某大型污泥填埋場不揭膜取泥技術研究

葉源新，杜 炯，劉若元

[1.上海城投水務（集團）有限公司，上海市200021；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；3.中交上海航道局有限公司，上海市200001]

0 引 言

隨著污水量的增加和收集率及處理率的提高，污泥的產生量在逐年增加[1，2]。2010 年前后，大量污水廠污泥未經嚴格處理直接在填埋場中進行傾倒，形成具有一定隱患風險的污泥庫，如無錫梅園、深圳下坪、蘇州七子山及南昌麥園等填埋場[3，4]。這些未經預處理而直接傾倒在填埋場的污泥會被后續(xù)堆載的垃圾引起污泥受擠壓，污泥變形過大以及強度不足將會導致填埋工程事故[5，6]。因此，對簡易填埋的污泥庫的處置需要重點關注，盡快安全處置，防患于未然，這是當前面臨的關鍵難題。對于污泥庫中的污泥后續(xù)采用焚燒、土地利用、建材化等處置方式，受到如何將污泥穩(wěn)定取出的限制，取泥過程中需要考慮取泥作業(yè)安全、臭氣散發(fā)二次污染等問題[7，8]。因此，采用膜下清淤的方法，改善污泥的物理力學性質，是一種比較合理的方法。

目前，膜下清淤方法主要是指利用清淤機器人對填埋場陳腐污泥進行膜下清淤。在填埋場不開膜的工況下將污泥從試驗庫區(qū)抽取出庫，經除雜池除雜后通過接力泵輸送至污泥調理池，進行后續(xù)污泥處置，保證污泥臭氣無大面積散逸。

針對污泥自身的特點，本文對上海某填埋場污泥庫中污泥進行了現(xiàn)場中試試驗，采用膜下清淤機器人技術對試驗坑污泥進行取泥處理，在現(xiàn)有可行基礎上進行連續(xù)生產試驗，提出膜下清淤的改進方案，為后續(xù)項目落地施工組織設計提供指導依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗場地情況

將填埋區(qū)污泥坑進行分類編號：1#～12#，其中1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#為覆膜區(qū)，9#、10#、11#、12#為覆土區(qū)，4# 和2# 半格為未填區(qū)，編號示意圖如圖1 所示，該試驗在3# 坑進行。

圖1 填埋場污泥坑編號圖

因填埋場填埋污泥存在明顯的泥水分界界面，采用瞬變電磁法進行勘探，3# 坑水- 泥界面、池底界面反演結果如圖2 所示。

圖2 3# 填埋坑反演成果圖

結合測量和實際物探結果，3# 坑水層深度在1.9 m，污泥層深度在5.4 m。

1.2 試驗設備和材料

1.2.1 道路及場地處理

進入現(xiàn)場試驗庫區(qū)的道路主要有南北兩條，均為瀝青混凝土道路，寬3.5 m，滿足機械車輛單向通行。

現(xiàn)場主要設備布置包括發(fā)電機、除雜系統(tǒng)、集控室、試驗室、休息室及4 臺絞車布置在圓形卸料平臺或南北道路上，基礎均為瀝青混凝土，均化設備、壓榨設備布置于北進場道路北側場地上，北進場道路北側場地為未填污泥區(qū)，土質松軟，機械車輛進出場以及設備布置均存在安全隱患，因此在對一些區(qū)域進行場地平整以及鋼板鋪設。

此外，考慮到汛期降雨道路易積水，在積水嚴重區(qū)域設置集水井，在北進場道路設備擺放區(qū)域北側設置排水溝，防止泥土塌陷。

1.2.2 臨時用電

現(xiàn)場臨時用電主要分為兩部分，一部分為集控室、試驗室以及休息室基本辦公、試驗用電，用電設備總功率約46.15 kW，電源進線引自于200 m 處-10～-0.4 kV 變電站，采用三級配電，二級防護；另一部分為清淤裝置、除雜格柵、接力泵、攪拌機以及板框等設備的生產用電，用電設備總功率約361.2 kW，電源進線引自額定功率400 kW 的發(fā)電機，采用三級配電，二級防護。

