几种土工垫对污染底泥原位阻隔性能的对比试验＊

何顺辉，吴东彪，张 健，谢世平

（1.天津中联格林科技发展有限公司，天津 301617；2.安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

1 引言

底泥是自然水域的沉积物，当水域受到污染后，水中部分污染物沉积到底泥中并逐渐富集，由于底泥与上覆水体间交换频繁，底泥中的污染物在适当条件下会释放出来，再次污染水体［1-2］。目前，污染底泥治理主要分异位处理和原位处理两大类：异位处理技术在清挖底泥的过程中会极大地扰动底泥和水体，从而加速底泥中污染物的释放，且挖掘出来的底泥需要运输到其他地点进行处理，在污泥运输过程中容易造成泄漏，产生二次污染；原位处理技术是将污染底泥留在原处，采取物理、化学或生物等方法，减少污染底泥的容积或总质量、降低污染物的溶解度或迁移性、减少污染物释放的污染底泥治理技术［3］。

原位覆盖技术是原位处理技术的一种，通过铺放1 层或多层覆盖物以稳定、隔离沉积物，使污染底泥与上层水体隔离，防止其再悬浮或迁移，减少污染物向水体的释放，从而明显改善水体质量［4］。原位覆盖多采用砾石、膨润土、沸石等天然矿物材料及其制品，不会改变水体的性质，环境潜在危害较小。在美国，覆盖阻隔技术最初是作为一种补救方法，在1978 年用于控制放置在长岛湾中央公开水域中的疏浚污泥。在美国东北部和西部，覆盖阻隔也被普遍用于管理港口沉积物和疏浚淤泥，并越来越多地用于内陆湖泊和河流［5］。

经过多年的发展和技术进步，覆盖阻隔技术已由简单的倾倒覆盖阻隔材料，转向铺设特制的土工材料，以减小覆盖厚度、提升覆盖均匀度，同时利用土工材料的隔离、加固、反滤和导排性能大幅提升覆盖治理效果［6］。土工材料可根据污染物种类和场地情况进行针对性的设计，成为覆盖污染底泥的重要材料和载体，故而日益受到科研和设计人员的重视。2004 年4 月，Kathleen等［7］在阿纳卡斯蒂亚河示范项目中使用以活性炭为功能材料的反应垫对河道的污染性沉积物进行原位覆盖治理，通过反应垫的吸附、覆盖作用减少污染物暴露的可能性。2006 年夏天建设的德国Lippeseeumflut 项目则是在水下铺设1 层含有砂垫层的钠基膨润土防水毯（Geosynthetics Clay Liner， GCL），在覆盖河道污染物的同时修复了河道渗漏部位［8］。本研究通过在污染底泥上覆盖不同功能材料制备的土工垫，长期监测上层水质变化，对比不同覆盖土工垫对污染底泥的原位治理效果，以期找出最优污染底泥原位覆盖治理土工材料，为后续工程实际应用提供数据支撑。

2 样品制备及性能介绍

2.1 样品种类

不同覆盖材料的使用及治理效果存在差异，选择覆盖材料时需考虑材料阻隔、吸附性能及整体质量。阻隔能力越强，污染物的迁移风险越低，而材料质量与其抗水流扰动、稳固污染底泥的功能相关［9］。分别以硅藻土、沸石、活性炭、砂子作为吸附过滤材料加工制备覆盖土工垫，并将砂子作为功能层与GCL 结合制备成配重型GCL，同时设置GCL 为对照组，测试6 种产品对污染底泥的阻隔、吸附及过滤效果。制备样品如表1 所示，样品制备过程见图1。

