4.3 材料、设施更换为保证生产效率及处理效果，应及时更换材料及相关设施，如定期检查滤布的使用情况，及时更换不符合使用要求的滤布;定期对过滤器中的滤料进行反冲洗，一般6个月还需更换一次填料等。

　　4.4 停留时间沉淀池、调节池、高速絮凝反应沉淀池及脱氮分子筛过滤器等均应在调试期通过试验确定合理的停留时间，如高速絮凝反应沉淀池的静置沉淀可在10min左右完成，过滤器中的滤速应维持在4~6m/h左右等。停留时间过长，则处理效率较低，难以匹配工期;停留时间过短，则反应不完全，处理效果较差。

　　4.5 其他在系统运行过程中，应做好应急措施，如出水不达标，可通过管路将出水回流至调节池重新处理等。

　　5 环境效应分析

　　通过清淤可大大降低该水库底泥内源磷的释放，避免其进一步引起水质恶化，甚至发生水华。此外，清淤泥浆通过处理后含水率≤45%，经检测合格后可进行资源化利用或外运，由此可大大减少对土地资源的占用，絮凝剂及助滤剂对泥饼的固化作用还可以避免其泥化产生二次污染。根据设计水量计算，余水处理系统可分别减少TP、NH4-N、SS排放量高达0.99t、6.10t、70.4t，保障了还库水的水质，环境效应十分明显。

　　6 结论

　　(1)实践应用表明，底泥及余水处理一体化系统可以有效地将清淤泥浆处理至含水率≤45%，同时使余水TP、NH4-N、pH等处理达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》III类标准(即TP≤0.2mg/L、NH4-N≤1.0mg/L、pH6~9)、使余水SS处理至≤30mg/L。一体化处理系统可使泥饼和余水均达到验收要求，该系统对于水库清淤工程具有一定的推广应用价值。(2)按设计余水处理量计算，余水处理系统总计可分别减少TP、NH4-N、SS排放量高达0.99t、6.10t、70.4t，保障了还库水的水质，环境效应十分明显。(3)实际运行过程中，需要对各运维要素多加调试，并根据不同泥浆浓度及不同余水水质水量对絮凝剂、助滤剂、停留时间等及时做出调整，在提升系统处理效果和处理效率的同时，控制处理成本。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国水利部.2019年全国水利发展统计公报[M].北京：中国水利水电出版社，2020.

　　[2]曹慧群，李青云，黄茁，等.我国水库淤积防治方法及效果综述[J].水力发电学报，2013(6)：183-189.

　　[3]吾凯依马木.水库管理中的淤积控制技术及其策略[J].水电水利，2021，5(3)：28-29.

　　[4]任岗，张文芳.水库清淤的必要性与可行性分析[J].浙江水利科技，2010(6)：34-35.

　　[5]范成新.湖泊沉积物-水界面研究进展与展望[J].湖泊科学，2019，31(5)：1191-1218.

　　[6]杨赵.湖泊沉积物中氮磷源——汇现象影响因素研究进展[J].环境科学导刊，2017，36(S1)：16-19，29.

　　作者：苏海龙1，刘祥兵1，王 毅2*，陈益人2，曾凡荣1，李 瀚1，曹 洪1

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jjlw/29627.html