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    莆田玉湖淤泥物理特性及綜合利用途徑分析

    2021-07-19 06:29:58陳明霞朱金水

    陳明霞 朱金水

    摘 要:玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖而成的人工湖,本文通過地質(zhì)勘察、土工試驗(yàn)及重塑狀態(tài)裂隙形成過程對(duì)比試驗(yàn),研究了其淤泥的物理特性,結(jié)果表明:玉湖淤泥具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、含水量高、有機(jī)質(zhì)含量高、呈流塑等物理特性,IP值高于一般的河相淤泥,為高液限黏質(zhì)土,且表現(xiàn)出遇水膨脹微弱,但失水收縮強(qiáng)烈的特點(diǎn)。結(jié)合這些性質(zhì)特點(diǎn),本文對(duì)淤泥資源化利用進(jìn)行研究,提出了固化處理技術(shù)規(guī)程、土地利用和建筑材料利用的相關(guān)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求,以期為城市河湖淤泥的資源化利用提供技術(shù)支持,為建設(shè)“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)和重要參考。

    關(guān)鍵詞:木蘭溪;淤泥資源化利用;建材利用

    中圖分類號(hào):S157;X37 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ?文章編號(hào):1673-260X(2021)05-0041-05

    木蘭溪流域?qū)儆谥衼啛釒ШQ笮詼嘏瘽駶櫟募撅L(fēng)氣候,多年平均降雨量約為1122mm,降水年際變化大,年最大最小降雨量相差1300mm;降水年內(nèi)分配不均,7~9月份的臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié),降雨量占全年的45~65%,臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻繁。木蘭溪下游河段河床平均比降只有0.02%,河道蜿蜒曲折,上游發(fā)生山洪暴發(fā),加上漲潮海水的頂托作用,洪澇災(zāi)害頻發(fā)。1999年莆田開始對(duì)木蘭溪進(jìn)行截彎取直和兩岸筑堤的整體治理工程,把原來16公里的行洪河道截直至8.64公里。玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖的人工湖,水域面積超過700畝,采取的是“改道不改水”的開挖方式,由于闊口橋下緊鄰該市最大商業(yè)綜合體,又有城市內(nèi)河匯入,老河道流速變緩,泥沙淤積,逐漸減少城市水域面積、降低防洪排澇能力,引發(fā)河湖富營養(yǎng)化及黑臭問題。玉湖作為莆田城區(qū)防洪排澇體系的重要組成部分,肩負(fù)著蓄淡、排澇、生態(tài)、景觀功能,無論是對(duì)城市“黑臭水體”整治,還是從淤泥資源化利用,豐富城市生態(tài)內(nèi)涵,對(duì)淤泥的處理及利用都是一項(xiàng)重要的研究課題。

    目前解決泥沙淤積的主要措施[1-3]有虹吸清淤、挖泥船清淤、氣力泵清淤及振蕩脈沖射流與氣舉清淤等裝置。國外河流淤泥治理更加重視城市淤泥脫水減量處理及對(duì)脫水后淤泥的資源化利用,技術(shù)比較常用的主要有中固化處理、分級(jí)壓榨脫水、移動(dòng)式連續(xù)脫水、高壓脫水等。國內(nèi)目前對(duì)河流淤泥主要沿用傳統(tǒng)的處理技術(shù),采取的主要是進(jìn)行填埋或運(yùn)送至堆泥場(chǎng)堆放[4],隨著人們對(duì)環(huán)保要求的提高,淤泥處置及資源化處理利用方面的研究逐漸增加[5-7],但仍處于起步階段,尤其是資源化利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)幾乎是空白。玉湖是老河道開挖成的湖泊,又受潮流影響,淤泥深受河相、湖相及海相的影響,本研究結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況,參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,提出淤泥資源化利用的技術(shù)要求,能夠更好地為實(shí)現(xiàn)人水和諧的美麗城市提供重要參考。

    1 研究區(qū)工程地質(zhì)狀況

    本區(qū)為海積平原地貌,地勢(shì)平坦,地質(zhì)構(gòu)造屬閩粵東南沿海新華夏構(gòu)造體系,巖性為燕山晚期花崗巖。該區(qū)地質(zhì)歷史時(shí)期由于受海水潮流、河水侵蝕及地殼升降等影響,沉積物中含泥量多,具有海陸交互相及濱海相沉積的特點(diǎn)。工程地質(zhì)狀況自上而下主要分為以下幾層:

    (1)耕作層:黃褐色、褐色,混有植物根系,主要成分以粘性土為主,含少量中、粗石英砂粒,局部地段有較多碎石,磚瓦等。

    (2)粉質(zhì)粘土:褐色。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=4.0~8.0擊,經(jīng)桿長修正后標(biāo)貫擊數(shù)N=4.0~7.9擊。

