多種疏浚淤泥脫水技術(shù)的典型應(yīng)用及分析

高 揚(yáng)， 孫 科， 譚一軍， 王曉英

(1.江蘇東方生態(tài)清淤工程有限公司， 江蘇 無錫 214125； 2.中國船舶重工集團(tuán)第七〇二研究所， 江蘇 無錫 214082；3.無錫市濱湖區(qū)水利局， 江蘇 無錫 214123)

生態(tài)清淤被認(rèn)為是控制內(nèi)源污染效果明顯的工程技術(shù)措施之一[1]，近年來在各地的水環(huán)境綜合治理工作中得到廣泛應(yīng)用。大量清淤工程的同時開展導(dǎo)致短時間內(nèi)大量污染底泥由水下轉(zhuǎn)移到岸上，堆場緊缺下對環(huán)境容量形成了新的脅迫作用。如何因地制宜地對如此量大的泥漿進(jìn)行減量化處理成為了底泥處置的關(guān)鍵問題之一。

疏浚泥漿的脫水技術(shù)種類繁多，大部分是由傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)化而來，但由于疏浚輸泥處置工程實(shí)施的場地條件、治理要求、工期各不相同，同一種脫水技術(shù)很難優(yōu)于其他同類技術(shù)同時適用于所有疏浚泥漿的干化處理，需針對脫水技術(shù)特點(diǎn)和項(xiàng)目實(shí)施條件因地制宜的設(shè)計處置方案。

本文通過多種淤泥干化技術(shù)在清淤工程中的典型應(yīng)用，分析和總結(jié)各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，以期為疏浚泥漿干化處置方案的設(shè)計提供思路和參考。

1 多種淤泥脫水技術(shù)的典型應(yīng)用及分析

1.1 淺層真空預(yù)壓脫水技術(shù)

真空預(yù)壓作為一種土體加固的方式，被廣泛應(yīng)用于各種軟弱地基土的加固之中[2]。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和延伸，無需設(shè)置砂墊層的新型淺層真空預(yù)壓技術(shù)[3]也應(yīng)運(yùn)而生，其原理是利用密封膜使加固區(qū)域內(nèi)形成密閉空間，使用真空泵通過預(yù)先設(shè)置在密封膜內(nèi)的豎向排水板和水平濾管進(jìn)行抽真空作業(yè)，形成負(fù)壓場并不斷向外排水，使土體強(qiáng)度得到提升。該項(xiàng)技術(shù)已在長蕩湖生態(tài)清淤四期工程的吹填淤泥加固現(xiàn)場得到成功應(yīng)用。

長蕩湖生態(tài)清淤四期工程是《太湖流域長蕩湖(金壇)生態(tài)清淤總體實(shí)施方案》中的一個重要內(nèi)容，清淤量155.7萬m3，排泥場位于中干河以西，普門寺以南，新建環(huán)湖大堤東側(cè)的魚塘內(nèi)，占地約65萬m2，后續(xù)采用淺層真空預(yù)壓技術(shù)對其進(jìn)行場地固結(jié)，真空預(yù)壓施工工期為150 d。實(shí)施過程中首先完成排泥場的退水工作，隨后由人工借助浮臺在泥面上鋪設(shè)供人員著力的編織布，完成后按排水板間距0.8 m、插設(shè)深度3～4.5 m、水平濾管間距1.6 m、主管間距30 m的布置要求進(jìn)行真空管道的布設(shè)和連接，并在其上敷設(shè)1層200 g/m2的土工布和2層0.14 mm厚的HDPE密封膜，均壓入密封溝中完成閉氣使整個預(yù)壓場區(qū)得到密封。上述工作完成后，開始連續(xù)真空抽濾工作。真空加載分兩階段進(jìn)行，首先進(jìn)行逐級加載抽出大量膜下滲水，其次當(dāng)真空度穩(wěn)定進(jìn)入80 kPa后進(jìn)入恒載階段，提高土體固結(jié)強(qiáng)度。最終以連續(xù)5 d平均沉降速率不大于2 mm/d和土體固結(jié)度不小于85%為停泵標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)兩者同時滿足后停泵卸載。真空卸載后對土體進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)，結(jié)果顯示土體承載力特征值大于50 kPa，滿足設(shè)計要求。

