河道清淤必然產(chǎn)生大量淤泥,這些淤泥一般含水率高、強(qiáng)度低,部分淤泥可能含有有毒有害物質(zhì),這些有毒有害物質(zhì)被雨水沖刷后容易浸出,從而對周圍水環(huán)境造成二次污染。因此有必要對清淤后產(chǎn)生的淤泥進(jìn)行合理的處理處置。淤泥的處理方法受到淤泥本身的基本物理和化學(xué)性質(zhì)的影響,這些基本性質(zhì)主要包括淤泥的初始含水率(水與干土質(zhì)量比,下同) 、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、黏土礦物種類及污染物類型和污染程度。在實(shí)際的淤泥處理工程中,可以根據(jù)待處理淤泥的基本性質(zhì)和擁有的處理?xiàng)l件,選擇合適的處理方案。
縱觀國內(nèi)外淤泥處理處置技術(shù),可以按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行如表2 所示的分類,在實(shí)際的淤泥處理工程中,可以根據(jù)待處理淤泥的基本性質(zhì)和擁有的處理?xiàng)l件,選擇合適的處理方案。
1 無污染淤泥與污染淤泥的處理
淤泥是否污染及含有的污染物種類不同,其相應(yīng)的處理方法也不盡相同,某些水利工程中產(chǎn)生的淤泥基本上沒有污染物或污染物低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),例如南水北調(diào)東線工程淮安白馬湖段疏浚淤泥無重金屬污染,同時氮磷等營養(yǎng)鹽的含量也低,對于此類無污染或輕污染的淤泥可以進(jìn)行資源化處理,這類淤泥主要產(chǎn)生于工業(yè)比較落后的農(nóng)村地區(qū)。而對污染物超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的淤泥,則在處理時首先應(yīng)考慮降低污染水平到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之下,例如對重金屬污染超標(biāo)的淤泥可以采取鈍化穩(wěn)定化技術(shù)。淤泥處理技術(shù)的選擇也要考慮到處理后的用途,比如對氮、磷營養(yǎng)鹽含量高的淤泥,當(dāng)處理后的淤泥擬用作路堤或普通填土而離水源地較遠(yuǎn),氮、磷無法再次進(jìn)入到水源地造成污染時,一般不再考慮氮磷的污染問題。
a.堆場處理與就地處理: 堆場處理法是指將淤泥清淤出來后,輸送到指定的淤泥堆場進(jìn)行處理,我國河道清淤大多采用絞吸式挖泥船,造成淤泥中水與泥的體積比在5 倍以上,而淤泥本身黏粒含量很高,透水性差,固結(jié)過程緩慢,因此,如何實(shí)現(xiàn)泥水快速分離,縮短淤泥沉降固結(jié)時間,從而加快堆場的周轉(zhuǎn)使用或快速復(fù)耕,是堆場處理法中關(guān)鍵性問題。就地處理法則不將底泥疏浚出來,而是直接在水下對底泥進(jìn)行覆蓋處理或者是排干上覆水體然后進(jìn)行脫水、固化或物理淋洗處理,但也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用處理方法,如對于淺水或水體流速較大的水域,不宜采用原位覆蓋處理,對于大面積深水水域則不宜采用排干就地處理。
b.資源化利用與常規(guī)處置: 淤泥從本質(zhì)上來講屬于工程廢棄物,按照固體廢棄物處理的減量化、無害化、資源化原則,應(yīng)盡可能對淤泥考慮資源化利用。廣義上講,只要是能將廢棄淤泥重新進(jìn)行利用的方法都屬于資源化利用,例如利用淤泥制磚瓦、陶粒以及固化、干化、土壤化等方法都屬于淤泥再生資源化技術(shù)。而農(nóng)村地帶可將沒有重金屬污染但氮、磷含量比較豐富的淤泥進(jìn)行還田,成為農(nóng)田中的土壤;蛘邔⑦@種淤泥在洼地堆放后作為農(nóng)用土地進(jìn)行利用。當(dāng)然在堆場堆放以后如果能夠自然干化,滿足人及輕型設(shè)備在表面作業(yè)所要求的承載力的話,作為公園、綠地甚至市政、建筑用地都是可以的。利用淤泥的資源化利用技術(shù)是國際上很多發(fā)達(dá)國家常采用的處理方法,如在日本,整個土建行業(yè)的廢棄物利用率已經(jīng)從1995 年的58% 提高到2000 年的80%,淤泥等廢棄土的利用率也達(dá)到了60%[8]。
