淤泥脫水固化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用研究

寧波高新區(qū)圍海工程技術(shù)開發(fā)有限公司 浙江省 315040

摘要：通過高分子脫水劑與固化劑的結(jié)合使用，經(jīng)自動化程序控制系統(tǒng)完成藥劑的對應(yīng)添加，實現(xiàn)淤泥在輸送通道中的快速脫水，脫水后的淤泥經(jīng)沉淀后采用淤泥固化機進行攪拌噴漿式固化。該技術(shù)的應(yīng)用可有效的解決現(xiàn)有淤泥脫水固化技術(shù)的局限性。

關(guān)鍵詞：淤泥脫水；淤泥固化；快速固結(jié)

引言

目前，在圍墾工程后期圍區(qū)的開發(fā)建設(shè)、吹填工程中都需要大量的砂、土，施工中往往采取外購砂、土，運到施工現(xiàn)場進行回填，使施工成本驟增。然而，在圍區(qū)外側(cè)通常存在著大量的海涂淤泥，不僅影響著海洋生態(tài)環(huán)境，而且使圍墾工程存在安全隱患。這樣一方面圍墾工程中土方施工料源得不到合理解決，另一方面工程區(qū)海涂淤泥資源得不到合理有效利用，從而形成了相互矛盾的難題制約著海洋灘涂開發(fā)的全面發(fā)展。

其次，在河道、航道疏浚工程中疏浚淤泥的處理也制約著生態(tài)的發(fā)展，實際施工中絕大部分的疏浚淤泥是通過棄置于陸地拋填區(qū)、低洼區(qū)自然固結(jié)，或設(shè)置堆場進行存放。如此種種做法，不僅占用魚塘和耕地，而且形成的土地由于非常軟弱而很難進行開發(fā)利用。

再次，在城市建設(shè)與公共設(shè)施養(yǎng)護過程中產(chǎn)生的泥漿態(tài)廢棄物，如：建筑鉆孔（井）作業(yè)中產(chǎn)生的泥漿，市政雨水管道清理中產(chǎn)生的通溝污泥等，此類廢物直接進入城市排水管系與河道，將因固相顆粒的沉積而嚴重影響城市的排水功能，并因其中污染物的釋放而危害城市環(huán)境，而通常的外運堆放，既造成土地資源的浪費，又影響環(huán)境的質(zhì)量。

如何快速、有效地對體量龐大的灘涂淤泥、疏浚淤泥及建筑泥漿進行“減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化”處理處置，是淤泥脫水固化技術(shù)的關(guān)鍵[1]。當前，單純的淤泥快速脫水技術(shù)難以有效地解決問題。將淤泥脫水技術(shù)與淤泥固化技術(shù)相結(jié)合，使豐富的灘涂淤泥變?yōu)橛行У幕靥畈牧?，同時解決河道疏浚淤泥、城市排水管系淤泥難以處理的問題，對于減少土石方的開采、保護生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟的發(fā)展都有著重要的意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

污泥中水分的存在形式一般分為三種：一是存在于污泥顆粒間隙中的游離水和間隙水，這部分水約占污泥水分的70%；二是存在于顆粒間毛細管中的毛細水，這部分水約占20%；三是存在于污泥顆粒內(nèi)部（包括細胞內(nèi)）的水和黏附在顆粒表面的附著水，這部分水約占10%[2]。淤泥脫水固化技術(shù)在國內(nèi)的研究還處于初步階段，目前主要依靠物理原理應(yīng)用機械實現(xiàn)脫水固化，而化學(xué)高分子藥劑的應(yīng)用還處在小范圍的試驗階段。本文以武漢路德科技有限責任公司介紹的淤泥脫水固化技術(shù)[3]為例進行說明。

