幾種土工墊對污染底泥原位阻隔性能的對比試驗(yàn)＊

何順輝，吳東彪，張 健，謝世平

（1.天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司，天津 301617；2.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

底泥是自然水域的沉積物，當(dāng)水域受到污染后，水中部分污染物沉積到底泥中并逐漸富集，由于底泥與上覆水體間交換頻繁，底泥中的污染物在適當(dāng)條件下會釋放出來，再次污染水體［1-2］。目前，污染底泥治理主要分異位處理和原位處理兩大類：異位處理技術(shù)在清挖底泥的過程中會極大地?cái)_動(dòng)底泥和水體，從而加速底泥中污染物的釋放，且挖掘出來的底泥需要運(yùn)輸?shù)狡渌攸c(diǎn)進(jìn)行處理，在污泥運(yùn)輸過程中容易造成泄漏，產(chǎn)生二次污染；原位處理技術(shù)是將污染底泥留在原處，采取物理、化學(xué)或生物等方法，減少污染底泥的容積或總質(zhì)量、降低污染物的溶解度或遷移性、減少污染物釋放的污染底泥治理技術(shù)［3］。

原位覆蓋技術(shù)是原位處理技術(shù)的一種，通過鋪放1 層或多層覆蓋物以穩(wěn)定、隔離沉積物，使污染底泥與上層水體隔離，防止其再懸浮或遷移，減少污染物向水體的釋放，從而明顯改善水體質(zhì)量［4］。原位覆蓋多采用礫石、膨潤土、沸石等天然礦物材料及其制品，不會改變水體的性質(zhì)，環(huán)境潛在危害較小。在美國，覆蓋阻隔技術(shù)最初是作為一種補(bǔ)救方法，在1978 年用于控制放置在長島灣中央公開水域中的疏浚污泥。在美國東北部和西部，覆蓋阻隔也被普遍用于管理港口沉積物和疏浚淤泥，并越來越多地用于內(nèi)陸湖泊和河流［5］。

經(jīng)過多年的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，覆蓋阻隔技術(shù)已由簡單的傾倒覆蓋阻隔材料，轉(zhuǎn)向鋪設(shè)特制的土工材料，以減小覆蓋厚度、提升覆蓋均勻度，同時(shí)利用土工材料的隔離、加固、反濾和導(dǎo)排性能大幅提升覆蓋治理效果［6］。土工材料可根據(jù)污染物種類和場地情況進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)，成為覆蓋污染底泥的重要材料和載體，故而日益受到科研和設(shè)計(jì)人員的重視。2004 年4 月，Kathleen等［7］在阿納卡斯蒂亞河示范項(xiàng)目中使用以活性炭為功能材料的反應(yīng)墊對河道的污染性沉積物進(jìn)行原位覆蓋治理，通過反應(yīng)墊的吸附、覆蓋作用減少污染物暴露的可能性。2006 年夏天建設(shè)的德國Lippeseeumflut 項(xiàng)目則是在水下鋪設(shè)1 層含有砂墊層的鈉基膨潤土防水毯（Geosynthetics Clay Liner， GCL），在覆蓋河道污染物的同時(shí)修復(fù)了河道滲漏部位［8］。本研究通過在污染底泥上覆蓋不同功能材料制備的土工墊，長期監(jiān)測上層水質(zhì)變化，對比不同覆蓋土工墊對污染底泥的原位治理效果，以期找出最優(yōu)污染底泥原位覆蓋治理土工材料，為后續(xù)工程實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 樣品制備及性能介紹

2.1 樣品種類

不同覆蓋材料的使用及治理效果存在差異，選擇覆蓋材料時(shí)需考慮材料阻隔、吸附性能及整體質(zhì)量。阻隔能力越強(qiáng)，污染物的遷移風(fēng)險(xiǎn)越低，而材料質(zhì)量與其抗水流擾動(dòng)、穩(wěn)固污染底泥的功能相關(guān)［9］。分別以硅藻土、沸石、活性炭、砂子作為吸附過濾材料加工制備覆蓋土工墊，并將砂子作為功能層與GCL 結(jié)合制備成配重型GCL，同時(shí)設(shè)置GCL 為對照組，測試6 種產(chǎn)品對污染底泥的阻隔、吸附及過濾效果。制備樣品如表1 所示，樣品制備過程見圖1。

表1 土工覆蓋材料Table 1 Covering geomaterials

圖1 土工覆蓋材料樣品制備Figure 1 Samples preparation of covering geomaterial

2.2 覆蓋土工材料性能

2.2.1 功能材料

不同功能材料對污染物的吸附效果存在差異，硅藻土是一種多孔性生物硅質(zhì)巖，具有表面積大、孔隙率高、吸附性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在城市污水及工業(yè)廢水處理中具有廣泛應(yīng)用［10］；本研究選用靈壽縣百豐礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的硅藻土，SiO2含量≥80%。沸石是一種多孔鋁硅酸鹽礦物，獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的離子交換性能和吸附性能，同時(shí)具有較大的比表面積，使得沸石在去除污水中的有機(jī)物、氨氮、重金屬離子、氟和磷等方面具有較好的應(yīng)用前景［11］；本研究選用鞏義市豐匯活性炭有限公司生產(chǎn)的沸石，吸氨值為1.0～1.8 mmol/g。活性炭是一種多孔徑的碳化物，作為一種優(yōu)良的吸附劑，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，巨大的比表面積及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于水處理工業(yè)中［12］；本研究選用承德縣中博活性炭廠生產(chǎn)的活性炭，碘值≥800 mg/g；研究所用砂子為市場采購的河砂中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6。

