目标河段长度约2.6 km，河道宽度400~500 m，底泥厚度0~50 cm，属泥沙混合质，黑色或褐色。此河段沿程内底泥均受到不同程度的重金属污染，主要重金属污染物为汞(Hg)和铬(Cr)。其中，铬的质量分数为434.01 mg·kg⁻¹，汞的质量分数为1.27 mg·kg。经测算，重金属污染底泥总量约162 400 m³。其中，重度污染底泥总量约为54 600 m³。结合目标河段实际情况，对重度污染区段污染区采用环保疏浚联合土工管袋工艺进行异位处理；中度和轻度污染区段因底泥重金属质量分数较低，并考虑该河段水文情况，决定暂不对其进行处理。

1)环保疏浚船的设计。为了不扰动底泥，控制好疏浚过程中底泥重金属向上覆水中的释放，基于重金属污染底泥处理量和处置量大等因素，设计了环保疏浚船，进行底泥抽提，以实现疏浚过程的自动连锁控制。与传统疏浚方式相比，环保疏浚船对疏浚点周围沉积物再悬浮的抑制效果明显，作业过程未造成疏浚区域水体重金属含量的明显增加，可有效避免疏浚过程中水体的重金属污染问题。环保疏浚船主要设计参数包括：船长18 m，船宽4 m，排距2.5 km，功率192 kW，生产率50 m³·h⁻¹，吃水深度0.6 m，挖泥深度0.6~4.00 m。环保疏浚船配有环保疏浚箱(见图1(a))，为本疏浚工程的核心设备。由于长期未清淤的淤泥中可能会含有集聚的硫化氢气体，通过疏浚船注入高压水配合机械扰动的方法去除淤泥中的硫化氢气体，然后通过负压作用将淤泥吸入输泥管，经增压泵输送至指定位置，可将清淤扩散半径控制在2~4 m，水力扰动小。该船自带的高精度定位系统采用RTK定位技术(基于载波相位观测值的实时动态定位技术)(见图1(b))，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度，可彻底解决现有挖泥船只能通过疏浚后采用测量船定期测量疏浚深度，不能实时修正清淤欠挖、超挖的问题。

2)排泥管线的设计。排泥管线在水上以浮筒方式悬浮于水面，两端分别与水上环保疏浚船泥浆泵出口和地上排泥管线相连接。地上排泥管线沿岸边布设，在排泥管线末端各设三通回流管道，以便于环保疏浚船在停止作业后对排泥管线内沉积底泥进行冲洗。

3)附属设施的配配置。按照工程施工要求，疏浚工程选择小型环保疏浚船，船上需配置液压泵电机、绞刀、DGPS 定位系统，以及探深测量与指示装置。

1)脱水场地构建。土工管袋脱水场地是底泥脱水减容工程的主要场地。为避免场地内的污水对周边土壤及地下水的影响，对场地采取了防渗设计。同时，为便于土工管袋的排水和渗水的收集，场地底部排水坡度不小于2%，并在场地四周修建集水沟或集水池。集水沟宽0.5 m、深0.4 m。

2)防渗系统构建。防渗材料采用“两布一膜”的构建方法^[5]，即“针刺无纺土工布200 g·m⁻²+HDPE土工膜2 mm+针刺无纺土工布200 g·m⁻²”。防渗材料敷设在压实粘土上，然后均匀摊铺厚度为0.5 m的天然级配卵石过滤层，在卵石滤层内埋设13根直排管以收集滤后水。滤后水直接进入脱水区集水沟，再汇入集水池(调节容积800 m³)，最后用自吸式排水泵(Q=700 m³·h⁻¹；H=15 m；P=45 kW)输送至混凝沉淀池进行处理，达标后排放。防渗系统构造如图2所示。

