巢湖淤泥土工管袋脫水效果試驗(yàn)研究

黃 濤，沈保根，鄢 俊，黃昭杰

(1.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230011；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210024；3.安徽瑞迪工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243100)

土工管袋填芯底泥的填充及排水是土工管袋制作的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于黏粒含量較高的黏質(zhì)粉土，泥漿充填后泥沙顆粒的沉淀速度慢且容易堵塞管袋孔隙，從而降低脫水效率[1]。針對(duì)土工管袋脫水絮凝問(wèn)題，黃佳音等[2]對(duì)白洋淀底泥進(jìn)行絮凝脫水試驗(yàn)，提出適用于白洋淀土工管袋脫水的絮凝方案；王菲等[3]研究了3種絮凝劑對(duì)武漢官橋湖底泥脫水特性的影響，發(fā)現(xiàn)單一絮凝劑能顯著改善淤泥脫水性能，但不能穩(wěn)定泥餅中的污染物；畢濤等[4]結(jié)合天津?yàn)I海地區(qū)某水庫(kù)的底泥疏浚治理工程，在疏浚船舶和絮凝劑的配合下，對(duì)土工管袋填充過(guò)程展開研究，篩選出最佳管袋類型、底泥脫水后含水率變化以及施工中的控制方法等技術(shù)指標(biāo)。上述研究雖然可以為淤泥管袋工程實(shí)踐提供一些參考，但由于各區(qū)域自然條件、底泥理化特性及外源控制等存在差異，目前對(duì)于巢湖湖區(qū)底泥特性和管袋填充技術(shù)尚待進(jìn)一步研究。而隨著巢湖湖區(qū)水環(huán)境保護(hù)力度的逐年加大，對(duì)底泥處理的環(huán)境安全性也提出更高的要求。

本文依托巢湖入湖航道口門攔沙導(dǎo)堤建設(shè)工程，設(shè)計(jì)不同的絮凝劑小試方案，開展實(shí)驗(yàn)室淤泥脫水固結(jié)小試試驗(yàn)，應(yīng)用單因素分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)絮凝劑和固化劑添加比例。在此基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場(chǎng)土工管袋中試試驗(yàn)，得出最佳的淤泥充填流速與試劑充填流速之比，并對(duì)固化底泥和排放濾水環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以期為后續(xù)土工管袋導(dǎo)堤工程實(shí)踐提供數(shù)據(jù)支撐和施工指導(dǎo)。

1 工程概況

白石天河位于安徽省廬江縣北部、巢湖西南口，由西向東流，于吳家圩注入巢湖，全長(zhǎng)35.5 km，按Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，航道總挖方為308.3萬(wàn)m3(含超寬、超深量)。為減輕風(fēng)浪對(duì)白石天河河口處泥沙運(yùn)動(dòng)的影響、減少航道回淤，擬在航道入湖口門處實(shí)施攔沙導(dǎo)堤工程，項(xiàng)目地理位置見(jiàn)圖1。導(dǎo)堤在航道中心兩側(cè)按整治寬度對(duì)稱布置，長(zhǎng)2.0 km，寬120 m，堤縱軸線向外側(cè)拐折形成凹角(>150°)。為盡量減小工程建設(shè)對(duì)于湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，導(dǎo)堤堤心擬采用航道疏浚底泥充填土工管袋方案?？陂T處地質(zhì)特征巖性自下而上為中砂、細(xì)砂、稍密性粉土、可塑性粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、松散性粉土、軟塑性粉質(zhì)黏土、淤泥。表1列出工程位置湖底疏浚淤泥重金屬及總磷總氮檢測(cè)指標(biāo)，依據(jù)沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法[5]，口門采樣點(diǎn)處淤泥重金屬沉積成份屬于低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 項(xiàng)目地理位置

表1 疏浚淤泥重金屬及總磷總氮檢測(cè)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 小試試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)原材料

1)淤泥樣品。在航道入湖口門處采樣湖底淤泥，通過(guò)添加一定比例的原水配置泥漿模擬工程疏挖形成的疏浚泥漿。

2)絮凝劑。絮凝劑可分為無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和復(fù)合絮凝劑等。本試驗(yàn)主要選取有機(jī)絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化鋁(PAC)。試驗(yàn)根據(jù)不同絮凝劑種類分為A(PAM中性)、B(PAM陰離子型，帶負(fù)電荷)、C(PAM陽(yáng)離子型，帶正電荷)、D(聚合氯化鋁)、E(聚合硫酸鋁)、F(聚合氯化鐵)、G(聚合硫酸鐵)、H(改性活化硅酸)、I(聚硅酸硫酸鋁)共9個(gè)方案。

