污泥填埋坑综合治理工程方案设计

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摘要：城市污水处理厂产生的污泥组分复杂，重金属和有机物含量高，处理难度大，污泥填埋坑对周围环境存在持续污染的风险。结合工程实例，阐述污泥填埋坑综合治理技术方案，为类似工程提供参考。

关键词：垂直防渗；污泥固化/稳定化；喷射井点；堆载预压

随着我国城市化不断深入和发展，城市污水处理厂产生的污泥量越来越大，目前国内对污水厂污泥的处理方式主要有填埋、焚烧、协同处置、资源化利用等。由于污泥填埋成本低，大多数污水处理厂采取了“部分脱水后填埋”的方式处理污泥，全国各地存在数量众多的污泥填埋坑。污泥自身具有含水率高、有机污染物浓度高、重金属含量高等物理化学特性，如何科学地治理污泥填埋坑，一直是环境修复行业的难题。

1工程概况

某城市污水处理厂的污泥填埋坑面积约16万平方米，原为天然坑塘，底部及四周未做任何防渗处理，污泥最大深度16.5m，平均深度11m，淤泥总量约163万立方米，污泥来源为污水处理厂污泥和印染工业污泥。坑内污泥多为流塑状，含水率分布在79.4%~90.7%之间，坑内垂直方向上各层污泥含水率差别不大。污泥夹杂部分建筑垃圾，有机质含量较高，力学性能极差，大型机械无法直接进场施工。经调查，污泥超标污染物为铬、锌、钴、锑、钒、六价铬、砷、氯仿、苯、氟化物、六氯苯、总石油烃（C10-C40）等。