1.2.3 生產及生活臨時用水

該項目主要包括清淤高壓沖水用水、場地或設備清洗用水等，現(xiàn)場可使用污水處理廠中水（中水流量約4 m3/h）和膜上積水。

1.3 試驗方法

（1）基礎設置：根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及結合該工程特點，絞車及滑輪組基礎采用可移動式預制件形式進行建設。

（2）覆膜開口：在開膜前，需對膜下氣體進行取樣檢測分析，分析內容主要包括氣體的爆炸極限以及氣體成分。檢測結果顯示，膜下氣體未達到爆炸極限，同時有毒有害氣體濃度未達到《惡臭（異味）污染物排放標準》（DB 31/1025—2016）。

如圖3 所示，在覆膜開口完成后，將小口全部封住，針對大口制作可掀蓋的HDPE 膜進行封蓋。

圖3 膜下取泥開口處圖

（3）膜下穿繩：清淤裝置在放入污泥坑之前，需將4 臺絞車的鋼絲纜繩在膜下穿過并與裝置連接。項目中采用自主設計的專用牽引設備將纜繩穿過覆膜。

（4）裝置入庫：入庫點的選擇需考慮吊裝機械的作業(yè)平臺，以及裝置入庫后可全部置于覆膜以下。項目中選擇距離圓形卸料平臺堤頂水平距離約4m 處作為入庫點，并根據(jù)裝置重量選擇合適的吊裝機械進行吊裝入庫，入庫過程中對清淤裝置的壓倉水進行調整，保證清淤裝置能夠依靠自重下沉至泥層。

（5）污泥抽取：如圖4 所示，整套不開膜清淤系統(tǒng)由膜下清淤系統(tǒng)、岸上牽引系統(tǒng)、管纜收放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢修系統(tǒng)五部分組成。在裝置入庫并潛入污泥后，可正式開始抽取污泥，通過四角牽引系統(tǒng)調整清淤系統(tǒng)的位置，抽取的污泥直接打入污泥除雜區(qū)，經過除雜后進入儲泥單元，待后續(xù)污泥脫水試驗使用。

圖4 不開膜清淤施工斷面圖

（6）污泥除雜：經現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，試驗庫區(qū)污泥中垃圾較多，主要為塑料、橡膠類垃圾，因而污泥抽取后的除雜工作變得格外重要。項目中選用耙齒式機械格柵機進行垃圾過濾，該格柵機過濾孔徑為5 mm。

3 試驗結果與分析

3.1 清淤裝置生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

為評估清淤裝置在該項目中的生產效率，對整個項目試驗過程中污泥抽取的生產數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。生產數(shù)據(jù)主要包括污泥抽取時間、污泥濃度、管道流量，其中污泥濃度數(shù)據(jù)通過快速水分分析儀檢測得到，管道流量數(shù)據(jù)通過電磁流量計監(jiān)測得到。

該項目中選用的清淤裝置設計清水流量為350 m3/h，實際生產過程中為了匹配后端接力泵（150 m3/h）從儲泥池輸送泥漿至調理池的效率，按60%負荷運行。此外，庫區(qū)污泥中垃圾含量比想象的多，連續(xù)生產情況下垃圾會纏繞堵塞泥泵吸口，對生產時的污泥濃度和流量有一定影響。因此，在污泥抽取、調理、脫水干化的試驗生產過程中，為保證污泥的高質量持續(xù)供應，現(xiàn)場臨時配備起重吊車配合堵泵時清理垃圾，泵口垃圾清理后污泥濃度和流量會有明顯改善，所以在后續(xù)項目正式實施時，應該考慮采取垃圾前端堵泵清理措施。

根據(jù)生產記錄數(shù)據(jù)繪制試驗過程中污泥出庫量的累計生產情況如圖5 所示。試驗過程中，累計生產時間約17.23 h，累計抽取膜下污泥約2 535 m3，抽取出的污泥濃度主要為2%～13%，根據(jù)各時間段抽取的污泥方量和含水率計算累計絕干量為127 t，計算清淤裝置生產效率約為147 m3/h。

