太湖生态清淤及淤泥固化一体化技术应用研究

第19卷 第10期 中 国 水 运 Vol.19 No.10 2019年 10月 China Water Transport October 2019 太湖生态清淤及淤泥固化一体化技术应用研究 顾黄飞，贾剑虎，陶浩辉 （1．无锡市泓利工程监理有限公司，江苏 无锡 214000；2．江阴市水利工程公司，江苏 江阴 214400） 摘 要：在传统的清淤过程中会产生大量高含水量、高污染泥浆，如何快速、有效地对大量的污染泥浆采取减量处理并对底泥进行无害固化处理，减少二次污染成为目前研究的重点。基于此，本文对太湖清淤中采用的生态清淤及淤泥快速处理一体化技术进行了试点研究。 关键词：生态清淤；淤泥固化；工作原理；工艺优化；技术改进 中图分类号：TV851 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）10-0138-03 前言 在太湖清淤过程中，普遍采用传统的分体式清淤+固化模式，这种两步式淤泥处理方法存在弊端，如整体施工周期太长，一般情况下，经堆场建设到固化完成需要至少2年的时间，堆场存放会占用大量土地资源，一旦清淤规模数量巨大，那么占用土地资源更多，周转周期会更长。为了确保太湖清淤能完成目标任务，堆泥场地的选择成为清淤工程的重要任务，但考察周边环境后，堆场依然是个难题。正是基于以上问题，2010年2月经过省市各级专家对中船重工集团702研究所开发研制的生态清淤及淤泥快速处置一体化技术的论证，认为该技术具备解决当前清淤面临的突出问题的可行性，建议结合太湖生态清淤进行试点。2010年梅梁湖生态清淤期间，确定生态清淤及淤泥快速处理一体化技术在贡湖湾水源地锡东水厂取水点的大小溪港口门区域进行新技术应用的示范。 一、工程概况 太湖贡湖湾是无锡市重要的水源地，水域处于太湖下风口，近几年来聚集了大量的蓝藻，导致湖水水质污染与湖泊富营养化问题日益突出，该区域淤泥沉积严重。本次工程为水源地清淤，清淤面积约0.3km2，淤泥深度平均0.4m，清淤深度为0.2~0.5m，清淤方量约7万m³，清淤区域底泥及浮泥为流态，底泥湿密度平均为1.58g/cm3，浮泥湿密度平均为1.41g/cm3，多为粉质亚沙、粉质亚粘土。采用生态清淤与离心脱水一体化技术工艺路线，在清淤区岸边设立淤泥处理站对清淤泥浆进行快速脱水处理，目的是根据专家组论证文件意见、通过工程实践，针对清淤底泥的特性，探讨离心机转鼓转速、差转速及工作压力等工艺参数对淤泥脱水效果的影响，来进一步完善系统的性能和技术指标并对工艺进行适当的优化。 二、生态清淤一体化处理技术的工作原理、技术优势及优化措施 1．生态清淤及一体化淤泥固化处理系统工作原理 该系统由清淤系统、淤泥离心脱水系统、电控系统、沉淀池、清水池及干泥运输系统组成。该技术的整体集成系统优良，收稿日期：2019-04-19 作者简介：顾黄飞（1984-）男，无锡市泓利工程监理有限公司工程师。 絮凝剂投加装置、絮凝剂泵、淤泥泵等均与离心机配套供应[1]。 该系统首先由绞吸船将河底淤泥吸上来，吸取上来的原泥浆通过管道进入砂泥分离装置进行初级分离，除去淤泥中的垃圾和砾石及砂，经初级分离后的淤泥水进入泥浆调节池，均匀调质后经提升泵进入离心机脱水系统，同时加入絮凝剂，泥浆经离心脱水后实现泥水分离，脱水后的泥料经输送系统装车外运，尾水流入沉淀池沉淀和净化处理后再进行排放[2]。 