土工管袋用于濕地疏浚淤泥脫水處理效果評(píng)估

鄭 華，尹昭宇，林宇杰，詹良通

（1.溫州理工學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.浙江大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058）

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，作為“城市綠肺”的濕地正面臨著諸多威脅[1-2]，其中，濕地底泥是富營養(yǎng)化物質(zhì)與重金屬重要的“匯”和“源”[3-4]，即便在截?cái)嗤庠次廴镜臈l件下，底泥中沉積的物質(zhì)匯集到一定程度可以逐漸釋放到上部水源[5]，仍可導(dǎo)致濕地水源污染。如何正確有效地清理和處置底泥是濕地保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵[6-7]。

濕地內(nèi)部水系發(fā)育窄而淺，大型的運(yùn)輸設(shè)備難以進(jìn)入，需在疏浚后就地進(jìn)行淤泥的減量化與無害化處置。土工管袋（geotextile tube）是一種由聚丙烯或聚酯紗線制成的具有過濾結(jié)構(gòu)的土工織物包容體，具有設(shè)備簡單、處理量大、生態(tài)擾動(dòng)性弱、總體造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。而疏浚淤泥中的細(xì)顆粒含量較高[8]，在脫水過程中會(huì)逐漸堵塞土工管袋表面的排水通道，從而影響整體的脫水效果。章榮軍[9]等研究表明絮凝調(diào)理能有效改良淤泥的排水固結(jié)能力，而Lawson[10]指出，不同疏浚淤泥的性質(zhì)因地而異，差異較大，因此，對(duì)不同性質(zhì)淤泥選用相適應(yīng)的絮凝劑種類和摻量是土工管袋脫水效果的重要保障，目前未見有土工管袋用于濕地淤泥脫水工程實(shí)踐的研究與報(bào)道。

本文依托溫州生態(tài)園三垟濕地起步區(qū)清淤工程，對(duì)35.56 萬m3底泥開展土工管袋用于疏浚淤泥就地脫水的工程實(shí)踐，進(jìn)行快速脫水試驗(yàn)（RDT），采用濾失量表征絮凝后淤泥的脫水性能，探究絮凝藥劑的最佳種類及摻量；對(duì)竣工后的土工管袋進(jìn)行破袋取樣及脫水淤泥含水率測試，討論該工藝的脫水效果，為濕地淤泥的正確有效處置提供借鑒與指導(dǎo)。

2 工程背景

三垟濕地一期清淤工程范圍主要為三垟濕地概念性規(guī)劃起步區(qū)3 個(gè)村落的水系，分別是上垟村、沙河村、丹東村，擬建設(shè)2 個(gè)堆場供就地脫水處置，疏浚分區(qū)見圖1。清淤水系總長度達(dá)12 805.31 m，清淤底泥共35.56 萬m3，建設(shè)淤泥堆場7.87 萬m2。

圖1 三垟濕地清淤工程概況圖

分別對(duì)清淤量較大的上垟村、沙河村淤泥進(jìn)行取樣測試，基本物理性質(zhì)見表1，根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中土的分類方法，2 個(gè)樣品均為浮泥。

表1 三垟濕地疏浚淤泥基本物理性質(zhì)

3 絮凝劑添加方案的探究與優(yōu)化

絮凝劑的種類和摻量是保障土工管袋脫水效果的重要工藝參數(shù)。詹良通等[11]研究結(jié)果表明，濾失量可以有效表征泥漿的脫水性能，確定絮凝劑添加方案，保證脫水效果穩(wěn)定。

3.1 快速脫水試驗(yàn)

快速脫水試驗(yàn)（RDT）是以土工管袋作為過濾介質(zhì)的快速濾水試驗(yàn)，具體是將淤泥與藥劑充分混合后倒進(jìn)裝有土工管袋的過濾容器中，在重力作用下完成脫水過程，記錄一定時(shí)間內(nèi)的濾失量，反映絮凝后淤泥的脫水性能。

3.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用淤泥取自溫州三垟濕地一期清淤工程，基本土性指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)用過濾介質(zhì)采用實(shí)際工程所用的高韌聚丙烯土工管袋。

試驗(yàn)采用法國愛森PAM 絮凝劑，包括非離子型、陰離子型和陽離子型共計(jì)11 種，具體參數(shù)信息見表2。

3.1.2 試驗(yàn)裝置

快速脫水試驗(yàn)裝置基于API 濾失試驗(yàn)改裝而成，包括桶體、過濾器及底座濾液收集器等部分。

3.1.3 試驗(yàn)方案

為了模擬現(xiàn)場施工情況，按照以下步驟開展試驗(yàn)：①配制0.2%濃度的PAM；②根據(jù)實(shí)際含水率稀釋淤泥原樣；③向200 g 稀釋淤泥中加入絮凝劑溶液，攪拌2 min；④將混合后的樣品倒入試驗(yàn)裝置，5 min 后記錄量筒內(nèi)液體體積，即為濾失量。

根據(jù)絮凝劑的推薦用量及預(yù)實(shí)驗(yàn)成果，共配置101 組絮凝后的淤泥開展RDT 試驗(yàn)，見表2。

表2 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 分別表示3 個(gè)區(qū)域淤泥濾失量隨不同絮凝劑種類及濃度的變化規(guī)律。同種絮凝劑對(duì)不同區(qū)域淤泥的作用效果不盡相同，這是因?yàn)槟酀{的脫水性能與泥漿初始含水率及含砂率密切相關(guān)，沙河村區(qū)域的淤泥砂粒含量最低，黏粒含量最高，因此該區(qū)域的淤泥脫水性能最差。