    (3)淤泥?譹?訛:灰色或深灰色,有少量有機(jī)質(zhì),實(shí)測(cè)含水率>60%。

    (4)中砂:黃色、灰黃色,飽和,成分以石英砂為主。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=6.0~13.0擊,經(jīng)桿長修正后標(biāo)貫擊數(shù)N=5.1~10.5擊。

    (5)淤泥?譺?訛:灰色或深灰色,質(zhì)地細(xì)膩,實(shí)測(cè)含水率>60%。

    (6)砂礫卵石層:黃褐色或褐色,其間充填中砂。承載力基本容許值為180-350KPa。

    (7)殘積土層:全風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖及強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖等,工程力學(xué)性能較好,未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面軟弱巖層,承載力基本容許值為450-3000KPa。主要由第四紀(jì)覆蓋土層及花崗巖基巖組成。

    從各巖土層空間分布特征看,縱剖面上各土層及風(fēng)化巖層厚度變化大,各風(fēng)化巖層的力學(xué)強(qiáng)度、性狀特征存在一定程度的差異,其中(6)(7)承載力基本容許值較高,可作為工程建設(shè)的樁基持力層。

    2 研究區(qū)淤泥特性

    淤泥試樣取自莆田市玉湖兩館一宮至玉湖路地段,取樣深度為湖底0-0.8m。

    2.1 淤泥特征

    淤泥呈深灰色至黑色,飽和,呈流塑或流動(dòng)狀態(tài),具有緊實(shí)黏重特性[8]。淤泥包含生活垃圾及植物根系等腐殖質(zhì),有腥臭味,可見少量貝殼碎屑,稍有砂感。干強(qiáng)度中等,韌性中等,光澤反應(yīng)有光澤。

    2.2 基本物理性質(zhì)

    該段湖泊淤積深度約0-0.8m。根據(jù)GB/T50123 -1999土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法[9],對(duì)淤泥的基本物理性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),結(jié)果如表1、表2所示。

    玉湖的淤泥中性到偏堿性,含水量高、重度低、孔隙比高,其中Il>1,說明淤泥為流塑狀態(tài),IP>17,屬高液限黏質(zhì)土。淤泥質(zhì)地黏細(xì)是有顆粒組成決定的,從表2可以看出,淤泥顆粒直徑d<1mm占到98%以上,質(zhì)地黏細(xì)。

    表3為不同河湖淤泥物理性質(zhì)比照表[10-13],由表可知,在重度上除白馬湖未查看到相關(guān)資料外,其余三個(gè)地區(qū)的淤泥值均較小,說明淤泥高含水量,天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低;不同河湖淤泥含水率都很高,故淤泥在固化前要先進(jìn)行脫水處理,減少固化材料的使用,提高固化效果;從塑性指數(shù)的角度來看,除秦淮河是粉質(zhì)黏土外,其余為黏土,玉湖和秦淮河均屬于河相沉積,玉湖IP大于秦淮河,與玉湖是人工湖的原因有關(guān),但其值又比湖相白馬湖、五里湖和海相大亞灣值要小得多,與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關(guān),說明河相比湖相淤泥顆粒比表面積更小,顆粒吸附能力更低,表現(xiàn)為土壤顆粒間粘結(jié)力較差,表明淤泥固化處理上河相淤泥比湖相、海相淤泥更難處理。有機(jī)質(zhì)含量上可以看出,河相淤泥>湖相>海相,據(jù)范昭平研究,4.3%是有機(jī)質(zhì)含量極限值,當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量不超4.3%時(shí),有機(jī)質(zhì)含量越高,越有利于固化[12],玉湖淤泥有機(jī)質(zhì)含量只比海相大亞灣略高,固化處理難度大。

    2.3 重塑土裂隙實(shí)驗(yàn)

    本研究的重塑土指的是土樣取回經(jīng)實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干后粉碎,并過1mm銅篩。在處理上將重塑土放置于鋁盤上,加足夠蒸餾水?dāng)嚢杈鶆蚰ㄆ奖砻婧笊w上保鮮膜靜置24小時(shí),確保其含水量超過90%,觀察其在室溫下土體水分蒸發(fā)裂隙形成的過程。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),重塑土裂隙形成及發(fā)展主要有四個(gè)階段(見圖2),即裂隙始成期、形成期、發(fā)展期及穩(wěn)定期。