當(dāng)淤泥中含有某些特殊污染物如重金屬或某些高分子難降解有機(jī)污染物而無法去除,進(jìn)行資源化利用會造成二次污染。這時就需要對其進(jìn)行一步到位的處置,即采用措施降低其生物毒性后進(jìn)行安全填埋,并需相應(yīng)做好填埋場的防滲設(shè)置。
2 污染淤泥的鈍化處理技術(shù)
工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的河道淤泥中重金屬污染物往往超標(biāo),通常意義上的污染淤泥多指淤泥中的重金屬污染,例如上海蘇州河的淤泥中重金屬比當(dāng)?shù)乇尘爸蹈叱? 倍以上[10],對此類重金屬超標(biāo)的淤泥,可以采用鈍化處理技術(shù)。鈍化處理是根據(jù)淤泥中的重金屬在不同的環(huán)境中具有不同的活性狀態(tài),添加相應(yīng)的化學(xué)材料使淤泥中不穩(wěn)定態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)的重金屬而減小重金屬的活性,達(dá)到降低污染的目的。同時添加的化學(xué)材料和淤泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生一些具有對重金屬物理包裹的物質(zhì),可以降低重金屬的浸出性,從而進(jìn)一步降低重金屬的釋放和危害[11-12]。鈍化后重金屬的浸出量小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求之后,這種淤泥可以在低洼地處置,也可作為填土材料進(jìn)行利用。
3 堆場淤泥處置技術(shù)
清淤工程中通常設(shè)置淤泥堆場,堆場處理技術(shù)就是從初始的吹填階段開始,采用系列的處理措施快速促沉、快速固結(jié),并結(jié)合表層處理技術(shù),將淤泥堆場周轉(zhuǎn)使用或者達(dá)到淤泥堆場的快速復(fù)耕。
堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)目的是減小堆場數(shù)量和占地,堆場表層處理技術(shù)是為后續(xù)施工提供操作平臺,而堆場的快速復(fù)耕技術(shù)則是通過系列技術(shù)的結(jié)合達(dá)到使淤泥堆場快速還原為耕地。
a.堆場周轉(zhuǎn)使用技術(shù)。堆場周轉(zhuǎn)使用技術(shù)是指通過技術(shù)措施將堆場中的淤泥快速處理,清空以后重新吹淤使用,如此反復(fù)達(dá)到堆場循環(huán)利用的目的。堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)改變了以前的大堆場、大容量的設(shè)計(jì)方法,而提出采用小堆場、高效周轉(zhuǎn)的理念,特別適合于土地資源緊缺的東部地區(qū)。堆場周轉(zhuǎn)技術(shù)的設(shè)計(jì)主要考慮需要處理的淤泥總量、堆場的容量、周轉(zhuǎn)周期和周轉(zhuǎn)次數(shù)等,該技術(shù)通常可以和固化或者干化技術(shù)相結(jié)合,就地采用固化淤泥或干化淤泥作為堆場圍堰,同時也可以對堆場內(nèi)的淤泥進(jìn)行快速資源化利用。
