汉沽污水库的疏浚试验运用环保构思
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汉沽污水库占地为2.56km2,接纳现代产业区污水30余年,在完成保护蓟运河灌溉用水水质的历史使命的同时,也形成了一个环境污染严重、生态条件恶劣的水域,制约了周边地区的社会经济发展。中新生态城选址在天津滨海新区汉沽和塘沽两区之间,面积约为30km2。该区域在天津滨海新区中部,东至汉北公路与规划中央大道,西至蓟运河,南至永定新河入海口,北至规划的津汉快速公路。在生态城的总体规划中以蓟运河与蓟运河故道围合的区域为生态核心区,定义为生态城的生态核,而治理后的污水库又是生态核的核心,并将改造为生态景观水体,成为这座生态宜居新城的一道人与自然和谐相处的风景线。
在污水库底泥治理的可研阶段制定了环保疏浚、土工管袋脱水减容和固化稳定化处理的底泥处置工艺技术路线,该工艺技术路线的确定是在实验室小试的基础上完成的。由于该工程规模庞大,同时对于生态城的整体建设意义重大,因此在工程实施前进行了现场扩大试验。
1污水库污染现状
污水库承接汉沽城区的全部生活污水和工业废水以及天津经济技术开发区的化学工业区工业废水,工业废水内的难降解物质导致库内水域氨氮、化学需氧量等指标严重超标,库底大量堆积的沉积物也已成为主要污染源,水体严重富营养化,基本丧失了水生高等植物的生存条件,水体形成恶性循环,水生态系统快速退化。
2工程地质条件
在污水库的本底调查阶段,对污水库217个底泥钻孔岩性的观察和分析发现,污水库底泥普遍具有十分明显的三段式层序结构,各层的主要沉积特征为:①顶部流动浮泥层。呈黑色絮凝状,以粘土质和细粉砂质的悬浮颗粒为主,粒径较细,置于水中稍加搅动就能产生再悬浮使水体变混、变黑。②中部黑色粉砂粘土质泥层。以黑色黏土、粉砂及细砂沉积物为主,平均粒径在为5~11μm,平均粒径大小主要与地形等沉积环境有关,有机质含量较高,有明显臭味,从土壤机械性能判断,基本上属于重壤土和轻粘土之间。③底部棕黄色泥层。以棕黄色自然沉积物为主,含水量较低,绝大部分监测点属于海相沉积,质地致密,绝大部分样点平均粒径在6~9μm之间,无异味,含有少量贝壳和螺壳碎片,水平层发育。总体上看,污水库底泥各层之间物理性质差别不大,总体性质介于重壤土和轻粘土之间,均属于粘质滨海盐土。这一土壤性质对抑制污水库表层污染的垂直扩散具有重要意义,但由于颗粒较细,土壤比表面积大,对污染物具有较强的吸附作用,从而给污染底泥的修复增加了难度。
3疏浚工程设计
3•1疏浚工程规模
①疏浚区面积底泥疏浚区位于污水库西侧,疏浚区为120m×120m的方形区域,面积为1.44×104m2。②疏挖深度根据污水库本底调查的结果,该疏浚区域内底泥污染厚度为0.8~1.2m,污染泥层底标高变化范围不大,一般为1.5~1.8m(大沽水平),最低点为1.4m,根据污染泥层底标高的分布,按照完全清除污染底泥的原则,确定了本次疏浚以最低点(1.4m)为基准,挖除全部顶部流动浮泥层和中部黑色粉砂粘土质泥层。③疏浚底泥总量疏浚主要设计参数:设计允许平均超挖深度为0.1m;设计允许平均超挖宽度为2.0m;设计开挖边坡坡度取1∶5。采用平均水深法,按下式计算疏浚底泥总量:V=(B+2ΔB)×L×H+(h左)2×m2×L左+(h右)2×m2×L右(1)式中V———挖槽土方量,m3B———挖槽宽度,mΔB———挖槽边线超宽,mL———挖槽平均长度,mH———平均挖泥厚度,mh左、h右———分别为左、右边线上的平均挖泥厚度,mm———边坡系数L右、L左———分别为右、左边线的长度,m经计算,疏浚底泥的总工程量约为1.5×104m3。
