技术探究 | 底泥环保疏浚的方法与污泥处理

底泥疏浚能高效去除底泥中的污染物，为水生态修复打好基础。环保疏浚(environmental dredging)是疏浚工程和环境工程相交叉的边缘工程技术。环保疏浚是指以减少底泥(又称沉积物)内源负荷和污染风险为目标，用机械方式，将富含污染物(如营养物、重金属和有机污染物等)的指定量上层沉积物进行精确、有效和安全清除的技术，并考虑为水生生物的恢复创造条件。这项起源于日本和欧美的水污染防治技术，经过约50年的研究和发展，已形成了一个将科学与技术紧密联系的湖泊水环境治理门类。环保疏浚从1990s末引入我国以来，就成为我国湖泊污染治理的主要技术手段之一。自1998年在滇池草海开展污染底泥疏挖及处置项目起，环保疏浚工程已在包括太湖、滇池、巢湖在内的我国100多个湖库的富营养化控制、黑臭治理及生态修复中开展，发挥了一定的积极作用。但是环保疏浚却一直伴随着对效果的质疑，不断引发争议。这就更使得该项用于水环境改善为目的的技术需要具有更高、更严的决策水平。底泥是否需要疏浚？如何判定？“是否疏浚”是环保疏浚首先要回答的问题，它不是简单地比较污染物的含量，而是建立在底泥污染程度和生态效应风险基础上，进行必要性评估分析后给予的客观回答。湖泊“是否疏浚”的问题一般是从水体生态服务功能的逐步降低或丧失被提出的，因此，底泥是否已对水质产生污染或是已对生物产生生态风险往往作为疏浚必要性的主要判据。富营养化是最常见的湖泊污染类型，也是国内外环保疏浚最需要解决的水环境问题.早期确定疏浚的必要性主要依据的是底泥中目标污染物含量. 1969年世界上首个以水环境改善为目的的湖泊疏浚(日本诹访湖)，就是以底泥中总磷(TP)含量过高为主要依据而决定实施的。但是，不同流域其自然和人类活动的历史、类型和程度，以及受环境影响的生物种类差异大，使得包括我国在内的绝大多数国家尚未能建立起湖泊沉积物的质量标准，在富营养化湖泊的疏浚必要性决策中，底泥中氮、磷等营养物含量往往仅作为重要参考湖泊底泥中的部分或大部分磷和氮通常视作水柱的磷源或氮源，氮、磷经由解吸或生物地球化学转化解离进入间隙水，继而通过沉积物-水界面迁移进入水柱，对湖泊富营养化进程产生影响。近20年来，国内外对富营养化湖泊疏浚必要性判断的研究，基本向着获取底泥内源释放风险信息(如释放速率和界面扩散通量等)方向发展。在“十五”国家“863”太湖环保疏浚方案研究子课题中，中国科学院南京地理与湖泊研究所曾对太湖五里湖沉积物原柱样在不同温度条件下氮、磷的释放强度进行了研究，据此推荐的太湖底泥环保疏浚的最小氮(铵态氮(NH4+-N))、磷(磷酸盐磷(PO43--P))释放参考阈值分别为50和1.0 mg/(m2·d)，并作为重要参数应用于《江苏省太湖生态清淤工程项目建议书》。由于污染底泥的空间异质性，因此占比高的氮、磷内源污染负荷贡献，往往也是富营养化湖泊疏浚必要性的重要依据。但用于疏浚决策的必要性研究，现阶段基于原柱样的技术方法是推荐的方法。疏浚多少如何确定？“疏浚多少”看似是个一般工程方量的设计问题，但从环保疏浚研究而言，疏浚方量的设计却是环保理念指导底泥疏浚工程的精髓所在，需要通过精细的研究、周密的计划和合理的确定并通过各种方式表达出来的过程，以面积和深度的物理量给予确定。特别是对于大中型湖泊而言，底泥的污染有明显的空间异质性，具有污染风险的底泥主要在部分湖区分布，并且越是接近表层，底泥中污染物含量和风险越高。湖泊底泥污染物这种集中分布特征，实际上也为疏浚技术的应用提供了可能，但如何合理确定湖泊环保疏浚范围和深度这两个关键物理量，却非一般工程设计可以获得，需要科学的理论指导和方法支持。 湖泊环保疏浚范围的确定方法疏浚范围确定实际包含了“在哪疏浚”和“疏浚多大”两个问题。一般认为，回答“在哪疏浚”的问题需要了解湖泊污染源和污染物分布特征，对于控制湖泛的环保疏浚，由于“黑水团”具有移动性，出现黑臭的水域不一定是湖泛的原发地，甚至有些区域湖底没有明显的软性底泥，这就需要了解湖底的底泥分布、流场特征等情况。另外，对高等水生植物繁茂区、鱼类繁育区、底栖生物富集区等生态良好区，以及水工设施附近、无底泥区等，在疏浚范围判定时还应予以排除。“疏浚多大”需要回答的是疏浚范围或面积的问题.环保疏浚范围的确定国内外研究相对较少，大多是依据表层底泥的污染物分布特征勾画出疏浚范围和面积。湖泊环保疏浚深度的确定方法疏浚深度是环保疏浚研究中最主要关键性参数之一。疏浚深度确定的合适与否直接关系到环保疏浚的效果好坏及工程费用的高低，被认为是环保疏浚研究的焦点所在。但关于环保疏浚深度，国外却尚未有合适的方法可以借鉴，多是理念性或定性的，主要关注的是生物种群的保护和重污染部分的去除，可操作性较低。一般而言，底泥中污染物含量随着深度的加大而逐渐降低.如果疏浚深度过小(相当于施工中欠挖)，底泥释放和生态风险并未实质性消除，疏浚效果难以得到保证和长效维持；而过大的疏浚深度(相当于施工中超挖)，则不仅会使疏浚成本增加，还可能对湖底部生态系统造成破坏，增加后期生态修复的难度。国际上关于疏浚深度的研究，相关成果主要来自我国.在多年的研究中，已推出了近10种方法，从单一技术上分，主要有视觉分层法、拐点法、背景值法、标准偏差倍数法、频率控制法、生态风险指数法、分层释放法、吸附解析法等方法。我国研发或应用的环保疏浚深度(h)单一性确定方法示意图(A视觉分层法；B拐点法；C背景值法；D频率控制法；E标准偏差倍数法；F生态风险指数法；G分层释放法；H吸附解析法)