2．生态清淤及一体化淤泥固化处理系统技术优势 生态清淤及一体化淤泥固化技术相对于传统阶段式清淤固化方式有几大优点： （1）该技术核心部分泥浆脱水装置由三级分离系统组成[1]，可有效地把垃圾、块状物及泥砂等颗粒物去除，直接装车外运，且采用挂车式设计，移动便捷。 （2）设备集成化程度高，场地占用面积小，工厂化作业，受气候干扰小，是一套可与常用疏浚设备直接对接的疏浚泥浆处理系统。实现了生态清淤、淤泥脱水固化及余水处理一体化作业，整个处理过程由控制系统实现了自动化。 （3）有效降低施工周期，传统方式，要经历堆场建造、生态清淤、淤泥固化及固化土外运几个阶段，而一体化清淤固化将清淤、固化和外运同时进行，能有效地缩短施工周期，降低场地占用时间。 （4）脱水快速，有效的降低了淤泥中的水含量，脱水泥料体积较水下淤泥自然体积减量40%以上、疏浚泥浆体积减量90%以上，大幅减少堆放场地占用面积和运输费用。 （5）尾水处理效果更优，过滤水清澈，根据现场实验室采样检测及样本第三方送检结果，余水净化和尾水排放达到国家城镇污水综合排放一级标准（SS值小于20mg/l）。传统的生态清淤采用沉淀池加入絮凝剂的两级沉淀，尾水排放指标为150mg/l，在堆泥场有足够沉淀范围时及清淤初期效果较好，指标值在20~70之间，但当堆场余量空间小及沉淀不及时时，效果显著变差，SS值接近最大容许阀值或超过其容许值，一体化装置可以对脱水后的淤泥尾水进行监控，可以对尾水进行循环处理，直至排放合格。 122 第10期 顾黄飞等：太湖生态清淤及淤泥固化一体化技术应用研究 139 3．生态清淤及一体化淤泥固化技术的选择与优化 （1）工艺参数的选择 离心脱水系统本身有其固有的技术参数，如离心机的转速、固体负荷、速差、液环层厚度，淤泥量（处理能力范围内的进泥量）等运行参数对淤泥脱水效果均有不同程度的影响。示范的目的就是在螚满足脱水效果，保证泥饼含固率（65%左右）、尾水排放达标及SS回收率达到设计要求的情况下，确定一个最优的技术运行参数组合，以保证整套设备在最优状态下运行，其运行参数见表1。当然不同性质的淤泥参数选择会有差异，这需要在以后的工程实践中进行探索，确定工艺参数参考值。 表1 清淤泥浆离心脱水运行参数 差转速 转鼓转速 压力 淤泥量 质量浓度 干固体负荷 项目 （r·min-1） （r·min-1） bar （m3·h-1） （g·L-1） （Kg•h-1） 原始参数 1~16 0~2,700 - 5~40 - - 运行参数 5.8 2,000~2,400 27.2 37.65 65 2,625 （2）工艺优化[3] 通过运行，确定适应于我国有机高污染型底泥的最佳设备组合，具体优化前后的系统组合如图1。 1）增加3台后续深度脱水设备，对处理后泥水再进行脱水处理。同时增加一套尾水净化设备，对离心脱水处理后的尾水进行快速净化。 2）为使进入深度脱水设备及净化设备的泥水得到均匀处理，将沉淀池改为调节池，增加离心设备尾水应急水池1座。 3）为系统增加1个应急储浆池，当淤泥处理系统出现故障时，清淤船吸取的泥浆可暂时排入应急池中，故障排除后再进行处理。 图1 优化前后系统组合 三、应用效果 在本工程中，我们对分离系统的性能及不同含水率的底泥泥浆处理前后的效果进行了监测，虽然底泥处理效果有所差异，但整体来说达到了示范效果。 