圖2 不同位置濕地淤泥濾失量受絮凝劑種類和摻量影響規(guī)律圖

對(duì)于同一水系區(qū)域淤泥，在大多數(shù)絮凝劑作用下，其脫水性能隨藥劑濃度的增加先升高后下降，不同型號(hào)絮凝劑的最優(yōu)添加濃度有一定差異。當(dāng)超過最優(yōu)濃度時(shí)，非離子型、陽離子型絮凝劑的作用效果略微下降，而陰離子型絮凝劑的作用效果顯著下降，這表明陰離子絮凝劑作用效果受濃度影響更為敏感。

此外，隨著絮凝劑分子量提高，非離子型絮凝劑試驗(yàn)組的濾失量略有提高，最優(yōu)添加濃度不變；陰離子型絮凝劑試驗(yàn)組的濾失量總體呈下降趨勢(shì)，最優(yōu)添加濃度先降低后不變；陽離子型絮凝劑試驗(yàn)組的濾失量略有下降，最優(yōu)添加濃度先升高后不變。陰離子型絮凝劑較優(yōu)分子量在1 000 萬～1 300萬，當(dāng)分子量超過1 300 萬時(shí)絮凝效果反而下降；陽離子型絮凝劑較優(yōu)分子量為800 萬，當(dāng)分子量進(jìn)一步提高時(shí)，濾失量下降且最優(yōu)添加濃度提高，經(jīng)濟(jì)性差。

綜上所述，非離子型絮凝劑整體效果較好且適用于3 個(gè)區(qū)域的淤泥；低分子量的陰離子型絮凝劑效果稍次于非離子型，最適合沙河村淤泥；陽離子性絮凝劑整體效果較差且最優(yōu)濃度高，對(duì)3 個(gè)區(qū)域的淤泥均不適宜。

綜合考慮絮凝后淤泥的脫水效果及成本，最終的絮凝劑添加方案見表3。

表3 絮凝劑添加方案表

4 脫水效果測試與評(píng)價(jià)

本工程清淤量見表4，總計(jì)淤泥處理量355 550.65 m3，帶水作業(yè)情況下混入水后，轉(zhuǎn)化為泥漿711 101.00 m3，平均含水率為900.00%，分次充填至2 個(gè)場地的土工管袋中，有效容積總計(jì)97 020.00 m3。

表4 三垟濕地清淤量匯總表

本工程自2017 年6 月起開始清淤并同步填充管袋，至2017 年9 月所有疏浚泥漿（711 101.00 m3）充填完畢，此時(shí)體積減量率為86.36%，換算含水率為90.84%。此后經(jīng)歷自重固結(jié)及自然風(fēng)干2 個(gè)固化階段，至2020 年12 月，2 個(gè)場地的土工管袋平均高度為62 cm，計(jì)算得此時(shí)管袋實(shí)際體積43 785.00 m3，體積減量率達(dá)93.84%，如假設(shè)管袋內(nèi)部脫水淤泥處于飽和狀態(tài)，可反算得含水率48.84%。后經(jīng)現(xiàn)場取樣測試（見圖3），得到實(shí)際平均含水率為33.61%，低于大多數(shù)城市淤泥渣土脫水干化后的含水率限值，且具有一定強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)土工管袋在濕地淤泥脫水工程中的成功應(yīng)用。

圖3 脫水淤泥取樣現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

（1）依托溫州生態(tài)園三垟濕地起步區(qū)清淤工程，開展土工管袋用于濕地疏浚淤泥就地脫水的工程實(shí)踐，竣工后的測試結(jié)果表明，經(jīng)過90 d 充填脫水階段、810 d 自重固結(jié)+自然干化階段，累計(jì)處置濕地疏浚淤泥35.56 萬m3，其平均含水率由泥漿狀態(tài)時(shí)的900.00%降低至33.61%，體積減量率達(dá)93.84%，總體脫水效果良好。

（2）受空間變異性的影響，溫州三垟濕地不同區(qū)域淤泥的脫水性能具有一定差異，主要與其顆粒組成中的細(xì)顆粒含量有關(guān)；此外，絮凝劑對(duì)濕地疏浚淤泥脫水性能的改善效果顯著，合理制定絮凝方案是土工管袋用于濕地疏浚淤泥脫水效果的重要保障。

（3）通過快速脫水試驗(yàn)（RDT）探究土工管袋用于濕地疏浚淤泥就地脫水的最優(yōu)絮凝工藝，結(jié)果表明，在各自最優(yōu)摻量下，3 種絮凝劑的平均絮凝效果排序?yàn)榉请x子型＞陽離子型＞陰離子型；最優(yōu)添加濃度排序?yàn)殛栯x子型＞非離子型＞陰離子型。陰離子型絮凝劑較優(yōu)分子量為1 000 萬～1300萬，當(dāng)分子量超過1 300 萬時(shí)絮凝效果反而下降；陽離子型絮凝劑較優(yōu)分子量為800 萬，非離子型絮凝劑較優(yōu)分子量為800 萬～1 200 萬。