疏浚工艺如何选择？疏浚是一类应用水力或机械的方法，挖掘水下的土石方并进行输移处理的工程.环保疏浚的对象是(软性污染)底泥，外力使其以泥块或泥浆的状态从原位移除，并通过水面上的设备运出到湖体以外区域处理处置。疏浚中因刀具或流体对底泥的剪切和湍流会产生颗粒再悬浮，其中大颗粒物在重力作用下会迅速回落到泥层表面，较小颗粒则会在水体中扩散迁移直至沉降。疏浚中扰动扩散的颗粒物和残留的疏浚物，将会对周边水环境质量和生物体产生影响，降低疏浚后的污染控制效果，需要一定防护措施。因此，在疏浚实施前，疏浚方式、疏浚工具、定位装置、防扩散装备等疏浚工艺的选择，也是环保疏浚决策所必须要考虑的研究内容。

底泥疏浚分干法和湿法两大类。 干法疏浚干式方法又称排干法或空库法，即将整个湖区或围堰分隔水体中的水排干，用推土机推积、车辆装载运出；或用高压水枪冲淤等将底泥与水体混合推积于低洼区，再用输送泵将泥水抽走.前者也称机械疏浚，后者为水力疏浚。

1997年11月-1998年3月为改善南京玄武湖湖泊水质，进行了11次干法疏浚，主要采用建围堰分湖区机械疏浚方式，设计疏浚深度30 cm，共清除湖泥87万m3。2002年底-2003年初的西安兴庆湖疏浚也是采用高压冲淤。干法疏浚的优点是将水下施工的隐蔽工程变成陆上直观施工，施工中规避了再悬浮对水体的影响，而且对地形起伏大、杂物多的底部能以可视和无死角的方式进行作业，缺点是几乎难以按照确定的环保疏浚设计的几何尺寸进行污染底泥的有效清除，残留率高，超挖和欠挖发生概率大；残留污染底泥易与清洁底泥混杂，污染控制的效果一般不甚理想。 湿法疏浚湿法疏浚又称带水或水下疏浚，该法需要将疏浚机械安装在可移动的作业船上，通过疏浚工具，如斗、吸头或刀头等，将污染底泥清除出水体。具有环保理念的疏浚方式基本来自湿法疏浚，在底部杂物不多且疏浚面积不是非常小的情况下，湖泊环保疏浚的设备选型，实际上就是根据湖泊水深、底泥性质、疏浚泥深、工期，低扩散低残留等工艺和环保要求，对需要疏浚船疏浚的挖掘方式的选择。

湿法疏浚主要分抓斗式、链斗式、铲斗式、泵吸式、耙吸式、绞吸式和斗轮式等疏浚方式，其中耙吸式、绞吸式和斗轮式都属于吸扬方式.这些湿法疏浚设备具有不同的工作原理及优缺点，疏浚决策可根据污染物控制目标及疏浚水体自身的环境条件选择适合的疏浚工艺设备.虽然湿法疏浚有多种方式，从施工效率、经济性、适应性和环保性等方面，不同疏浚方式各有所长，但真正在湖泊中应用较多的主要有抓斗式、泵吸式和绞吸式 不同常用疏浚方式优缺点比较污泥如何处置？目前，国外底泥处置方式基本有以下4种：开放式水体处置该方法将沉积物通过管道、船舶或车辆运输到其它河流/湖泊/海洋。要求沉积物未被污染，同时需要对受纳水体进行评估，不适于处置污染河道的底泥。限制式处置将沉积物放入与附近水体隔离并且筑堤的洼地，进行卫生填埋。利用处置将污泥用作建筑材料或者路基材料，以代替粘土。美国一些地区将一些疏浚物用于修建码头、建造湿地、作为水泥添加物。但这种处置方式可能会使底泥中污染物造成二次污染。原位修复原位修复包括以下几种类型：利用生物—生态修复技术在原地直接吸收、降解污染物;通过在底泥表面铺放一层或多层清洁泥沙等天然矿物，使污染底泥与上层水体隔离，从而阻止底泥中污染物向水体迁移;通过向水体底泥投放化学药剂，使表层底泥固化、稳定化，形成一个底泥覆盖层，阻止深部底泥中污染物向上迁移。该处置方式的缺点是不能提高河道防洪排涝能力。总体来说，国外对底泥进行原位处置的占比很高，以美国1982-1999年底泥处置工程统计为例，其中58%是异地处置，42%是原地处置。相比之下，我国基本上还是以异地处置为主。结论和建议重视底泥的调查(泥量、泥质)建议泥质调查应分成两个阶段，初步调查和详细调查，每个阶段实施前制定详细的调查方案，建议制定底泥污染调查的规范。综合平衡运输费用和处理费用的关系对于运距较远的项目，应在现场最大限度降低含水率。至少一个污泥填埋厂或者堆置厂是必要的底泥的含水率>60%时，强度很低，需要对关注填埋的岩土力学问题。参考文献：范成新 , 钟继承 , 张路 , 刘成 , 申秋实 ：湖泊底泥环保疏浚决策研究进展与展望