3)土工管袋技术指标。土工管袋是实现底泥脱水减容的重要材料，对污泥的脱水起关键作用^[6]。通过前期的调研和考察，筛选出符合本项目技术要求的土工管袋。土工管袋主要技术指标包括物理学性能(抗拉强度≥70 kN·m⁻¹，CBR顶破强力≥8.0 kN，极限填充高度≥2.0 m)和水力学性能(透水率≥0.4 s⁻¹，渗透率≥0.04 cm·s⁻¹，水流速率≥1 200 L·(min·m²)⁻¹，表观孔径0.4~0.6 mm)。本工程所用土工管袋规格尺寸分为长、短2种。其中，长管袋5条(规格30 m×13 m×2.3 m)，根据位置不同分别编号1^#和2^#，短管袋2条(规格16 m×6 m×1 m)，编号3^#。土工管袋平面布置如图3所示。

4)土工管袋摆放与充填。土工管袋安装场地下边应有排水层来收集渗滤液，且保证土工管袋在填充满后不发生滚动现象，也就是要求脱水场地的坡度小于1％。土工管袋产品为卷状包装，展开时用人工或小型机械设备拖拉展开，土工管袋现场摆放如图4所示。

在土工管袋上部，安装一个45°或90°3″PVC弯头，用来连接土工管袋和抽取污泥的管子。连接处确保无缝隙，再用一段软管将弯头和刚性管连接起来。通常需要向污泥中添加助剂使其脱水并减容，如调节剂、絮凝剂。在靠近土工管袋的刚性管上设1个取样口，用来检测污泥的絮凝程度。若没有达到理想的絮凝效果，则需要调整絮凝剂的投加量。另外，管袋四周设高程板，通过板间拉线来控制土工管袋的填充高度。现场管袋充填效果如图5所示，填充参数见表1。当实际充填方量小于最大充填方量时，充填方量越大，土工管袋底泥最终含水率(包含上、下层)就越低。对于单个土工管袋而言，在一定的堆置时间范围内，土工管袋内底泥的含水率自上而下逐渐减小。

1)絮凝药剂投加系统设计。在疏浚出来的污泥进入土工管袋之前，需要投加一定量的絮凝剂，以保证管袋的脱水效果，避免小颗粒的污泥从管袋内析出^[7]。本工程选用PAM和PAC作为絮凝药剂。将200 kg的PAC和制备用水(体积为8 m³)投加到制备罐中至完全溶解，通过传输螺杆泵导入输泥主管路的管道混合器中，PAC药液的质量分数为5%。将10 kg的PAM粉末和制备用水(体积为10 m³)在20 min内逐步投加到制备罐中。熟化后，通过传输螺杆泵导入输泥主管路的管道混合器中，PAM药液的质量分数为0.1%。PAC与PAM投药间隔为20 m，与污泥反应距离约150 m，流速约2.6 m·s⁻¹，反应时间约60 s。

为适应不同场地的情况，絮凝剂制备系统采用移动式絮凝剂投加设备，系统主要包括凝剂制备罐、计量泵及混合器。其中，药剂制备罐体顶部设不锈钢双层式搅拌器。

2)稳定药剂投加系统设计。底泥中的重金属在处理处置的过程中存在再次迁移释放的风险^[8]。本工程通过添加重金属稳定剂来降低重金属元素毒性，达到对底泥重金属污染物处理的目的。采购了简易式稳定剂投加设备，并筛选出效果良好的稳定剂型号，对疏浚底泥进行通水调试，选用硫酰胺类共聚物(enzyme stbilizer，ES)为稳定剂。

为适应不同场地的情况，稳定药剂制备系统采用移动式稳定剂投加设备，包括凝剂制备罐、计量泵及混合器。

脱水场地底部两侧设有排水沟(见图6)。排水沟分别坡向两侧的汇水池内，坡度为0.003%。排水沟底部设有直径100 mm的过水孔(位于HDPE膜上)，间隔2 m，用于将沥出水收集至集水沟内，再汇入位于场地边角的集水池处。每个集水池旁设1台自吸式排水泵，用于将沥出水输送至混凝沉淀系统。在尾水处理过程中，相关的参数如表2所示。

1)脱水时间。管袋内污泥的含水率变化是衡量管袋脱水效率的重要参数^[9]。根据现场观察，管袋的脱水速率主要与管袋的材质、管袋的空隙大小、管袋表面形成泥膜的厚度等因素有关。以土工管袋展示区3^#的2根短土工管袋为研究目标，分别编号a袋和b袋。污泥原含水率为95%。随固化天数的增加，含水率逐渐下降，当固化40 d后，含水率变化趋于平稳(见图7)。在第45天之后，含水率基本稳定在40%左右，使得固化淤泥含固率接近60%，已满足工程技术要求。