3•2疏浚方式比选
底泥疏浚属物理法分类技术,即外移内源污染物,主要包括工程疏浚技术、环保疏浚技术和生态疏浚技术等。就技术的成熟度和采用率而言,其中的工程疏浚技术居首,环保疏浚技术是近年开发并且已进入大规模采用阶段的成熟技术,生态疏浚技术则是最近提出并且在局部实施的新技术。就实施疏浚技术对水环境质量的改善效果来看,由于工程疏浚技术的目的为疏通航道、增加库容等,其效果不太理想;环保疏浚的目的为清除水域中的污染底泥、减少底泥污染物向水体的释放,其效果明显优于工程疏浚技术,具有较高的施工精度,能相对合理地控制疏浚深度,较大幅度地减少疏浚过程中的污染;生态疏浚的目的是实现生态位修复,将工程、环境、生态相结合来实现河湖的可持续发展,其特点是以较小的工程量最大限度地清除底泥中的污染物,同时为后续生物技术的介入创造生态条件。这三种疏浚方式各有优缺点,应根据工程条件的特点选择适宜的疏浚方式。三种疏浚方式的技术对比见表1。
本次工程的疏浚目标是:彻底清除污水库污染底泥,并在操作过程中严格控制工程质量,避免对环境造成二次污染。从表1可见,工程疏浚中的干法作业具有出泥含水率低、体积小的特点,但其操作过程中会使污水库内含有重金属的底泥长时间暴露于空气中,极易对周边环境和操作人员产生危害,因此不能满足本工程的需要;而湿法作业虽然很好地控制了对环境的二次污染问题,但其挖泥船绞刀的设计形式,决定了它在操作过程中会对水体产生较大的扰动,从而使底泥中的污染物质向上覆水体中迁移,对今后的污水处理带来不利影响,因此本工程也不宜采用。生态疏浚是一种新兴的疏浚模式,它主要强调控制底泥的清淤厚度,为今后介入生态修复创造条件。而本工程疏浚场地为容纳30多年工业废水的污水库,其底质受到重金属的严重污染,本底调查底部未见大范围的生物群落,并且生态疏浚技术也不够成熟,因此该技术也不适用于本工程。环保疏浚是一种成熟的疏浚技术,其操作过程处于一种完全封闭的状态,不会对操作工人和环境产生二次污染,而且其独特的绞刀设计可以最大限度地避免对水体的扰动,控制了污染的扩散,因此本次工程采用环保疏浚的清淤方式。
3•3挖泥船及其附属设施的配置
3•3•1配置原则
①挖泥船应为分体式,能够经陆域运至现场拼装下水,并适合该工程的施工工况。②所选挖泥船应为环保型或经环保改造,施工方法要体现环保疏浚的特点,满足环保疏浚的要求。
3•3•2挖泥船生产率
①挖泥船计算参数普通挖泥船计算参数见表2。②生产率挖泥船生产率按下式计算:W=Q×P(2)式中W———生产率,m3/hQ———泥浆流量,m3/hP———泥浆设计平均浓度,%本次工程泥浆流量为300m3/h,泥浆设计平均浓度为10%,则要求挖泥船生产率满足30m3/h。③挖泥船月生产能力施工工况按四级、每日三班计,每日工作16.8h(保证率为70%),挖泥船月生产能力约为1.5×104m3,在1个月内能完成本次工程的挖泥量。④挖泥船及附属设施配备根据本工程施工工况,挖泥船选择小型环保绞吸式挖泥船(见图1、2),挖泥船生产率为30m3/h,保证率>70%,最大吃水深度为1m,最大输泥排距为1.0km。要求挖泥船安装DGPS定位系统、配置探深测量与指示装置,以完成即时高精度平面和高程定位。为保证挖泥船的正常工作,还需配置必要的附属设施,包括起锚艇1艘、给养船1艘以及排泥管、浮筒和橡胶软管若干。
