城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理技術(shù)研究

周 平，蔣 鐵

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

城市暗涵淤泥清理是以水環(huán)境治理為主要目的，城市暗涵淤泥清理效果有著較高的要求。以往城市河道淤泥清理通常采用水力沖淤以及挖泥方式，水力沖淤并不徹底，且需要較大的勞動力；挖泥所用工具(挖泥船)無法適應(yīng)過窄的河道和凈空不足的橋梁，挖泥船作業(yè)過程中攪動河道淤泥，底泥擾動造成淤泥清理過程二次污染，令水體的富營養(yǎng)化程度加深，且船只無法經(jīng)過暗涵，該方法無法適用于城市暗涵淤泥清理。城市暗涵淤泥問題為城市帶來巨大隱患，直接影響城市水環(huán)境治理效果。

暗涵淤泥清理的淤泥如何處理同樣是水環(huán)境治理的重要問題，以往通常采用將淤泥堆放于堆場的指定位置令其自然干燥，但該方法用時較長，且占用大量土地資源，堆場周圍環(huán)境也容易由于堆放的淤泥造成二次污染。采用合適的淤泥處理方法，令淤泥快速脫水，降低其體積以及處理成本[1- 3]，將處理后的淤泥用于合適場所，是城市水環(huán)境治理的重要部分。

近年來隨著科技與經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市生態(tài)污染問題已成為環(huán)境治理領(lǐng)域極為重視部分，水環(huán)境污染是生態(tài)污染的主要問題，城市中存在大量暗涵淤泥是造成水環(huán)境污染的重要組成部分，生態(tài)系統(tǒng)不斷破壞使水環(huán)境問題直接威脅人類健康影響人類生活。近年來各地政府已漸漸重視城市暗涵淤泥問題以及由其帶來的水環(huán)境治理問題，城市河道中存在的暗涵是水環(huán)境治理的難點，城市河道中的暗涵直接影響城市河道水質(zhì)，大量聚集淤泥引起巨大惡臭，直接影響城市整體環(huán)境質(zhì)量，研究城市暗涵淤泥清理以及水環(huán)境治理技術(shù)已成為目前急切需要解決的問題。

2 城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理技術(shù)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

以往的暗涵淤泥清理通過人工與機械結(jié)合的方式，而暗涵內(nèi)淤泥通常沉積多年，經(jīng)過工具攪動后散發(fā)有毒氣體對人體造成極大傷害，采用高效率、低風(fēng)險的暗涵淤泥清理技術(shù)為水環(huán)境治理帶來極大幫助。

隨著科技發(fā)展，機械自動化水平不斷提升，將智能清淤設(shè)備應(yīng)用于暗涵淤泥清理中已成為科技發(fā)展的必然趨勢。水下清淤機器人作為智能化暗涵淤泥清理設(shè)備已被應(yīng)用于眾多城市河道淤泥清理中，采用近年來新型研究的藍德W1300A暗涵清淤機器人實現(xiàn)城市暗涵淤泥清理，城市暗涵淤泥具有清理難度大，淤泥多的特點，采用清淤機器人可高效實現(xiàn)城市暗涵淤泥清理[4- 6]，為水污染治理提供基礎(chǔ)。

城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理技術(shù)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

通過圖1可以看出，城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理技術(shù)清淤前需要足夠的施工準備，機器人清淤后將清水排回河道，淤泥運送至指定地點，通過板框式壓濾機脫水處理后運送至指定堆場留作建筑用土等用途。

2.2 暗涵清淤機器人

藍德W1300A暗涵清淤機器人由深圳市藍德智能機器人有限公司研發(fā)，暗涵清淤機器人整體結(jié)構(gòu)為履帶式結(jié)構(gòu)，利用電力驅(qū)動液壓實現(xiàn)機器人的驅(qū)動，機器人周圍設(shè)置可查看周圍環(huán)境以及輔助照亮周圍環(huán)境的攝像系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)，并且增設(shè)聲吶傳感器，機器人運行過程中水體較渾無法看清周圍狀況時，利用聲吶傳感器通過聲波勘探機器人周圍環(huán)境[7- 9]，為避免與周圍墻體等物體發(fā)生碰撞，機器人可實時顯示機器人與周圍物體的間距。

該暗涵清淤機器人可輕松進入城市暗涵內(nèi)部實現(xiàn)高效淤泥清理作業(yè)，機器人共包括泥水分離系統(tǒng)、排泥裝置、排水裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及機器人本體6部分。暗涵清淤機器人由地面上控制人員實現(xiàn)機器人暗涵內(nèi)行走淤泥清理控制。