b.堆場表層處理技術(shù)。清淤泥漿的初始含水率一般在80% 以上,而淤泥的顆粒極細(xì)小,黏粒含量都在20%以上,這使得泥漿在堆場中沉積速度非常緩慢,固結(jié)時間很長。吹淤后的淤泥堆場在落淤后的兩三年時間內(nèi)只能在表面形成20 cm左右厚的天然硬殼層,而下部仍然為流態(tài)的淤泥,含水率仍在1. 5 倍液限以上,進(jìn)行普通的地基處理難度很大[13]。堆場表層處理技術(shù)則是利用淤泥堆場原位固化處理技術(shù)(圖4),人為地在淤泥堆場表面快速形成一層人工硬殼層,人工硬殼層具有一定的強(qiáng)度和剛度,滿足小型機(jī)械的施工要求,可以進(jìn)行排水板鋪設(shè)和堆載施工,從而方便對堆場進(jìn)一步的處理。人工硬殼層的設(shè)計(jì)是表層處理技術(shù)的關(guān)鍵,主要考慮后續(xù)施工的要求,結(jié)合下部淤泥的性質(zhì),通過試驗(yàn)和模擬確定硬殼層的強(qiáng)度參數(shù)和設(shè)計(jì)厚度,人工硬殼層技術(shù)又往往和淤泥固化技術(shù)相結(jié)合形成固化淤泥人工硬殼層,也可以利用聚苯乙烯泡沫塑料(EPS) 顆粒形成輕質(zhì)人工硬殼層則效果更佳。
c.堆場快速復(fù)耕技術(shù)。堆場快速復(fù)耕技術(shù)主要包括泥水快速分離技術(shù)、人工硬殼層技術(shù)和透氣真空快速固結(jié)技術(shù)。
泥水快速分離技術(shù)是指首先在吹淤過程中添加改良黏土顆粒膠體離子特性的促沉材料,促使固體土顆粒和水快速分離并增加沉降淤泥的密度,另一方面則是在堆場中設(shè)置具有截留和吸附作用的排水膜進(jìn)一步提高疏浚泥沉降速度,同時可利用隔埂增加流程和改變流態(tài),從而達(dá)到疏浚泥漿的快速密實(shí)沉積的效果[14]。透氣真空快速固結(jié)技術(shù)則是通過人工硬殼層施工平臺,在淤泥堆場中插設(shè)排水板或設(shè)置砂井,然后在硬殼層上面鋪設(shè)砂墊層,砂墊層和排水板搭接,其上覆蓋不透水的密封膜與大氣隔絕,通過埋設(shè)于砂墊層中帶有濾水管的分布管道,用射流泵進(jìn)行抽氣抽水,孔隙水排出的過程使有效應(yīng)力增大,從而提高了堆場淤泥的強(qiáng)度,達(dá)到快速固結(jié)的目的。透氣真空固結(jié)技術(shù)和常規(guī)的堆載預(yù)壓技術(shù)結(jié)合在一起進(jìn)行可以達(dá)到更理想的效果[15]。
對于部分淤泥堆場來說,由于堆存的淤泥深度較深,若將整個淤泥堆場的淤泥處理完成來滿足復(fù)耕的目的,投資較大,同時對于堆場復(fù)耕來說,對承載力要求相對較低,因此基于堆場表層處理的復(fù)耕技術(shù)在堆放淤泥較深的堆場經(jīng)常被使用。通過淤泥堆場原位固化處理技術(shù),將淤泥堆場表層(80~120 cm) 淤泥進(jìn)行固化處理,處理完成后再對表層的固化土進(jìn)行土壤化改良,以滿足植物種植的要求。
4 淤泥資源化利用技術(shù)
上面闡述的淤泥固化、干化、土壤化等各種能把廢棄淤泥變?yōu)橘Y源重新進(jìn)行使用的技術(shù)都屬于淤泥的資源化利用范疇。此外,淤泥資源化利用技術(shù)還包括把淤泥制成磚瓦的熱處理方法。熱處理方法是通過加熱、燒結(jié)將淤泥轉(zhuǎn)化為建筑材料,按照原理的差異又可以分為燒結(jié)和熔融。燒結(jié)是通過加熱800~1 200℃,使淤泥脫水、有機(jī)成分分解、粒子之間黏結(jié),如果淤泥的含水率適宜,則可以用來制磚或水泥。熔融則是通過加熱1 200~1 500℃使淤泥脫水、有機(jī)成分分解、無機(jī)礦物熔化,熔漿通過冷卻處理可以制作成陶粒。熱處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟,國外和國內(nèi)的不少學(xué)者都進(jìn)行過相關(guān)研究[16-17]。
熱處理技術(shù)的特點(diǎn)是產(chǎn)品的附加值高,但熱處理技術(shù)能夠處理的淤泥量非常有限,比如普通制磚廠1年大概能消耗淤泥5 萬m3,不能滿足目前我國疏浚淤泥動輒上百萬立方米發(fā)生量的處理需求,從淤泥的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化處理前景來講,固化、干化、土壤化的淤泥資源化利用技術(shù)是具有生命力的,若與堆場處理技術(shù)相結(jié)合則更能顯示出效益。