2.2.2 配重型GCL

配重型GCL 是根據(jù)污染底泥原位治理特點(diǎn)和水下可施工性要求研發(fā)的一種新型覆蓋阻隔土工材料，是底泥原位覆蓋用多組分GCL 的一種，其在GCL 的基礎(chǔ)上增加了1 層配重功能層，并對產(chǎn)品進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，使其具備可水下施工、對底泥擾動(dòng)小、鋪設(shè)后穩(wěn)定牢固等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2 所示，為保證覆蓋材料的隔離性能，選用防滲性能優(yōu)異的GCL 作為防滲阻隔材料，其滲透系數(shù)≤5×10-9cm/s，能夠有效隔離底泥污染物；產(chǎn)品的上層為配重層，一方面增加產(chǎn)品質(zhì)量，使其具備自下沉特性，利于水下施工及水下穩(wěn)定性，另一方面配重層材料如砂子可以作為過濾材料，從而進(jìn)一步凈化水體；側(cè)邊設(shè)有50 cm 寬的無紡布，并在無紡布外沿上裝有配重，在水下鋪設(shè)施工過程中外沿下降速度稍快，能夠形成一個(gè)網(wǎng)，將因施工擾動(dòng)的污泥罩在網(wǎng)內(nèi)，防止污泥遷移；搭接區(qū)域只有底層的GCL，搭接寬度約為50 cm，產(chǎn)品搭接方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，并在搭接區(qū)域涂抹搭接膏密封，以保證兩幅材料的連接效果。

圖2 配重型GCL 示意Figure 2 Schematic of additional weight GCL

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)流程

1）修筑池塘：共計(jì)6 個(gè)池塘，每個(gè)池塘長×寬×高為3 m×2 m×0.7 m，池塘為磚混結(jié)構(gòu)，為防止其他變量影響，修建在公司小車間內(nèi)。

2）防滲處理：防滲結(jié)構(gòu)從下至上為GCL、3 mm 厚HDPE 膜、無紡布保護(hù)層。

3）制備底泥：取附近村莊排污河道內(nèi)的黑臭底泥，晾曬至半干狀態(tài)后加入1% 過磷酸鈣肥料，使污染底泥富營養(yǎng)化。池塘內(nèi)底泥攤鋪厚度為15 cm，污泥總質(zhì)量約為1.3 t。

4）鋪設(shè)覆蓋材料：如圖3 所示，在底泥上鋪設(shè)制成的土工墊，土工墊尺寸與池塘底部尺寸相同，邊緣用膨潤土膏密封并用磚塊壓覆。6 個(gè)池塘鋪設(shè)的土工墊分別為①GCL；②硅藻土土工墊；③沸石土工墊；④砂子土工墊；⑤活性炭土工墊；⑥配重型GCL。

圖3 制備試驗(yàn)池Figure 3 Preparation of the test pond

5）注水：在池塘內(nèi)注入自來水，注水深度約為45 cm。為防止水位變化對試驗(yàn)產(chǎn)生影響，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充因揮發(fā)損失的水分，保證水位不低于40 cm。

6）取樣測試：在試驗(yàn)開始前，對每個(gè)試驗(yàn)池的底泥和所用自來水取樣檢測，作為對比參照。6 個(gè)試驗(yàn)池每兩周取1 次水樣送檢，檢測水質(zhì)變化，以判斷覆蓋土工墊對污染物的阻隔吸附能力。水樣采用五點(diǎn)式取樣法取樣，取樣器及樣品容器滿足標(biāo)準(zhǔn)SL 219—2013 水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范要求。

3.2 測試指標(biāo)

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部及環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》對城市黑臭水體分級的評價(jià)指標(biāo)包括透明度、溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）和氨氮（NH3-N），可選擇性調(diào)查水體的化學(xué)需氧量（CODCr）、總磷（TP）、總氮（TN）、水溫、pH、表觀污染指數(shù)（SPI）等指標(biāo)。本研究以此為依據(jù)，通過對比各指標(biāo)意義并結(jié)合實(shí)際測試條件，最終確定了測試指標(biāo)，其檢測標(biāo)準(zhǔn)、方法和使用儀器如表2 所示。

表2 水樣和底泥檢測標(biāo)準(zhǔn)、方法及使用儀器Table 2 Testing standards,methods and instrumentation of water sample and contaminated sediment

為保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)涉及的所有底泥試樣和水樣均送至有資質(zhì)的第三方檢測機(jī)構(gòu)（天津市環(huán)科檢測技術(shù)有限公司）檢測。

