污泥填埋坑综合治理工程方案设计

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1、污泥填埋坑综合治理工程方案设计摘要：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开展，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、燃 烧、协同处置、资源化利用等。由于污泥填埋本钱低，大多数污水 处理厂采取了 “局部脱水后填埋”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，怎

2、样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异不大。污泥 夹杂局部建筑垃圾，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，污泥超标污染物为铭、锌、钻、锑、 帆、六价铭、砷、氯仿、苯、氟化物、六氯苯、总石油烃(C10-C40)2方案设计依据岩土工程勘察和场地补充调查报告，

3、建立场地概念模型， 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、标准和标准，采纳先阻隔、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

4、渗阻隔。依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，到达操纵污染物扩散的目的。参考生活垃圾卫生填埋场岩 土工程技术标准（CJJ176-20_）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到达内侧边界的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

5、击穿时间应大于30a。当防渗帷幕渗透系数到达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，当吸附到达 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 性吸附的溶质迁移操纵方程可表述为：（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。以上操纵方程可采纳工业污染 场地竖向阻隔技术标准（征求意见稿-20_，化工行业

6、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

7、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根底 上，对污染物的运移进行分析。计算结果如图1。依据计算可知， 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、施工本钱和以往工程经验，选择水泥搅拌桩作为垂直防渗帷 幕。设计采纳单桩直径为850mm的三轴水泥搅拌桩，咬合2

8、50mm， 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。水泥搅拌桩材料采纳42.5号一 般硅酸盐水泥，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nX10-6 (n=19)，水泥土搅拌桩 加固体28d无侧限设计抗压强度N0.8Mpa。桩体施工采纳标准连续 方式和“四搅两喷”工艺，严格操纵下沉及提升速度，使水泥浆液 与原状土充分均匀拌和，施工采纳的浆液配比须依据现场试验进行 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

9、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，方案采纳环保型 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、A12O3、Fe2O3等。最主要的反响 是利用镁、钙、硅、铝的凝硬反响等，使污泥得到固化。其固化反响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、总铭、 铅、镉、汞、氟、硒、砷、六价铭等都有较好的适应性，且反响后 的碱性比水泥要低，减少恶臭的发生。经固化/稳定化

10、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%，根本 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外表结合水的形式存 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一般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

11、体难以排出，导致 污泥排水固结的所需的时间要远大于一般淤泥。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：采纳的特制槽孔管，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5

12、0100个抽吸竖井，配备高效自动操纵系 统，依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：采纳特种 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）推动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。