武漢路德科技有限責任公司介紹的“脫水固化一體化處理”技術(shù)，適用于湖泊、河道、水庫、海岸等疏浚淤泥（又稱底泥、污泥）的減量化、無害化、穩(wěn)定化處理和資源化利用。具有以下工藝優(yōu)勢：1）產(chǎn)能：疏浚淤泥脫水與固化一次完成，不受天氣影響；2）減容：脫水干泥較水下自然方減量2/3、較疏浚泥漿方減量95%，運輸費用、占地面積大幅降低；3）無害：淤泥中所含病菌被殺滅，重金屬被絡(luò)合、鈍化和固封，不再溶出；4）穩(wěn)定：脫水干泥呈可塑狀，含水率≤40%，7d無側(cè)限抗壓強度≥150kPa，遇水不泥化，污染物無二次轉(zhuǎn)移；5）尾水環(huán)保：過濾尾水清澈，懸浮物指標SS<20mg/L，遠低于國標70mg/L；6）利用：脫水干泥可用作工程回填土、水泥廠替代粘土或蒸壓磚原料；7）設(shè)備：主機已實現(xiàn)國產(chǎn)化，技術(shù)成熟，維護方便。該技術(shù)應(yīng)用于淤泥脫水固化施工時受制于機械設(shè)備規(guī)模，在大型灘涂淤泥脫水固化處理方面可能存在局限性。

（a）處理站 （b）堆泥場

圖1 脫水固結(jié)一體化（武漢路德科技）

1.2 國外研究現(xiàn)狀

淤泥脫水固化技術(shù)的發(fā)展在美國、德國等發(fā)達國家相對較成熟，技術(shù)應(yīng)用的原理同樣以物理方法為主，依靠成熟的機械設(shè)備實現(xiàn)脫水固化，在化學(xué)高分子應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展需進一步成熟。本文以美國IMS公司的環(huán)保挖泥船及全機械式泥漿脫水固結(jié)裝置[4]為例進行說明。

美國IMS公司介紹的環(huán)保挖泥船及全機械式泥漿脫水固結(jié)裝置可實現(xiàn)泥漿脫水固化一體化施工。脫水固化淤泥可達到的主要指標有：1）作業(yè)深度6.7m；2）泥漿排放體積：0～13.2m3/min；3）淤泥最大含固量：>35%。該項技術(shù)機械安裝使用條件對固化場地的自然條件要求較高，在一定范圍內(nèi)存在局限性。

圖2 清淤泥漿脫水固化系統(tǒng)（美國IMS）

基于以上國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文提出一種脫水固化結(jié)合的新技術(shù)，該技術(shù)將化學(xué)高分子脫水劑作用于輸送過程中的淤泥，經(jīng)脫水后的淤泥采用螺旋式淤泥固化機進行行走式噴漿固化，該技術(shù)可有效地解決現(xiàn)有淤泥脫水固化技術(shù)的局限性。

2 技術(shù)原理

2.1 整體實施思路

利用泥漿泵從外海將淤泥以泥漿的形式（含固量在40%以下）輸送至回填區(qū)，在管道輸送過程中加入高效脫水劑，經(jīng)過混合脫水后，在吹填出口淤泥顆粒凝結(jié)在一起，泥漿中的80%水分的被分離脫開，管道出口處上層清水自然流走，泥顆粒自然沉降留在吹填區(qū)。脫水后的堆積淤泥使用浮筒式淤泥固化機駛?cè)霌胶夏Y(jié)劑進行固化處理。固化后淤泥在自然條件下進行凝固反應(yīng)，最終實現(xiàn)淤泥的快速固結(jié)。

2.2 凝結(jié)劑作用原理

凝結(jié)劑以粉煤灰、礦渣作為主要材料，同時配以一定比例的水硬性膠凝材料、堿性激發(fā)劑、膨脹劑、表面活性劑、減水劑及相應(yīng)輔助劑混合而成。凝結(jié)劑與高含水率泥漿攪拌初期，在緩凝劑的作用下不發(fā)生反應(yīng)，脫水后大部分水分被析出，凝結(jié)劑與脫水后的淤泥在一定的時間內(nèi)實現(xiàn)凝固，使淤泥顆粒接觸處產(chǎn)生結(jié)晶或膠結(jié)，同時與淤泥顆粒中的活性物質(zhì)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，既產(chǎn)生物理結(jié)合，也產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，從而使土體產(chǎn)生強度，同時具有良好的水穩(wěn)定性和耐久性。