    為了區(qū)分淤泥與工程膨脹土、紅黏土(土樣來自福建莆田)性質(zhì)上的差別,工程膨脹土與紅黏土重塑土處理上參考淤泥,觀測(cè)其裂隙變化。在裂隙始成期(見圖3),工程膨脹土裂隙形成是先從鋁盤中間部位形成[8],原因是工程膨脹土遇水膨脹后向鋁盤四周擠壓的同時(shí),受到來自鋁盤邊緣的“反箍”作用力,整個(gè)土體只好向中間“隆起”,所以中間部分水分蒸發(fā)快,裂隙最先形成。淤泥及紅黏土裂隙是從鋁盤四周開始形成,說明這兩種土體遇水膨脹微弱。

    在裂隙穩(wěn)定時(shí)期,這三種土體都表現(xiàn)出強(qiáng)烈收縮,收縮能力表現(xiàn)為紅黏土>變性土>淤泥,說明在失水收縮中,淤泥體積減少最為劇烈,所以在淤泥綜合運(yùn)用上應(yīng)先進(jìn)行脫水,有效減少體積有利于運(yùn)輸處理。

    3 淤泥的資源化利用

    在全國不少地區(qū),清淤主要以政府為投資主體,通常在每年冬春季節(jié)圍堰抽水,由于未對(duì)淤泥進(jìn)行二次利用,淤泥的運(yùn)輸及堆放一直是老大難問題,而對(duì)廢棄的淤泥通過技術(shù)處理進(jìn)行資源化利用則是解決這一問題的重要途徑。淤泥具有高含水率、高天然孔隙比、高塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量高、高靈敏度等特點(diǎn),如果清淤問題沒有及時(shí)妥善解決,不僅會(huì)占用大量的土地,還會(huì)污染環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。依照《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》提出的對(duì)固體廢棄物控制的無害化、減量化和資源化的“三化”原則,要盡量對(duì)淤泥進(jìn)行資源化利用。

    3.1 淤泥的固化處理

    淤泥固化技術(shù)已在國內(nèi)外開展了許多研究,并取得一系列成果[14-18]。固化處理作為淤泥資源化利用的有效方式,主要是向淤泥中加入一定量的固化材料,改善淤泥的理化性質(zhì)和力學(xué)性能,具備符合要求的承載力,能代替砂石和土料,并在筑堤壩、堤防加固工程、路基、填方等工程中得到應(yīng)用[19]。

    根據(jù)《堤防施工規(guī)范》(中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL260-98)[20]要求,淤泥不適宜用于筑堤,若需采用時(shí),需具備較為寬敞的場(chǎng)地或淤泥池,用于晾曬或者是預(yù)先拌合,在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。木蘭溪利用在截彎取直工程中產(chǎn)生的大量淤泥筑堤,經(jīng)過必要的技術(shù)處理,制定土堤型式施工技術(shù),利用新挖河道的淤泥用于堤防填筑[21-22],通過在河道淤泥上打沙井,使淤泥中的水分充分排干,再經(jīng)過晾曬使之硬化,成為地基,壩體也是利用層層晾干后的淤泥砌筑而成,最后用繩索、土工布和混凝土塊等加固封壩體,這樣一方面可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約土地資源又可以實(shí)現(xiàn)土方平衡、減少工程投資。

    玉湖新城正處在建設(shè)開發(fā)時(shí)期,大量道路還未布設(shè),用淤泥填筑路基,可以就地取材,在填筑時(shí),首先要使其含水率降到適宜路基壓實(shí)的含水量水平。石灰在降低含水率方面作用突出,但成本高,經(jīng)濟(jì)適用性差。石灰粉煤灰含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等成分,但粉煤灰在長途運(yùn)輸過程中含水率可以達(dá)到20%,在降低淤泥含水量作用上不大理想。莆田秀嶼城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的爐渣成分和粉煤灰類似,處理上可以將爐渣與石灰混合含水量高的淤泥,使?fàn)t渣與淤泥同時(shí)得到資源化利用,又能解決路基來土問題。

    3.2 淤泥的土地利用

    淤泥的土地利用主要是將經(jīng)過處理的污泥用于園林綠化、農(nóng)業(yè)填肥等方面,是實(shí)現(xiàn)污泥的資源化和循環(huán)利用的有效途徑,可以用作栽培介質(zhì)土或土壤改良材料,改良土壤結(jié)構(gòu),提升土壤肥力,為植物提供營養(yǎng)元素。