表1 土工覆盖材料Table 1 Covering geomaterials

图1 土工覆盖材料样品制备Figure 1 Samples preparation of covering geomaterial

2.2 覆盖土工材料性能

2.2.1 功能材料

不同功能材料对污染物的吸附效果存在差异，硅藻土是一种多孔性生物硅质岩，具有表面积大、孔隙率高、吸附性能强、性能稳定等特点，在城市污水及工业废水处理中具有广泛应用［10］；本研究选用灵寿县百丰矿产品加工厂生产的硅藻土，SiO2含量≥80%。沸石是一种多孔铝硅酸盐矿物，独特的晶体结构使其具有优异的离子交换性能和吸附性能，同时具有较大的比表面积，使得沸石在去除污水中的有机物、氨氮、重金属离子、氟和磷等方面具有较好的应用前景［11］；本研究选用巩义市丰汇活性炭有限公司生产的沸石，吸氨值为1.0～1.8 mmol/g。活性炭是一种多孔径的碳化物，作为一种优良的吸附剂，具有丰富的孔隙结构，巨大的比表面积及稳定的化学性质，广泛应用于水处理工业中［12］；本研究选用承德县中博活性炭厂生产的活性炭，碘值≥800 mg/g；研究所用砂子为市场采购的河砂中砂，细度模数为2.6。

2.2.2 配重型GCL

配重型GCL 是根据污染底泥原位治理特点和水下可施工性要求研发的一种新型覆盖阻隔土工材料，是底泥原位覆盖用多组分GCL 的一种，其在GCL 的基础上增加了1 层配重功能层，并对产品进行针对性设计，使其具备可水下施工、对底泥扰动小、铺设后稳定牢固等优点。产品结构如图2 所示，为保证覆盖材料的隔离性能，选用防渗性能优异的GCL 作为防渗阻隔材料，其渗透系数≤5×10-9cm/s，能够有效隔离底泥污染物；产品的上层为配重层，一方面增加产品质量，使其具备自下沉特性，利于水下施工及水下稳定性，另一方面配重层材料如砂子可以作为过滤材料，从而进一步净化水体；侧边设有50 cm 宽的无纺布，并在无纺布外沿上装有配重，在水下铺设施工过程中外沿下降速度稍快，能够形成一个网，将因施工扰动的污泥罩在网内，防止污泥迁移；搭接区域只有底层的GCL，搭接宽度约为50 cm，产品搭接方向为顺水流方向，并在搭接区域涂抹搭接膏密封，以保证两幅材料的连接效果。

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

3 试验方案

3.1 试验流程

1）修筑池塘：共计6 个池塘，每个池塘长×宽×高为3 m×2 m×0.7 m，池塘为砖混结构，为防止其他变量影响，修建在公司小车间内。

2）防渗处理：防渗结构从下至上为GCL、3 mm 厚HDPE 膜、无纺布保护层。

3）制备底泥：取附近村庄排污河道内的黑臭底泥，晾晒至半干状态后加入1% 过磷酸钙肥料，使污染底泥富营养化。池塘内底泥摊铺厚度为15 cm，污泥总质量约为1.3 t。

4）铺设覆盖材料：如图3 所示，在底泥上铺设制成的土工垫，土工垫尺寸与池塘底部尺寸相同，边缘用膨润土膏密封并用砖块压覆。6 个池塘铺设的土工垫分别为①GCL；②硅藻土土工垫；③沸石土工垫；④砂子土工垫；⑤活性炭土工垫；⑥配重型GCL。

图3 制备试验池Figure 3 Preparation of the test pond

5）注水：在池塘内注入自来水，注水深度约为45 cm。为防止水位变化对试验产生影响，应及时补充因挥发损失的水分，保证水位不低于40 cm。

6）取样测试：在试验开始前，对每个试验池的底泥和所用自来水取样检测，作为对比参照。6 个试验池每两周取1 次水样送检，检测水质变化，以判断覆盖土工垫对污染物的阻隔吸附能力。水样采用五点式取样法取样，取样器及样品容器满足标准SL 219—2013 水环境监测规范要求。

3.2 测试指标

住房城乡建设部及环境保护部发布的《城市黑臭水体整治工作指南》对城市黑臭水体分级的评价指标包括透明度、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）和氨氮（NH3-N），可选择性调查水体的化学需氧量（CODCr）、总磷（TP）、总氮（TN）、水温、pH、表观污染指数（SPI）等指标。本研究以此为依据，通过对比各指标意义并结合实际测试条件，最终确定了测试指标，其检测标准、方法和使用仪器如表2 所示。