图2 泥砂颗粒物分离效果 淤泥脱水系统的处理效果比较理想，分离系统分离出来的固体颗粒物，含水率较低，如图2，其能够满足直接外运的要求，对底泥中垃圾等颗粒物能有效去除，经一、二级分离的固体颗粒物去除率达到 62%，有效地降低了颗粒物对机 械的磨损，保证了设备的使用寿命。 不同含水量的底泥经处理后，脱水泥饼的含固率能够稳定在65%左右，出水的SS值能够控制在10mg/L以内，底泥中TP去除率达到97%以上，但余水中各种污染物监测值相差不大，处理结果达到了非常显著的效果，处理效果见图3，稍有不同的是不同含水率的TN及COD的去除率差别较大，具体原因需要在后续的工程中进行研究，底泥特性及清淤底泥离心脱水处理前后监测结果表1、2。未对脱水泥饼中的重金属进行土壤浸出液检测，这点与化学固化不同。对于河湖水体治理尤为重要目的就是除了清除污染底泥，还要确保清除的污染底泥不会对土壤和水体造成二次污染，即固化土中重金属离子被封固在土体中，在自然条件下不易扩散，这都是清淤需要考虑的现实问题，这点需要在后期的工程中加以考虑。 图3 清淤底泥处理效果及尾水净化效果 表1 太湖大小溪港入湖口门底泥特性 项目 最大值 最小值 平均值 底泥湿密度（g·cm－3） 1.73 1.50 1.58 流泥湿密度（g·cm－3） 1.55 1.27 1.41 含水率（%） 80.96 39.86 58.65 OM（ 有机质） （%） 5.61 0.41 2.17 TP （%） 0.22 0.03 0.09 TN（%） 0.27 0.01 0.15 表2 清淤底泥离心脱水处理前后监测结果 项目 pH 表观现象 COD TN TP SS值 含固率 mg·L-1 mg·L-1 mg·L-1 mg·L-1 % 淤泥浆 7.3 黑色、浑浊 57.8 15.1 0.965 2.5 高含水出水 7.1 无色、透明 36.6 11.4 0.028 8 率底泥 脱水泥饼 63.6 去除率 37.86% 21.92% 97.07% 淤泥浆 7.4 黑色、浑浊 340.0 37.5 3.43 6,050 15.4 低含水出水 7.6 无色、透明 20.4 8.94 0.028 7 率底泥 脱水泥饼 65.2 去除率 94.00% 76.16% 99.18% 99.88% 四、总结与改进 目前，生态清淤一体化技术具备清淤系统对底泥扰动小、淤泥清除及固化脱水效率高的特点，但技术在后期运行当中还有值得改进的地方。 （1）淤泥处理能力。目前的处理能力是一体化技术的短板，对于大型湖泊清淤项目而言，设备的产能需要有大的提升才能满足要求，虽然采用了生态清淤及淤泥固化一体式清淤模式，并在后续年度清淤工程都有利用，但鉴于设备的处理能力不足，仍未从根本上解决太湖淤泥后续处理，仍需占用大量堆场，因堆场缺少，2010年度及2011年度清淤工程不得不临时占用太湖部分湖湾水域建造临时堆泥场，但处理能力已得到显著提升，目前设备研发能力已得到很大提高，未来能够研发满足不通过工程需求的设备。（下转第146页） 146 中 国 水 运 第19卷 灰反应是一个缓慢的过程，使用硅粉等矿物添加剂会导致试件的早期强度下降。 3．双掺粉煤灰、硅粉对试件力学性能的影响 图7 双掺对超细砂砂浆抗压强度的影响 图8 双掺对超细砂砂浆抗折强度的影响 图9 双掺对超细砂砂浆浸水强度的影响 双掺粉煤灰和桂芬试验结果见图7、图8和图9。