2方案设计

根据岩土工程勘察和场地补充调查报告，构建场地概念模型，明确场地风险区域，结合场地实际条件，提出“风险管控+排水固接+生态复绿”的技术路线，筛选可行技术，制定出场地环境综合治理方案。污泥填埋坑周边土壤与地下水均存在超标污染物，污染物种类多、迁移性强。为管控风险，防止污染物持续扩散影响周边场地，参考相关技术导则、标准和规范，采用先阻隔、后治理的方式。具体方案内容包括以下四个方面：（1）切断污染源，阻止污染物随地下水向周边迁移扩散；（2）降低污泥含水率，加速污泥排水固结，减小填埋坑内污泥体积；（3）对表层污泥进行固化/稳定化，降低有机物含量，提高表层污泥承载力；（4）表层生态复绿，提升场地整体环境质量。2.1垂直防渗阻隔。根据场地环境综合治理方案的要求，沿污泥填埋坑四周施工形成垂直的防渗帷幕，帷幕底部插入下部相对不透水的土层中2m，使污染源与外界环境隔绝，阻隔污染物进入周围的土壤和水体，同时也防止四周地下水和地表水进入场地内，达到控制污染物扩散的目的。参考《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》（CJJ176-2012）对垂直防渗帷幕厚度设计中的相关规定，可取垂直防渗帷幕外侧边界污染物浓度达到内侧边界的10%作为垂直防渗帷幕被击穿的标准，污染物向下游的迁移距离和迁移深度也按10%相对浓度等势线确定。场地环境综合治理方案要求垂直防渗帷幕的设计使用年限为30a，故在击穿判别验算中，垂直防渗帷幕的击穿时间应大于30a。当防渗帷幕渗透系数达到10-7cm/s量级，且帷幕底部插入到不透水层时，污染物在防渗帷幕内侧的竖向渗流可忽略不计，污染物溶质在土体中形成近似一维水平向渗流和扩散。对于溶质在饱和工程材料中的一维迁移问题，当吸附达到平衡状态时，则半无限空间内考虑对流、分子扩散、机械弥散和线性吸附的溶质迁移控制方程可表述为：（1）式中，Cr为土中孔隙液的溶质浓度；Dh为溶质迁移通过土的水动力弥散系数；vs为溶液在土孔隙中的平均流速；Rd为土吸附溶质的阻滞因子；t为溶质迁移时间；x为溶质迁移方向的距离。以上控制方程可采用《工业污染场地竖向阻隔技术标准》（征求意见稿-2019，中华人民共和国化工行业标准）推荐的半无限空间一维对流-弥散解析解，对防渗帷幕外侧污染物浓度进行计算。公式如下：（2）（3）式中，Ce为竖向阻隔屏障下游段渗出液中的目标污染物浓度；C0为渗入竖向阻隔屏障的污染物浓度；Ci为初始状态下竖向阻隔屏障孔隙液中目标污染物浓度；L为屏障厚度；vs为污染液在屏障孔隙中的平均流速；k为屏障渗透系数；i为屏障两侧水力梯度；n为屏障孔隙率；Dh为目标污染物迁移通过竖向阻隔屏障的水动力弥散系数；Rd为竖向阻隔屏障吸附目标污染物的阻滞因子；t为设计使用年限。其中阻滞因子Rd反映了防渗帷幕材料特性以及污染物类型的影响，而水动力弥散系数Dh反映了污染物种类、防渗帷幕整体性能的影响。这两个参数与防渗帷幕的孔隙通道、材料性质、污染物种类有关，合理取值是计算准确的关键。通过专业软件GMS的两个模块MODFLOW和MT3DMS对击穿时间进行数值模拟计算。MODFLOW是地下水渗流三维有限差分分析模块，可以对地下水在饱和土层中的渗流进行分析；MT3DMS是污染物运移三维有限差分分析模块，在MODFLOW模块分析得到的渗流场基础上，对污染物的运移进行分析。计算结果如图1。根据计算可知，2m厚的垂直防渗帷幕满足击穿时间大于30a的要求。综合考虑场地条件、施工成本和以往工程经验，选择水泥搅拌桩作为垂直防渗帷幕。设计采用单桩直径为850mm的三轴水泥搅拌桩，咬合250mm，底部深入相对不透水层2m，三排水泥搅拌桩的厚度为2.05m（见图2），满足设计厚度大于2m的要求。水泥搅拌桩材料采用42.5号普通硅酸盐水泥，水灰比1.5，水泥掺入比为20%，膨润土掺入比为5%，防渗帷幕的设计渗透系数为n×10-6(n=1~9)，水泥土搅拌桩加固体28d无侧限设计抗压强度≥0.8Mpa。桩体施工采用标准连续方式和“四搅两喷”工艺，严格控制下沉及提升速度，使水泥浆液与原状土充分均匀拌和，施工采用的浆液配比须根据现场试验进行修正。2.2表层污泥固化、稳定化。因污泥含有挥发性的可燃有机物，表层污泥上覆有的枯草、树枝等易燃物经可燃有机物浸泡过之后，极易发生自燃。为降低表层污泥的有机物含量，杜绝自燃隐患，同时让表层污泥具备一定的承载力，满足大型机械设备进场施工的要求，为后续排水固结和复绿工程提供条件，方案采用环保型化学药剂对表层1.2m厚的污泥进行固化/稳定化处理。固化/稳定化药剂主要成分为CaO、SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3等。最主要的反应是利用镁、钙、硅、铝的凝硬反应等，使污泥得到固化。其固化反应包括水酸化物生成时的固化，难溶性盐生成时的固化或者水化合物生成时的吸附固定。该固化剂适应性广，对铜、锌、镍、总铬、铅、镉、汞、氟、硒、砷、六价铬等都有较好的适应性，且反应后的碱性比水泥要低，减少恶臭的发生。经固化/稳定化的污泥承载力可达100kPa，满足履带式机械设备进场承载力要求，同时固化/稳定化后的污泥有机物含量大大降低，有机物去除率高达78%，基本消除了自燃风险。对固化/稳定化后的污泥进行浸出毒性检测，其浸出污染物浓度均低于《危险废物鉴别标准———浸出毒性鉴别》的要求，降低了表层污泥污染物浸出之后污染地表水环境的风险。2.3深层井点喷射排水+堆载预压排水。污泥具有较高的有机物含量和较低的渗透系数，污泥中的水分不但以孔隙水和表面结合水的形式存在，还存在有机絮凝体内部的结合水和微生物残体内部的细胞水。由于污泥的渗透系数比普通淤泥低一个数量级以上，同时大量有机物絮凝体存在于污泥组分中，使得污泥所含的液体难以排出，导致污泥排水固结的所需的时间要远大于普通淤泥。针对污泥以上特性，为了取得较好的排水效果，加快污泥固结，采取了“深层井点喷射排水”与“堆载预压排水”联合工作的方式（见图3）。（1）深层井点喷射排水：采用的特制槽孔管，深入污泥填埋坑底部，通过注入高速气体在排水井底部形成负压，把污泥中的渗滤液快速导出，加速污泥堆体固结。排水固结完成后，该系统可继续发挥作用，对污泥中的有害挥发性有机物进行气相抽提，必要时可以通入热空气，加速有毒有害气体排出。整个污泥填埋坑内布置排水竖井共计430孔，孔径273mm，井深12m-15m，距离污泥填埋坑底面2m。每一个水平横向管可以牵引50~100个抽吸竖井，配备高效自动控制系统，根据孔内水位自动切换抽排竖井，循环抽排，不会因污泥渗透系数低而断流，使排渗效率大幅提高。（2）堆载预压排水：采用特种承压水囊平铺于污泥填埋坑顶部，将井点导出的渗滤液注入水囊中，水囊注满后可达2.5m高，单个水囊重达300t，实现了堆载预压的目的。特种承压水囊还能解决固结排水产生的大量渗滤液无处储存的问题。压载完成后，可逐个排出水囊中的渗滤液，进行处理后达标排放。

3结论

综合治理方案实现了以下环境治理目标：（1）对污泥填埋坑内的污染源的进行了长效风险管控；（2）促进了污泥堆体的持续排水固结；（3）污泥固化/稳定化技术降低了表层污泥的有机物含量，消除了自燃隐患，同时为后续工程提供了稳定耐压的下部土层；（4）表层生态复绿提升了项目整体环境质量。经过工程实践应用，上述综合治理方案是一种可靠、经济的工程技术方案，为类似污泥填埋坑环境治理项目提供了一些解决思路和参考。

参考文献

[1]朱伟,吉顺健,李磊等.污泥固化/稳定化技术现场试验研究[J].环境科学与技术,2009;32(5):131-134.

[2]孙政,朱伟,贺敏杰.污水厂污泥固结特性研究[J].科学技术与工程,2013,13(11):3146-3150.

作者:程立 许妍妍 单位:光大环境修复(江苏)有限公司