圖5 試驗過程中污泥出庫量統(tǒng)計

3.2 連續(xù)8 h 污泥抽取試驗分析

為分析該清淤裝置連續(xù)運行時的生產效率以及出泥濃度，進行了連續(xù)8 h 污泥抽取試驗?，F(xiàn)場利用清淤裝置自循環(huán)抽泥，抽泥出庫再排入庫區(qū)，利用電磁流量計監(jiān)測排泥流量，保持最大負荷清淤裝置抽泥，共試驗兩批次，每批次連續(xù)抽泥8 h。

第1 次8 h 連續(xù)抽泥試驗（吊車配合）：第1 次8 h連續(xù)抽泥試驗過程中，清淤裝置由絞車和吊車配合，抽泥濃度或流量不理想時先通過絞車調整位置，若污泥濃度或流量仍然不理想則通過吊車提起裝置清理吸口垃圾，繼續(xù)試驗。連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化如圖6 所示。

圖6 連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化（第1 次）

通過第1 次8 h 連續(xù)抽泥試驗可以看出，清淤裝置在入庫運行前清理吸口所有垃圾，起初抽泥流量較大，污泥濃度不高；隨著抽取的污泥濃度升高，流量有所降低，繼續(xù)運行一段時間流量會降低到一定程度，同時濃度也會降低，現(xiàn)場分析是因為垃圾堵住吸口濃度高的污泥難吸入，吊出清淤裝置清理垃圾后又會恢復濃度。此外，可以看出每次通過絞車拖動清淤裝置到新位置，污泥濃度都會顯著提升，待一段時間后濃度又會降低，這是裝置附近污泥被抽取出來的直接現(xiàn)象，可見清淤裝置抽泥效果顯著。

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗（無吊車配合）：第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗過程中，清淤裝置僅用絞車配合，抽泥濃度或流量不理想時，通過絞車調整。連續(xù)8 h抽泥試驗污泥流量及濃度變化曲線如圖7 所示。

圖7 連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化（第2 次）

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗中，清淤裝置入庫運行前吸口無垃圾，起初抽泥流量大，污泥濃度較高；隨著持續(xù)抽泥，污泥濃度和污泥流量整體呈下降趨勢；最終濃度和流量穩(wěn)定在1.72%和140 m3/h 左右。通過絞車拖動清淤裝置到新位置，污泥濃度都會有所提升，但隨著垃圾逐漸堵塞泵口，濃度和流量最終還是會受到影響。

3.3 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗分析

模擬連續(xù)24 h 污泥抽取試驗，14 點開始連續(xù)抽泥，分三段進行：

（1）14:00—20:00，有吊車、絞車配合取泥，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)；

（2）20:00—次日6:00，只用絞車配合取泥，每15 min 記錄1 次數(shù)據(jù)；

（3）次日6:00—次日12:00，有吊車、絞車配合取泥，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)。

連續(xù)24 h 污泥抽取試驗濃度變化曲線如圖8 所示。

圖8 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗濃度變化曲線

4 結 論

（1）懸索取泥裝置能夠在不開膜的情況下完成取泥工作，并且取泥器具在膜下能正常移動和定位。清淤取泥裝置在24 h 連續(xù)取泥過程中最高流量為217.23 m3/h，最低流量為88.74 m3/h，平均流量153.1 m3/h。

（2）膜下垃圾眾多，大量垃圾堵泵嚴重，對生產效率影響較大；膜下清淤污泥濃度變化較大，變化范圍大致為90%～99%，對后續(xù)脫水干化施工影響較大。

（3）針對庫區(qū)過大，導致膜下清淤設備移動軌跡難以達到預期，在工程的實際實施過程中可采用有效劃分施工庫區(qū)的解決方案，一個大的庫區(qū)分為幾個小的區(qū)域，分批次施工。

（4）針對膜下工況復雜，垃圾含量較高情況，后續(xù)工程實施配置更大產能及更大通過粒徑的膜下清淤裝置，減少垃圾淤堵風險，同時污泥出庫后需采用組合除雜工藝進行多重除雜，特別是針對其中的絮狀不易清除的垃圾，需專門對工藝進行改進。

（5）針對流量和濃度穩(wěn)定性較差的不足，后期工程實施可采用中間緩沖池的形式進行緩沖過渡，利于污泥泵送濃度控制。