2)管袋高度。管袋的高度是衡量管袋效率的另一个重要参数。管袋能达到的最大高度和最终高度决定了每个管袋可容纳脱水后污泥的多少。该参数直接决定了疏浚脱水的成本、管袋处理后袋内污泥的处理方式及处置场地的设计。土工管袋展示区的2根短土工管袋高度随充填时间的变化趋势如图8所示。填充高度随填充时间的增加而变大：填充前期(0~4 h)，充填高度快速增加；填充中期(4~8 h)，充填高度缓慢增加；填充后期(8~12 h)，充填高度趋于平稳。在前期，a袋的充填高度高于b袋；4 h后b袋充填高度比a袋高出约10 cm。这与2家疏浚公司所用疏浚设备不同有重要关系。其中，a袋疏浚公司采用的疏浚设备为环保工具箱，b袋的疏浚公司采用的疏浚设备为带罩环保绞刀。

3)絮凝药剂。絮凝药剂能使底泥的污泥比阻降低^[10-11]，改善河流沙质底泥的脱水性能。PAC的最佳投加量为干泥泥重的1.2%时，底泥的污泥比阻降低81%；当PAM在投加量为0.04%时，底泥的污泥比阻下降了80%。

4)稳定药剂。对脱水后底泥投加ES稳定剂，并对稳定前后重金属Hg、Cr浸出液浓度进行连续1个月监测(见图9)。由图9可知，稳定剂对重金属Cr的稳定效果较好，稳定化率为80%~93%，平均稳定化率为88.28%；但对重金属Hg的稳定效果相对较差，稳定化率为60%~73%，平均稳定化率为65.31%。张景辉等^[3]研究了ES稳定剂对重金属的稳定效果，其中对Hg的稳定化效率也较低，仅为61.2%。这是由于ES稳定剂内含有多种基团，硫酮基、胺基和氧醚均具有与重金属形成配位键的能力^[12]。在稳定Hg、Cr的过程中，稳定剂更易与Cr形成稳定螯合物，故稳定剂对Cr的稳定效果更好。

土工管袋充填结束后污泥含固率的变化如表3所示。对9个样品的含固率进行了检测，发现含固率稳定在57.0%~59.2%，均高于验收标准(≥55%)。

对9个底泥样品中重金属的浸出毒性进行检测(见表4)。Hg质量浓度的最大检出值为0.021 mg·L⁻¹，符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)(限值为0.05 mg·L⁻¹)和《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)(限值为4.5 mg·L⁻¹)的标准；同时总Cr的检出值为0.98~0.08 mg·L⁻¹，符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)和《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)中的标准。

当絮凝剂(PAC或PAM)加入水中后，污染物会继续水解。在此过程中，伴随着凝聚、吸附、沉淀等一系列的物理化学反应过程，从而达到净化目的^[13-14]。以PAC为例，其净水效果明显，絮凝沉淀速度快，适应pH范围宽，能有效地取出水中色度、SS、COD、Hg等重金属离子。对排放尾水进行38批次的检测，总悬浮物最大值为47.22 mg·L⁻¹(限值为50 mg·L⁻¹)，总Hg均为未检出，总Cr均小于0.5 mg·L⁻¹，低于标准限值。

本工程将环保疏浚、土工管袋和底泥絮凝处理联合使用，有效降低了底泥中重金属的含量。其中，土工管袋脱水处理是整个工程的主要部分，絮凝剂的投加增加泥浆自身脱水性能，再配合土工管袋，可提高土工管袋脱水效率，使底泥中重金属含量大大降低。脱水时间、管袋高度、絮凝药剂和稳定药剂等条件为土工管袋脱水处理工程中应考虑的重要因素。工程运用效果表明，土工管袋在重金属底泥治理中有较好的应用效果，底泥中的含固率高于验收标准；同时，底泥重金属浸出毒性和尾水检测指标均满足限值标准。该联合工程的成功实施可为重金属污染河湖底泥环保疏浚提供现场经验，为工艺的集成化实施提供参考。