暗涵清淤機器人工作原理如圖2所示。

圖2 暗涵清淤機器人工作原理

暗涵內(nèi)間隔50～150m需設(shè)置檢查井或者暗涵頂板開孔，便于排水管泥漿管接入通道，暗涵清淤機器人最大工作半徑為150m。暗涵清淤機器人實時將暗涵內(nèi)的淤泥清除情況通過攝像探頭傳輸至顯示設(shè)備，由控制人員發(fā)出行走或作業(yè)命令，利用控制指令實現(xiàn)遠程無線控制，直至暗涵內(nèi)全部目的區(qū)域淤泥清除完成。

暗涵清淤機器人實物圖如圖3所示。

圖3 暗涵清淤機器人實物圖

暗涵清淤機器人主要工作部位為機械部分、監(jiān)控部分以及行走部分，由傳動部分、機械本體以及清淤斗組成了機器人機械部分，機器人運行過程中啟動、制動、控制以及動力源均通過機械本體提供，機械本體是暗涵清淤機器人運行核心。

暗涵清淤機器人機箱周圍備有攝像頭以及聲吶傳感器等監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備需要高于清淤斗，攝像頭等監(jiān)控設(shè)備具有夜視功能且設(shè)置防水設(shè)施，可適應(yīng)城市暗涵惡劣的工作環(huán)境。地面指揮系統(tǒng)可實時監(jiān)測機器人工作狀態(tài)，便于管理者依據(jù)機器人工作狀態(tài)以及工作環(huán)境做出下步命令。

暗涵清淤機器人通過履帶式方式行走于城市暗涵中，城市暗涵中淤泥含有建筑垃圾、生活垃圾等眾多垃圾，且淤泥深淺不一，機器人采用履帶式行走方式具有容易越過障礙物，爬坡能力強的優(yōu)勢[10- 12]，履帶式行走方式可實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境平穩(wěn)行走，且結(jié)構(gòu)簡單，可適用于城市中的不同種類暗涵淤泥處理。

2.3 淤泥快速處置

通過板框式壓濾機對采用清淤機器人排除的淤泥實施機械脫水，城市暗涵中包含淤泥眾多，而通常并不具有大面積臨時堆場，采用壓濾機實時處理排除的淤泥，淤泥實時處理是水環(huán)境治理的重要部分。

板框式壓濾機包括濾布、濾板、濾框、壓緊機構(gòu)等部分，板框式壓濾機處理暗涵淤泥的工藝流程如圖4所示。

圖4 板框式壓濾機工藝流程

板框式壓濾機的自動格柵機將暗涵清淤機器人排除的淤泥依據(jù)雜物、粗顆粒、細顆粒分選，將漂浮雜物運送至指定堆場，粗顆粒與細顆粒分別送入沉淀池沉淀以及傳送至濃縮池，利用自動加藥系統(tǒng)加入絮凝劑于泥漿中，選取PAM(聚丙烯酰胺)作為淤泥處理絮凝劑，絮凝劑加入濃度為15～25mg/L，泥漿沉淀于濃縮池底時，通過加壓泥泵裝備將池底泥漿抽取，利用自動化加藥裝備以及管道混合器混合添加劑以及泥漿，混合后泥漿傳送至物料池，并通過攪拌機攪拌、調(diào)和和均化后，通過加壓泥泵裝備將完成處理的泥漿抽吸并發(fā)送至板框式壓濾機實施壓濾脫水[13- 15]。

完成壓濾脫水后的干化土，通過裝載機以及輸送機發(fā)送至指定堆場，并需要檢測干化土含水率，干化土需要符合脫水要求[16]。采用板框式壓濾機脫水的干化土含水率可低至30%～45%，可應(yīng)用于建筑等領(lǐng)域中。

淤泥快速處理時需要嚴格避免二次污染，因此壓濾脫水后形成的余水需要如下處理：濃縮池上部溢流水凈化后排放至余水處理池，脫水車間內(nèi)剩余的水上部與下部分別排送至余水處理池以及利用管道回排至濃縮池。