3•4排泥管线设置
3•4•1设置原则
①尽量缩短排泥管线长度,减少沿程阻力;②排泥管线宜平顺,避免出现大于60°的拐弯角,以减小输送局部阻力;③管线尽可能不爬坡、少爬坡,特别是陡坡;④管线的布设应便于排泥管线的维护。
3•4•2排泥管线设置方案
排泥管线管材为钢制,工作压力为1.0MPa,管道连接方式为法兰连接。管内底泥流速控制大于其临界流速(通常≥3m/s),计算管径为150mm,管道布设长度约为700m。排泥管线在水上采用浮筒使其浮于水面,两端分别与挖泥船泥浆泵出口和陆域排泥管线连接;陆域排泥管线沿岸边布设,在地形起伏较大处加设橡胶接头,另外在排泥管线末端设置三通回流管道,便于挖泥船停止工作后对排泥管线内的沉积底泥进行冲洗。
4施工注意事项
4•1二次污染控制
①挖泥船绞刀需设置环保罩,减小底泥搅动后的扩散范围,尽量减小因施工引起的二次污染;②施工期间派专人巡视排泥管线,及时发现并更换即将破损的管线,以避免因管线泄漏而造成污染。
4•2挖泥船吃水深度的控制
由于污水库水深较浅,故可通过以下措施来减少挖泥船的吃水深度:①拆除船上非必需的备配件,采用短钢桩施工,减少船舶质量;②减少油柜储量而增加加油次数,降低因储油而增加的船舶质量;③增加船舶边浮箱尺寸,加大船舶浮力。
4•3边界点挖泥控制
疏浚施工中,为了保证现有护岸不因此次疏浚工程而产生破坏,设计挖泥底边线与现有堤岸线的距离为10m,疏浚船舶在近岸区作业时,采用停止绞刀转动、只吸不绞的工作状态进行疏浚作业。
4•4过程环境监测
由于本次工程是针对既有污染水域沉积物的环境治理工程,就需控制疏挖后的区域内无大面积遗留污染物。底泥疏挖设计底标高根据前期污水库的本底调查结果确定,但本底调查为大面积普查结果,调查点密度比较稀疏,因此考虑对治理后的区域进行过程环境监测,以便对存有遗留污染底泥的区域进行二次疏挖。
4•5施工人员保护
在施工过程中要确保人员的人身安全及公共安全,防止在各个环节突发环境污染和人员伤害事故,因此进行处置前的前期准备预防工作是非常必要的。应尽全力保障操作施工人员的安全和健康,避免事故的发生和减少事故发生后的损失程度。①施工操作人员需进行必要的专业培训,使其了解项目的特点,同时具有自我保护意识;②施工开始前,应配备足够的安全防护用品、救护设备和器材及通讯设备,并检查其完整性和功能完好性;③要避免底泥直接与皮肤接触;④不要随意将试验工作服装带到非作业场所,需单独存放在储物柜内。
5结论
由于环保疏浚方式具有防止污染扩散的特点,故越来越多地被应用于水体沉积物的治理,例如我国的太湖和巢湖流域治理均采用了这种方法。在流域治理过程中,主要是以最大可能取走污染物、改善水生态环境为控制目标,同时还需考虑为后续生物修复技术介入创造必要的生态环境条件。本次污水库底泥治理工程的对象是一个长期承接工业废水的点源污染体,其污染程度较流域污染更加严重,且内部无生命迹象,因此对污水库底泥的治理目标应是彻底清除底部污染沉积物,这样才能保证水体更换后底泥层的污染物不向水体扩散,从而达到保护上覆水水质的目的。