2.3 脫水劑作用原理

高效脫水劑，是一種復(fù)合型高分子材料，利用化學(xué)電離及凝聚原理切斷淤泥顆粒中的毛吸管，實現(xiàn)固體和液體分離[5]，如圖3所示。

圖3 脫水藥劑作用機理

3 核心技術(shù)

（1）利用化學(xué)電離及凝聚原理實現(xiàn)泥水分離，混凝劑通過電離作用切斷淤泥顆粒中的毛吸管，初步實現(xiàn)固體和液體分離，然后絮凝劑將分離后的泥質(zhì)粒子凝聚，使懸浮細小雜質(zhì)和脫穩(wěn)后的膠粒互相粘結(jié)為絮體，進一步實現(xiàn)泥水分離。

（2）靜態(tài)攪拌器進行化學(xué)藥劑的拌合，靜態(tài)攪拌器靜態(tài)工作不需要動力，依據(jù)水力學(xué)原理進行設(shè)計，淤泥在管道中流經(jīng)特定元件裝置后改變其流速狀態(tài)，通過層流運動變化實現(xiàn)化學(xué)藥劑與淤泥的均勻混合。

（3）電腦中央控制系統(tǒng)利用處理程序，依據(jù)濃度檢測裝置進行化學(xué)試劑的添加，再根據(jù)泥質(zhì)顆粒電離檢測裝置、泥水分離檢測裝置的檢查數(shù)據(jù)通過電腦中央控制系統(tǒng)對處理效果進行檢查分析，即時調(diào)整試劑量的加入。

（4）脫水后淤泥孔隙增加，降低固化機摻合凝結(jié)劑后的攪拌負荷與攪拌次數(shù)，能大幅度提高固化機的施工效率。同時，固化后水份的蒸發(fā)與滲透較原樣淤泥要更加快速，將有效的縮短淤泥快速固結(jié)的時間。

4 施工工藝原理與實例

4.1 核心工藝控制

通過對不同脫水劑的的研究，以及對淤泥性質(zhì)的研究，同時結(jié)合大量的試驗，最終確定了脫水劑的最優(yōu)添加公式：注入量Q脫水=Q泥漿*（0.6*泥漿濃度+0.6）。同時，對于不同淤泥對脫水劑添加量的要求，經(jīng)過試驗分析后得出相應(yīng)的系數(shù)，最終實現(xiàn)30～60秒內(nèi)完成泥、水的分離。

通過超聲波濃度儀在線實時測定泥漿比重，并通過電磁流量計在線實時測定泥漿流量，換算出泥漿重量，再結(jié)合根據(jù)實驗室擬合的脫水劑添加率曲線數(shù)據(jù)進行PLC程序編程，由PLC控制系統(tǒng)確定脫水劑的添加量，以此實現(xiàn)管道輸送中脫水劑的自動添加，達到淤泥快速脫水的目的，使400%含水率以上的淤泥迅速脫水，含水率降至170%左右。

通過浮筒式淤泥固化機駛?cè)胗倌嗝鎿胶夏Y(jié)劑，并同時實現(xiàn)攪拌、精確定位等工藝要求，使脫水后的淤泥能快速固結(jié)，實現(xiàn)淤泥在28天內(nèi)承載力達到80 kPa以上，從而縮短淤泥固化周期。