3)固化劑。聚電解質(zhì)類外加劑。

2.1.2方案設(shè)計(jì)

1)按照上述絮凝劑方案，配置濃度0.5%的絮凝劑溶液100 mL，加入到裝有200 mL泥漿的燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，直至上清液澄清，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小和絮團(tuán)密實(shí)度，綜合評(píng)價(jià)絮凝劑的絮凝效果。

2)選取上一步試驗(yàn)中的最佳絮凝劑，濃度分別配置為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%，將上述不同濃度的絮凝劑加入到裝有200 mL泥漿的燒杯中，玻璃棒攪拌均勻，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小及上清液水質(zhì)情況，綜合評(píng)價(jià)絮凝劑的絮凝效果。

3)選取上一步試驗(yàn)中的最佳絮凝劑，設(shè)計(jì)添加量梯度比試驗(yàn)，向5個(gè)裝有200 mL的泥漿杯中分別加入1、2、5、10、15、20 mL的絮凝劑，玻璃棒攪拌均勻，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小及上清液水質(zhì)情況，綜合評(píng)價(jià)絮凝劑添加量效果。

4)通過(guò)向絮凝脫水后的淤泥中加入一定量的固化劑，使改良后的淤泥經(jīng)過(guò)干燥后具有一定的疏水性能，保證回水后的改性淤泥不會(huì)被再度溶解。由于工程進(jìn)度要求，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，采用向絮凝后的淤泥中加入10%固化劑的方案，觀察試樣結(jié)果，判斷改性底泥固化后遇水是否穩(wěn)定。

2.2 中試試驗(yàn)

在上述小試試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)，選取距白石天河口1 km處的空曠區(qū)域作為本試驗(yàn)的中試場(chǎng)地，為試驗(yàn)所需用水及淤泥制漿、充填及脫水提供便利。中試試驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2，中試內(nèi)容包括準(zhǔn)備堆場(chǎng)、布設(shè)土工管袋、疏浚泥漿充填、脫水干化等全過(guò)程環(huán)節(jié)，為充泥管袋導(dǎo)堤工程實(shí)施提供參考。

圖2 中試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

2.2.1試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)使用湖底表層淤泥，通過(guò)水力沖挖泵吸的方式儲(chǔ)集于淤泥池內(nèi)，淤泥濃度控制在20%～30%。絮凝劑和固化劑均為實(shí)驗(yàn)室小試所得最優(yōu)類型。土工管袋滿足GB/T 17641—1998《土工合成材料 裂膜絲機(jī)制土工布》相關(guān)指標(biāo)要求。

2.2.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

利用氣動(dòng)隔膜泵向管路中輸送絮凝劑及固化劑，淤泥通過(guò)泵輸送至管路中，三者在管路中進(jìn)行充分混合，充填入土工管袋中并進(jìn)行脫水固結(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)加藥箱流速控制絮凝劑及固化劑的添加量，始終保證出水澄清且出水黏度較低，得出最佳的淤泥充填流速與試劑充填流速之比。中試試驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 中試試驗(yàn)流程

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 小試試驗(yàn)結(jié)果

采用單因素試驗(yàn)的方法研究絮凝劑對(duì)淤泥泥水分離效果的影響。影響泥水分離效果的主要因素有絮凝劑的種類、濃度、用量。小試試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)整絮凝劑的投加量，研究不同類型絮凝劑的絮凝效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同方案絮凝劑脫水絮凝效果

對(duì)比絮凝劑方案可知：A、F、H、I上層液體呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)，說(shuō)明上述方案絮凝劑對(duì)泥漿試樣無(wú)絮凝作用；B、G方案的絮凝劑絮凝效果較差，絮體密實(shí)度松散；C、E方案絮凝效果較好，而C方案中絮凝劑相較于E方案用量明顯較小?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，選取C方案絮凝劑進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