表2 水样和底泥检测标准、方法及使用仪器Table 2 Testing standards,methods and instrumentation of water sample and contaminated sediment

为保证测试数据的稳定性和准确性，试验涉及的所有底泥试样和水样均送至有资质的第三方检测机构（天津市环科检测技术有限公司）检测。

4 结果与分析

4.1 指标测试结果

实验开始前，对各个试验池底泥及试验用自来水进行初始检测，结果见表3 和表4。虽然底泥是在同一处排污河道内取样，但为了更准确地了解底泥的成分差别，本试验对每个试验池铺设的底泥分别取样检测，为后续土工垫上层水质对比提供基础参考。

表3 底泥检测结果Table 3 Test results of contaminated sediment

表4 自来水检测结果Table 4 Test results of tap water

试验池内的水样每两周取样1 次送检，试验持续3 个月，共送检6 次，具体检测结果如图4～图7 所示。

图4 CODCr测试结果对比Figure 4 Comparison of CODCr test results

图5 NH3-N 测试结果对比Figure 5 Comparison of NH3-N test results

图6 TP 测试结果对比Figure 6 Comparison of TP test results

图7 TN 测试结果对比Figure 7 Comparison of TN test results

4.2 试验观察及结果分析

1）由图4～图7 可知，随着时间的增加，各试验池内的水质都出现一定程度的劣化，且污染物浓度还有上升趋势，但对比GB 18918—2020 城镇污水处理厂污染物排放标准，以上4 项指标的检测结果仍远低于标准中最严格的一级A 排放浓度要求，说明在污染底泥上覆盖土工材料，能够起到较好地阻隔污染物扩散的作用。

2）对比测试结果发现，不同功能材料制备的覆盖土工垫，对污染物的吸附、阻隔能力存在差别。如5 号池使用活性炭土工垫覆盖污染底泥，其上层水质中NH3-N、TP、TN 含量几乎是6 个试验池中最低的，但CODCr远高于其他试验池。说明活性炭土工垫能够有效抑制水体的富营养化，但对还原性污染物质的吸附效果稍差。

3）由图4～图7 可知，配重型GCL 作为GCL和砂子土工垫的结合体，对污染物的阻隔能力全面优于单独使用GCL 或砂子土工垫。通过连续监测土工垫上层水质可知，3 个月后，配重型GCL 的上层水质中CODCr为8 mg/L，NH3-N 为0.053 mg/L，TP为0.07 mg/L，TN 为5.84 mg/L，污染物扩散程度在6 种土工垫中同样处于较低水平。此外，配重型GCL 使用的原料价格便宜，加工工艺简单，是底泥原位覆盖治理的优选材料。

4）试验过程中发现，1 号池覆盖的GCL 存在局部被气体顶起的现象，但其他试验池的覆盖土工垫则没有出现该现象。分析原因主要是污染底泥中有机质分解产生了气体，GCL 优异的阻隔性能阻止了气体的排出，使得产生的气体不断汇集，从而能够将质量较轻的GCL 顶起。同样阻隔性能优异的配重型GCL 未出现局部被气体顶起的问题，且由于其在GCL 上复合1 层10 kg/m2的砂子，不但使产品更适合水下铺设施工，而且保证了产品在水下的稳定性。其他试验池内的覆盖土工垫由于功能材料以及上下层土工织物透气性较好，加上自身质量较大，也没有出现土工垫隆起的现象。因此，当底泥原位覆盖使用阻隔性能较好的土工材料时，需考虑底部产生的气体对覆盖土工垫的影响。

5 结论

1）综合比对试验用土工垫的污染物阻隔效果、功能材料价格、可施工性等因素，污染底泥原位覆盖治理推荐使用配重型GCL，其配重功能层为砂子，隔离层为GCL，原料价格便宜，加工工艺简单，有利于其在工程中推广应用。

2）结合试验出现的GCL 顶起现象，当污染底泥中有机污染物较多时，需考虑有机污染物分解产生的气体可能对阻隔性能优异的覆盖土工垫产生的不利影响。