4.2 整體工藝流程與布置

4.2.1 整體工藝流程

脫水工藝流程：配制脫水藥劑（同時開啟進藥裝置、進水裝置、潤濕裝置和攪拌器）→設(shè)定PLC程序參數(shù)k、a→輸送泥水→開啟PLC監(jiān)測系統(tǒng)→脫水劑定量添加→靜態(tài)攪拌→作用距離→觀察泥水分離效果→淤泥沉淀→浮筒式固化機駛?cè)搿鷵饺肽Y(jié)劑并攪拌→淤泥快速固結(jié)。

1）若泥水分離達到預(yù)期效果，則按既定參數(shù)連續(xù)進行→至日工作量完成→清洗管道；

2）若泥水分離未達到預(yù)期效果，則重新設(shè)定PLC程序參數(shù)k、a→輸送泥水→開啟PLC監(jiān)測系統(tǒng)→凝結(jié)劑定量添加→靜態(tài)攪拌→脫水劑定量添加→靜態(tài)攪拌→作用距離→觀察泥水分離效果→淤泥沉淀→浮筒式固化機駛?cè)搿鷵饺肽Y(jié)劑并攪拌→淤泥快速固結(jié)。

4.2.2 工藝平面布置

工藝平面布置圖如圖4所示。

圖4 工藝平面布置圖

4.3 項目實例

2012年8月，本文在浙江省奉化市紅勝海塘進行了淤泥脫水固化技術(shù)結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)場試驗研究。試驗采用挖泥船將含水率為400%～566.67%的淤泥從海底吸取后，在管道中加入脫水劑進行脫水，在管道出口實現(xiàn)泥水分離。分離后土壤在吹填區(qū)域沉淀，排出上層清水后，測得土樣的含水率及滲透系數(shù)如表1所示。

表1 脫水后的土樣含水率及滲透系數(shù)

取樣深度含水率滲透系數(shù)m/s

10天20天30天

表層116.99%106.39%81.6%5×10-6～10-5

20cm～40cm128.31%120.18%102.6%7×10-7～10-6

40cm～60cm160.03%122.57%123.3%10-7～5×10-7

60cm～80cm147.83%129.14%113.8%8×10-8～10-7

沉淀后的淤泥在原地進行固化，采用淤泥固化機原位添加8%的凝結(jié)劑進行攪拌，凝結(jié)劑采用水灰比為0.7～0.8的漿劑。固化土樣達到28d齡期后，取樣進行直剪試驗，測得其抗剪強度參數(shù)如表2所示。

表2 固化土樣的抗剪強度（28d齡期）

編號深度/（cm）內(nèi)摩擦角/（°）粘聚力/（kPa）

10～1524.426.2

215～3022.126.0

330～4520.422.8

445～6018.621.9

5 結(jié)語

本文提出的淤泥脫水固化技術(shù)的結(jié)合使用將解決圍墾回填對土石方資源的依賴，且改變了淤泥作為回填施工不能直接利用需要后期再處理的現(xiàn)狀。該技術(shù)與其它施工技術(shù)相比，大大減少了回填施工的工作量，縮短了施工工期，降低了施工成本；同時該技術(shù)還可以解決河道、航道疏浚淤泥的處理問題。

該技術(shù)的推廣使用，可使淤泥經(jīng)過泵送吹填后，一個月內(nèi)實現(xiàn)固化，產(chǎn)生較高的強度，具有廣闊的市場空間。該技術(shù)填補了淤泥直接作為圍墾回填材料利用的空白，解決了回填材料對土石方的依賴，有利于推動我國圍涂行業(yè)技術(shù)水平的提高，應(yīng)用到河道、航道疏浚工程中，解決疏浚淤泥的處理問題，應(yīng)用到各類土建工程中，將已成為有害垃圾的廢棄淤泥經(jīng)過處理變?yōu)橛杏玫馁Y源，達到資源節(jié)約、保護環(huán)境的目的。在資源變廢為寶的同時，保護了生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)了綠色施工。隨著項目順利實施，將進一步進行自主創(chuàng)新，有利于加強具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)升級，同時帶動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對整個社會經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻：

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