使用C方案絮凝劑研究不同絮凝劑濃度的對(duì)絮凝效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同濃度的絮凝劑絮凝效果

從表3可知，隨著絮凝劑濃度的增加，絮凝體密實(shí)度相應(yīng)增大，相應(yīng)絮凝劑的黏度也隨之增加?？紤]到后續(xù)環(huán)節(jié)絮凝劑需通過(guò)泵送的方式進(jìn)入混合管中，絮凝劑的黏度不宜過(guò)大，因此選取濃度為0.5%的絮凝劑進(jìn)行添加量影響試驗(yàn)。設(shè)計(jì)6種不同添加量參數(shù)，觀察絮凝劑絮凝效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同添加量的絮凝效果

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著絮凝劑添加量的增加，絮體密實(shí)度相應(yīng)增大，但添加量增加到一定量后沉降性能反而下降，上層液體澄清度表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)中最佳絮凝效果，確定0.5%濃度的絮凝劑添加量為1 mL/100 mL泥漿。

添加絮凝劑并加入固化劑混合、干化后的底泥見(jiàn)圖4。與未加入固化劑的試樣對(duì)比，固化底泥顏色呈灰白色。取一小塊固化底泥置于水中，觀察7 d后未出現(xiàn)溶解及溢散現(xiàn)象，試樣對(duì)比見(jiàn)圖5。固化劑的加入使底泥具備了一定強(qiáng)度，且整體的疏水性能增強(qiáng)，具有足夠的水穩(wěn)定性。

圖4 固化劑添加淤泥前、后對(duì)比

圖5 固化底泥變化情況

3.2 中試試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)控制以保證管袋出水澄清且黏度較低(圖6)，同時(shí)考慮試劑的經(jīng)濟(jì)效益因素，最終確定絮凝劑的摻量為3.3～3.4 kg/m3干方淤泥，固化劑的摻量為淤泥干方量的10%。淤泥的充填速率為0.8～1.0 m3/h，絮凝劑的充填速率為1.0～1.2 m3/h，固化劑的充填速率為0.08～0.10 m3/h。由于淤泥池不同區(qū)域淤泥濃度存在差異，若管袋出現(xiàn)出水渾濁現(xiàn)象，需及時(shí)調(diào)節(jié)絮凝劑的充填速率。

圖6 濾出水情況

對(duì)土工管袋濾水和固化底泥進(jìn)行采樣檢測(cè)，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，固化底泥成分見(jiàn)表6。

表5 土工管袋濾出水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表6 固化底泥氧化物成分含量

由上述檢測(cè)結(jié)果可知，土工管袋脫水技術(shù)能夠降低排放的總磷含量，但因選用了含氮元素類絮凝劑導(dǎo)致氨氮含量增加。管袋濾水中磷酸鹽(以P計(jì))和氨氮濃度均低于GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》允許排放濃度(一級(jí)標(biāo)準(zhǔn))0.5 mg/L和15 mg/L；固化底泥主要為硅酸鹽黏土成分，重金屬含量(Cr、As、Pb、Ni、Zn和Cu)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的要求。

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)室小試試驗(yàn)結(jié)果表明，以陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺為主的絮凝劑比較適用于巢湖淤泥脫水效果處理，0.5%濃度的絮凝劑最佳投加量為1 mL(100 mL泥漿)；固化劑最佳投加量為淤泥干方量的10%。上述組合可使底泥泥漿達(dá)到快速脫水減容的效果。

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)中試并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，絮凝劑摻量為3.3～3.4 kg/m3干方巢湖淤泥；巢湖淤泥填充速率為0.8～1.0 m3/h；絮凝劑充填速率為1.0～1.2 m3/h；固化劑充填速率為0.08～0.10 m3/h。

3)對(duì)巢湖濾水水質(zhì)和固化底泥進(jìn)行檢測(cè)，濾水中總磷(TP)去除率達(dá)63.6%且氨氮含量、底泥所含重金屬均符合相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，利用土工管袋進(jìn)行淤泥脫水從環(huán)保角度是安全的。

4)本文試驗(yàn)結(jié)果是在施工區(qū)域小范圍內(nèi)采樣并在實(shí)驗(yàn)室理想試驗(yàn)條件下得到的，利用土工管袋進(jìn)行淤泥脫水的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果尚待工程實(shí)踐檢驗(yàn)。