从图可知，双掺粉煤灰、硅粉的超细砂砂浆早期强度高于单掺粉煤灰的早期强度，后期强度增长也较快。当硅粉掺量为6%时，随着粉煤灰掺量的增加早期强度有所降低，但28d强度均高于单掺粉煤灰和硅粉的强度，也高于基准砂浆的强度。双掺粉煤灰、硅粉提高了超细砂砂浆28d的强度，弥补了单掺硅粉的砂浆7d后强度增长缓慢的不足，使超细砂砂浆强度在早期和后期均具有良好的强度性能。 从图9可知，双掺粉煤灰、硅粉的超细砂砂浆具有较好的抗水性能，28d浸水强度高达23.5MPa，比基准砂浆提高了37.4%，双掺粉煤灰、硅粉使超细砂砂浆早期浸水强度和后期强度增长速率都得到明显提高。双掺粉煤灰、硅粉能够使得水泥、粉煤灰、硅粉三者间形成一个体系，超细砂砂浆级配进一步优化，硬化浆体孔隙率进一步降低，致使密实度和强度都有所提高，使强度在后期反应中持续增强，进一步改善超细砂砂浆的力学性能。 四、结论 （1）采用航道整治工程中废弃超细砂为主要原料，通过掺加粉煤灰、硅粉等制备的超细砂高强砂浆具有较高的抗压、抗折强度及良好的水稳定性能，可以替代混凝土用于制作压载块、护面砖等航道工程材料应用于水利和航道整治工程中。 （2）单掺粉煤灰时早期强度有所降低。在砂浆中掺入硅粉后，可以优化超细砂浆的级配，使得超细砂浆的孔隙率降低，提高结构密实度，从而迅速提高砂浆早期强度，但后期强度增长不明显。 （3）复掺粉煤灰和硅粉能有效提高砂浆的早期和后期强度，当粉煤灰和硅粉掺量分别为18%和6%时，试件28d抗压、抗折和浸水强度分别为33.1MPa、3.44MPa和31.1MPa。可以替代C30普通混凝土制备压载块等水工材料就近应用于航道工程。 参考文献 [1] 王望金.长江航道疏浚与弃土处理构想[J].中国水运（下半月），2007，7（10）：29-30. [2] 孙宝昌.无粗骨料特细砂混凝土及其工程应用[J].东北水利水电，1991，（5）：2-5. [3] 池召坤，赵贤，蔡其全.混凝土中粉煤灰，矿粉的应用[J].工业建筑，2010，40（1）：785-789. 化剂添加量可根据试验结果推定以确定最终投剂量，这样可有效降低泥饼含水率，达到封固有害物质防止二次污染的目的，同时也使废弃淤泥资源化利用最大化。 参考文献 [1] 苏华，倪守高，马伟峰等.太湖清淤底泥离心脱水处理技术的可行性研究[J].江苏水利，2013，（4）：14-16. [2] 王红艳.沂河沂水段底泥处置及生态修复示范工程主要施工方法探讨[J].陕西水利，2015，（z1）：118-119. [3] 倪守高，高扬，王俊泽等.一种新型淤泥脱水装置在太湖生态清淤工程中的应用[J].水利水电技术，2012，（7）：28-31. （上接第139页） （2）尾水处理方式的改进。根据现场监测，该系统的尾水处理效果极好，但应从更为经济的角度去考虑改进，我建议增加光电自动跟踪系统，原理为根据不同尾水浊度光的透射率，确定一个经济合理的尾水排放阀值，在达到阀值时，自动排放，如果无法达到这个阀值则打开回流管道重新进入沉淀设备处理，从而确保尾水处理能达到理想的排放标准。 （3）处理后的淤泥，泥饼含水率偏高，含水率约70%，不宜堆放，遇水易泥化，且极易造成二次污染。建议对脱水装置及一体化设备出泥装置部分进行改进，除增强脱水的效能，降低处理后淤泥的含水率，可在出料环节增设自动加料固化，对未达到含水率要求的淤泥自动添加固化剂处理，固