由于疏浚淤泥具有強(qiáng)度低、水分不宜排出等不良特性，雖然真空預(yù)壓施工后土體承載力特征值大于50 kPa，但用于建筑地塊仍有較大差距，土體繼續(xù)改良加固時間則過長，成本也較高，故限制了其應(yīng)用，而將其改造成濕地基質(zhì)是可行的方案之一。本工程設(shè)計結(jié)合《太湖流域長蕩湖退圩還湖專項(xiàng)規(guī)劃》，圈圩養(yǎng)殖的廢棄魚塘恰可用于疏浚泥漿的吹填處理，吹填區(qū)再經(jīng)真空預(yù)壓加固后改造成濱水濕地生境，既節(jié)省了淤泥處置的工程成本，又使淤泥得到原位利用，完備了就地造景的基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)了水岸空間布局，一舉多得，是較好的應(yīng)用案例。故該項(xiàng)技術(shù)適用于清淤量大、工期較短、臨湖周邊有大面積堆場且具備后續(xù)開發(fā)利用條件的生態(tài)清淤處置工程。

1.2 織物過濾技術(shù)

織物過濾也稱為土工管袋過濾，最先應(yīng)用于護(hù)岸圍提的加固處理，近年來被廣泛應(yīng)用于疏浚泥漿的干化處理[4]。其原理是利用織物編織過程中所形成的等效孔徑所具有的過濾功能和織物內(nèi)外存在的壓力差，通過藥劑對泥漿的改性調(diào)理促成固液分離，使固相存留于織物內(nèi)部，液相排出，從而使淤泥得到脫水固結(jié)。該項(xiàng)技術(shù)已在無錫市太湖(竺山湖)生態(tài)清淤工程四標(biāo)段中得到成功應(yīng)用。

無錫市太湖(竺山湖)生態(tài)清淤工程四標(biāo)段清淤方量為28.85萬m3，主體工程施工工期僅105 d，疏浚泥漿的岸上處理區(qū)位于宜興和瀆村，臨近太湖西岸，占地約6.5萬m2。實(shí)施過程首先對場地基礎(chǔ)進(jìn)行處理，由下而上依次進(jìn)行排水渠開挖、場地平整碾壓、防滲層、保護(hù)層、過濾層、導(dǎo)滲層和土工管袋的鋪設(shè)。其中防滲層采用厚0.75 mm厚非織造壓花復(fù)合HDPE膜，保護(hù)層采用200 g/m2的土工布，過濾層和導(dǎo)滲層總厚度為300 mm，為粒徑由小到大的級配砂石組成，土工管袋規(guī)格為30 m×15 m，滲透性為20 L/(m2·s-1)。鋪設(shè)完成后進(jìn)行管路的連接和安裝。正式充填按2條土工管袋為一組同時進(jìn)行，泥漿中的大顆粒絮體在袋內(nèi)被織物攔截并不斷堆積，形成新的濾層實(shí)現(xiàn)對小顆粒絮體的截留。充填流量控制由小到大避免出現(xiàn)擺袋，漲袋的最大高度控制在2.5 m，高度到達(dá)后關(guān)閉進(jìn)料閘閥，消落后繼續(xù)充填防止炸袋。第一層土工管袋充填完畢并消落穩(wěn)定后，在相鄰兩袋的搭接縫上鋪設(shè)第二層土工管袋繼續(xù)施工。施工過程余水懸浮物不大于150 mg/L，施工結(jié)束55 d后破袋檢測淤泥含固率不小于55%，滿足設(shè)計要求。

土工管袋用于疏浚泥漿的處理具有運(yùn)輸方便、節(jié)能低耗、可堆疊使用、施工速度快等顯著特點(diǎn)，非常適用于一些量大的應(yīng)急清淤處置工程。但由于其施工所需占地較大，充填結(jié)束2個月后才能對干化淤泥進(jìn)行后續(xù)處置，且不能直接用作回填土加以利用限制了其應(yīng)用范圍。