    在城建快速擴(kuò)張過程中,由于缺乏整體性的考慮,場(chǎng)地“三通一平”前的優(yōu)質(zhì)土壤沒有得到有效的利用,且土壤中混雜越來越多建筑垃圾,導(dǎo)致城市園林綠化無土可用,而經(jīng)過處理改良后的淤泥可以滿足需要。目前我國園林綠化行業(yè)可操作的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不夠健全,園林綠化用淤泥準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)可以參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》(CJ248-2007)[23](見表3)。園林綠化用淤泥一般用作栽培介質(zhì)土或土壤改良材料,也可作為制作有機(jī)肥的原料。要求淤泥比較疏松,無明顯腥臭味。淤泥施用時(shí)間最佳季節(jié)為9月份至次年的5月份,喜鹽堿的植物可以增加淤泥用量。

    堆肥化是淤泥應(yīng)用在農(nóng)業(yè)的主要途徑,根據(jù)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB4284-2018[24]的規(guī)定,生污泥必須經(jīng)過高溫堆腐處理后才能施用于農(nóng)田,可施用于大田、園林和花卉上,但不能施用于蔬菜地和當(dāng)年放牧的草地上,并且規(guī)定干污泥通常用量不超過30t/(hm2.a)。有研究資料表明[25],堆肥能夠顯著降低底泥中的鹽分,如果淤泥的連續(xù)施用率不超過50t/(hm2.a),底泥中鹽分不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成危害。參考《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB4284-2018(見表4),可以看出,除了總養(yǎng)分要求外,其他標(biāo)準(zhǔn)與園林綠化用值差不多,其中生物學(xué)指標(biāo)與園林綠化用淤泥一致,所以淤泥應(yīng)用于園林綠化或農(nóng)業(yè)堆肥施用時(shí)先進(jìn)行脫水處理盡量以干燥形態(tài)應(yīng)用。除此之外,在淤泥的土地利用中,還需要嚴(yán)格控制淤泥中有機(jī)毒性物質(zhì),減少其對(duì)周圍環(huán)境和人類食物鏈安全造成的影響[26]。

    3.3 建筑材料利用

    莆田在將淤泥作為原料生產(chǎn)建筑材料上有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。莆田于2007年引進(jìn)清淤挖泥船,并將清理的淤泥用于生產(chǎn)環(huán)保淤泥多孔磚,淤泥經(jīng)脫水破碎處理技術(shù)處理后摻合煤渣,以木屑、竹屑等為燃料,加入配方到多孔輪窯里燃燒。經(jīng)檢測(cè),多孔磚安全、環(huán)保,達(dá)到新型墻體建筑材料要求,這樣既解決木蘭溪南北洋河道淤泥處置問題,又實(shí)現(xiàn)淤泥資源化,對(duì)改善南北洋水環(huán)境起到很大的作用。

    許多研究和應(yīng)用表明,將淤泥應(yīng)用于各種類型建筑工程中使用的材料,主要包括制磚、水泥、陶粒等,產(chǎn)品都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[27-30]。淤泥中含有豐富的蒙脫石、伊利石等黏土礦物,可以代替黏土礦物應(yīng)用于制磚和水泥。與利用耕地黏土制磚相比,淤泥制磚既解決城市河湖清淤問題,又實(shí)現(xiàn)淤泥資源化利用,對(duì)改善河湖水環(huán)境將起到很大的作用,具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。

    根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚》GB 5101-2017[31]規(guī)范要求,規(guī)范規(guī)定制磚主要原料分為黏土磚(N)、頁巖磚(Y)、煤矸石磚(M)和粉煤灰磚(F)、建筑渣土磚(Z)、淤泥磚(U)、污泥磚(W)和固體廢棄物磚(G)。淤泥制磚時(shí),其尺寸偏差、外觀質(zhì)量、強(qiáng)度、抗風(fēng)化性能、石灰爆裂和泛霜、放射性物質(zhì)等必須符合規(guī)范上的要求。

    4 結(jié)論

    (1)對(duì)比不同地區(qū)淤泥基本物理性質(zhì),玉湖淤泥主要特征為中性到偏堿性,含水量高、重度低、孔隙比高,塑性指數(shù)IP=18.14,屬于高液限黏質(zhì)土,IP值高于一般的河相淤泥,與玉湖是人工湖的原因有關(guān);IP值又低于湖相、海相淤泥,與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關(guān),說明玉湖淤泥固化處理難度比湖相、海相淤泥更大;除此以外,玉湖淤泥受有機(jī)質(zhì)含量低的影響,淤泥固化處理難度大。

    (2)淤泥在固化前,需具備較為寬敞的場(chǎng)地或淤泥池,用于晾曬或者是預(yù)先拌合,在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。從經(jīng)濟(jì)性及適用性看,固化處理采用爐渣與石灰混合含水量高的淤泥。

    (3)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,提出了土地利用和建材利用的相關(guān)準(zhǔn)入條件和技術(shù)要求,為城市河湖淤泥的資源化利用提供重要參考,為建設(shè)“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)。

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