脫水后獲取的干化土依據(jù)營養(yǎng)成分、有機物成分以及重金屬成分選取合適的資源化利用途徑，由于機械脫水過程中通過添加劑實現(xiàn)處置，因此獲取的干化土盡量避免農(nóng)業(yè)用途，采用機械脫水處置后的干化土可作為場地回填、制造陶粒、磚等建筑材料中，實現(xiàn)土壤可循環(huán)利用，并實現(xiàn)水環(huán)境污染治理目的。

3 實驗分析

為檢測本文研究城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理技術(shù)對于城市暗涵淤泥的治理以及水環(huán)境治理有效性，選取北京涼水部分河道的暗涵進行試驗，檢測該方法城市暗涵淤泥清理與水環(huán)境治理有效性。實驗地點周圍含有大量污水處理廠，降雨以及污水處理廠形成地面徑流，直接排入該暗涵中，該河道還具有生活污水排放口，因此暗涵中具有大量淤泥以及生活垃圾，水質(zhì)極差，且含有大量有機物質(zhì)。該河道的暗涵屬于并排雙涵洞，暗涵長度為4.5m，暗涵寬共為3.8m，該暗涵水下淤積量為23m3。

實驗進行于2018年10月6日下午15時，通過長臂吊機將藍德W1300A暗涵清淤機器人順利進入該河道暗涵內(nèi)。

經(jīng)過機器人55min運作后，該暗涵淤泥清理結(jié)束，通過實驗前后測試泥面高程，利用河道相鄰斷面長度與平均面積獲取本次淤泥清理總方量為22.92m3，實驗結(jié)果符合淤泥清理要求。

通過實驗結(jié)果可以看出，該機器人的淤泥清理效率高達25m3/h，采用機器人清理城市暗涵淤泥的效率相比以往的人工暗涵淤泥清理效率提高了20%，且節(jié)省人工成本約40%，采用機器人清理城市暗涵淤泥獲取了預(yù)期效果，驗證該機器人清除城市暗涵淤泥有效性。

統(tǒng)計該暗涵淤泥處理前后水質(zhì)變化，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 暗涵淤泥處理前后水質(zhì)對比

通過表1統(tǒng)計結(jié)果可以看出，采用暗涵清淤機器人清理淤泥后，該河段的水質(zhì)有了明顯改善，實驗結(jié)果可以驗證，采用暗涵清淤機器人清理淤泥對水環(huán)境治理的作用。

統(tǒng)計采用板框式壓濾機處理淤泥連續(xù)十天出水以及出泥的懸浮物含量以及淤泥含固率，對比結(jié)果見表2。

通過表2統(tǒng)計結(jié)果可以看出，經(jīng)過板框式壓濾機處理淤泥后出水懸浮物含量以及出泥含固率分別小于150mg/L以及大于55%，符合淤泥處理國家標準，驗證本文方法處理淤泥有效性。

表2 脫水前后對比

統(tǒng)計實驗前后暗涵不同深度的含水率，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 實驗前后暗涵含水量

通過圖5實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法清理城市暗涵淤泥，該暗涵2.4m深度的含水率由31%提升至77%，實驗結(jié)果再次驗證，本文方法清理暗涵淤泥是有效的。

將本文方法應(yīng)用于該暗涵淤泥的長期治理中，清理時間為每30天一次，檢測該方法長期治理水環(huán)境效果。統(tǒng)計2018年10月—2019年9月的水質(zhì)檢測結(jié)果見表3。

通過表3實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法治理后，該暗涵所在河道水質(zhì)各項指標均符合河道排放標準，采用該方法清理城市暗涵淤泥可有效提升城市河道水質(zhì)，實驗結(jié)果有效驗證采用該方法清理暗涵淤泥以及治理水環(huán)境有效性。

4 結(jié)論

城市暗涵中淤泥是水環(huán)境治理問題的重點與難點，選取藍德W1300A暗涵清淤機器人實現(xiàn)城市暗涵淤泥清理，該機器人具有不斷流作業(yè)、高效、高自動化、安全性高的優(yōu)勢，將該方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工清淤方式已成為科技發(fā)展的必然趨勢。隨著城市快速發(fā)展，城市水環(huán)境治理極為重要，將清淤機器人應(yīng)用于城市暗涵淤泥清理中，加速城市水環(huán)境治理以及河道治理智能化與自動化，清淤機器人具有的高安全性能使安全清淤不再是難題。將清淤機器人所排出淤泥采用板框式壓濾機快速脫水，脫水后干化土可作為建筑用土，實現(xiàn)良好的社會經(jīng)濟效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表3 水質(zhì)檢測結(jié)果 單位：mg/L