1.3 機(jī)械脫水技術(shù)

機(jī)械脫水技術(shù)最先用于市政、工業(yè)污泥的減量化處理[5]，隨著生態(tài)疏浚的概念被提出，環(huán)境友好型的機(jī)械脫水技術(shù)被運(yùn)用至疏浚泥漿的脫水處理[6-8]，相比于其他淤泥脫水技術(shù)，設(shè)備集約化程度更高的機(jī)械脫水技術(shù)所需的占地更小、移動性更強(qiáng)是其顯著特點(diǎn)。機(jī)械脫水技術(shù)按其脫水原理的不同在設(shè)備使用上又分為離心、帶式和板框，盡管所用設(shè)備不同，但要實(shí)現(xiàn)脫水工藝的穩(wěn)定高效，三者都必須對疏浚泥漿進(jìn)行一定的前處理以改良其脫水性能、提高其脫水效率，同時均衡泥漿濃度以獲得相對穩(wěn)定的工況。

1.3.1離心脫水

離心脫水技術(shù)主要依靠兩相介質(zhì)的比重差實(shí)現(xiàn)固液分離。該項(xiàng)技術(shù)已在太湖(梅梁湖)生態(tài)清淤2010—2011年工程中得到成功應(yīng)用。

梅梁湖兩期生態(tài)清淤工程合計清淤方量約88.11萬m3，疏浚泥漿處理站位于紅灣山坳，占地約4 200 m2，淤泥脫水處理時間合計約390 d。實(shí)施過程中經(jīng)處理后的泥漿被送入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)轂內(nèi)，比重較大的水化淤泥在高速轉(zhuǎn)動所形成的離心力驅(qū)使下被甩附在外側(cè)形成岸區(qū),并由螺旋推料器收集排出, 而比重較小的分離液則在岸區(qū)內(nèi)部形成液體層，最終被收集并排出脫水機(jī)，施工過程所獲干泥含固率不小于50%，尾水懸浮物不大于150 mg/L，滿足設(shè)計要求。

離心脫水技術(shù)單位時間內(nèi)具有的高脫水效率是其顯著優(yōu)點(diǎn)，但其受淤泥負(fù)荷的波動影響較大，特別是疏浚泥漿連續(xù)處理必定會存在一定范圍內(nèi)的濃度變化，施工過程需專人操作并實(shí)時調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，同時其能耗高、藥劑使用量大、泥餅含固率相對偏低是其明顯缺點(diǎn)。故該項(xiàng)技術(shù)適用于場地較小、工期較短、規(guī)模較大且對泥餅含固率要求不高的生態(tài)清淤處置工程。

1.3.2帶式壓濾脫水

帶式壓濾脫水主要依靠作用在濾帶表面的壓力和濾帶本身的張力，迫使上下濾帶中間攜裹的淤泥不斷被壓榨脫水實(shí)現(xiàn)固液分離。該項(xiàng)技術(shù)已在無錫市楊劉河、揚(yáng)州市沙施河、新城河等多地的生態(tài)清淤工程中成功應(yīng)用。

楊劉河是典型的江南城區(qū)小型水網(wǎng)河道，全長380 m，平均河寬8.7 m，淤積量4 800 m3。其河寬狹窄、跨河橋梁眾多且低矮、駁岸安全隱患、淤積嚴(yán)重、周邊建設(shè)用地緊張均限制了常規(guī)清淤處置技術(shù)，故選擇集約化程度更高的機(jī)械脫水技術(shù)進(jìn)行施工，淤泥脫水工期60 d。淤泥處理站臨時租用劉潭服裝廠內(nèi)廢棄停車場，占地僅360 m2。實(shí)施過程中經(jīng)處理后的泥漿被布料至帶式壓濾機(jī)的重力濃縮段，淤泥在重力濃縮段上被臨空設(shè)置的多級錯位耙梳理，從而進(jìn)一步降低淤泥的流動性并實(shí)現(xiàn)均勻布料。完成初濾后的淤泥被送入楔形區(qū)預(yù)壓和高壓區(qū)壓榨，整個過程中伴隨著上、下濾帶間距和相鄰壓輥曲率半徑的逐漸減小，濾帶對淤泥的擠壓力和剪切力逐漸遞增，淤泥水分得到最大限度的脫除，最終干泥由刮泥板刮除完成卸料，施工過程所獲干泥含固率不小于55%，尾水懸浮物不大于150 mg/L，滿足設(shè)計要求。