4 結(jié)果與分析

4.1 指標(biāo)測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)開始前，對各個(gè)試驗(yàn)池底泥及試驗(yàn)用自來水進(jìn)行初始檢測，結(jié)果見表3 和表4。雖然底泥是在同一處排污河道內(nèi)取樣，但為了更準(zhǔn)確地了解底泥的成分差別，本試驗(yàn)對每個(gè)試驗(yàn)池鋪設(shè)的底泥分別取樣檢測，為后續(xù)土工墊上層水質(zhì)對比提供基礎(chǔ)參考。

表3 底泥檢測結(jié)果Table 3 Test results of contaminated sediment

表4 自來水檢測結(jié)果Table 4 Test results of tap water

試驗(yàn)池內(nèi)的水樣每兩周取樣1 次送檢，試驗(yàn)持續(xù)3 個(gè)月，共送檢6 次，具體檢測結(jié)果如圖4～圖7 所示。

圖4 CODCr測試結(jié)果對比Figure 4 Comparison of CODCr test results

圖5 NH3-N 測試結(jié)果對比Figure 5 Comparison of NH3-N test results

圖6 TP 測試結(jié)果對比Figure 6 Comparison of TP test results

圖7 TN 測試結(jié)果對比Figure 7 Comparison of TN test results

4.2 試驗(yàn)觀察及結(jié)果分析

1）由圖4～圖7 可知，隨著時(shí)間的增加，各試驗(yàn)池內(nèi)的水質(zhì)都出現(xiàn)一定程度的劣化，且污染物濃度還有上升趨勢，但對比GB 18918—2020 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，以上4 項(xiàng)指標(biāo)的檢測結(jié)果仍遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的一級A 排放濃度要求，說明在污染底泥上覆蓋土工材料，能夠起到較好地阻隔污染物擴(kuò)散的作用。

2）對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同功能材料制備的覆蓋土工墊，對污染物的吸附、阻隔能力存在差別。如5 號池使用活性炭土工墊覆蓋污染底泥，其上層水質(zhì)中NH3-N、TP、TN 含量幾乎是6 個(gè)試驗(yàn)池中最低的，但CODCr遠(yuǎn)高于其他試驗(yàn)池。說明活性炭土工墊能夠有效抑制水體的富營養(yǎng)化，但對還原性污染物質(zhì)的吸附效果稍差。

3）由圖4～圖7 可知，配重型GCL 作為GCL和砂子土工墊的結(jié)合體，對污染物的阻隔能力全面優(yōu)于單獨(dú)使用GCL 或砂子土工墊。通過連續(xù)監(jiān)測土工墊上層水質(zhì)可知，3 個(gè)月后，配重型GCL 的上層水質(zhì)中CODCr為8 mg/L，NH3-N 為0.053 mg/L，TP為0.07 mg/L，TN 為5.84 mg/L，污染物擴(kuò)散程度在6 種土工墊中同樣處于較低水平。此外，配重型GCL 使用的原料價(jià)格便宜，加工工藝簡單，是底泥原位覆蓋治理的優(yōu)選材料。

4）試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，1 號池覆蓋的GCL 存在局部被氣體頂起的現(xiàn)象，但其他試驗(yàn)池的覆蓋土工墊則沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象。分析原因主要是污染底泥中有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生了氣體，GCL 優(yōu)異的阻隔性能阻止了氣體的排出，使得產(chǎn)生的氣體不斷匯集，從而能夠?qū)①|(zhì)量較輕的GCL 頂起。同樣阻隔性能優(yōu)異的配重型GCL 未出現(xiàn)局部被氣體頂起的問題，且由于其在GCL 上復(fù)合1 層10 kg/m2的砂子，不但使產(chǎn)品更適合水下鋪設(shè)施工，而且保證了產(chǎn)品在水下的穩(wěn)定性。其他試驗(yàn)池內(nèi)的覆蓋土工墊由于功能材料以及上下層土工織物透氣性較好，加上自身質(zhì)量較大，也沒有出現(xiàn)土工墊隆起的現(xiàn)象。因此，當(dāng)?shù)啄嘣桓采w使用阻隔性能較好的土工材料時(shí)，需考慮底部產(chǎn)生的氣體對覆蓋土工墊的影響。

5 結(jié)論

1）綜合比對試驗(yàn)用土工墊的污染物阻隔效果、功能材料價(jià)格、可施工性等因素，污染底泥原位覆蓋治理推薦使用配重型GCL，其配重功能層為砂子，隔離層為GCL，原料價(jià)格便宜，加工工藝簡單，有利于其在工程中推廣應(yīng)用。

2）結(jié)合試驗(yàn)出現(xiàn)的GCL 頂起現(xiàn)象，當(dāng)污染底泥中有機(jī)污染物較多時(shí)，需考慮有機(jī)污染物分解產(chǎn)生的氣體可能對阻隔性能優(yōu)異的覆蓋土工墊產(chǎn)生的不利影響。