帶式壓濾脫水技術(shù)運(yùn)行管理相對簡單、能耗較低、產(chǎn)泥穩(wěn)定且含固率較高是其顯著優(yōu)點(diǎn)，同時由于其兼顧了能耗低和占地小的特點(diǎn)，使得脫水工藝在小型化上的集成度更高，工藝適應(yīng)性更強(qiáng)。但帶試壓濾脫水技術(shù)實(shí)施過程中需要不斷對濾帶清洗以實(shí)現(xiàn)濾孔的再生，大量的反沖洗水間接形成了污水處理內(nèi)循環(huán)的負(fù)擔(dān)，處理率偏低、二次處理成本較高是其缺點(diǎn)。故該項(xiàng)技術(shù)適用于建設(shè)場地面積較小、工期較富裕的生態(tài)清淤處置工程。

1.3.3板框壓濾脫水

板框壓濾脫水主要依靠濾室內(nèi)濾層兩側(cè)的壓力差使淤泥脫水。該項(xiàng)技術(shù)已在無錫梁溪河、南京玄武湖、蘇州多條河道的生態(tài)清淤工程中成功應(yīng)用。

梁溪河是東起京杭運(yùn)河，西至太湖梅梁灣，是無錫城區(qū)水系的清水廊道，屬于典型城區(qū)大中型河道，其中濱湖段全長4.98 km，淤積量達(dá)27.185萬m3，淤泥脫水工期180 d。淤泥處理站位于原水產(chǎn)品市場，占地約1萬m2。實(shí)施過程中經(jīng)處理后的泥漿被輸送分配至由板框相互壓緊形成的各個濾室內(nèi)，在進(jìn)料泵提供的壓力下，淤泥中的大顆粒被濾布截獲并逐漸堆積形成新的過濾層，實(shí)現(xiàn)淤泥顆粒的截留。待固相層厚度逐漸增厚并填滿濾室之前停止進(jìn)料并開始隔膜反壓進(jìn)一步脫除淤泥水分，最后松板卸泥結(jié)束一個脫水全周期的工作，施工過程所獲干泥含固率不小于62%，尾水懸浮物不大于70 mg/L，滿足設(shè)計要求。

板框壓濾脫水技術(shù)操作簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、所獲泥餅含水率低、尾水懸浮物濃度低是其顯著優(yōu)點(diǎn)。但其設(shè)備體積較大、安裝拆除耗時較長、土建費(fèi)用較高、單臺設(shè)備間歇運(yùn)行導(dǎo)致其適用于場地面積適中、工期較寬裕、體量較大的大中型生態(tài)清淤工程。

2 結(jié) 論

本文通過對多種淤泥脫水技術(shù)原理的闡述及在各地生態(tài)清淤工程中的典型應(yīng)用分析，得到以下結(jié)論：

(1)淺層真空預(yù)壓技術(shù)適用于清淤量大、工期較短、臨湖周邊有大面積堆場的生態(tài)清淤處置工程，工程設(shè)計上還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匾?guī)劃重點(diǎn)考慮加固后的地基是否具備后續(xù)開發(fā)利用的條件。

(2)織物過濾技術(shù)是一種施工速率非?？斓挠倌嗝撍侄?，非常適合一些清淤量大且處置周期短的應(yīng)急生態(tài)清淤處置工程，工程設(shè)計上應(yīng)重點(diǎn)考慮建設(shè)場地的占地規(guī)模及征用問題和后續(xù)干化淤泥的消納處置問題。

(3)機(jī)械脫水技術(shù)適用于工期較為富裕的各型生態(tài)清淤工程，特別是場地受限的城區(qū)水系生態(tài)清淤處置工程，工程設(shè)計上應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、場地限制和處置要求選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械脫水技術(shù)，并考慮好干化淤泥的消納處置問題。