淤泥脱水固化技术结合应用研究

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  宁波高新区围海工程技术开发有限公司 浙江省 315040
  摘要:通过高分子脱水剂与固化剂的结合使用,经自动化程序控制系统完成药剂的对应添加,实现淤泥在输送通道中的快速脱水,脱水后的淤泥经沉淀后采用淤泥固化机进行搅拌喷浆式固化。该技术的应用可有效的解决现有淤泥脱水固化技术的局限性。
  关键词:淤泥脱水;淤泥固化;快速固结
  引言
  目前,在围垦工程后期围区的开发建设、吹填工程中都需要大量的砂、土,施工中往往采取外购砂、土,运到施工现场进行回填,使施工成本骤增。然而,在围区外侧通常存在着大量的海涂淤泥,不仅影响着海洋生态环境,而且使围垦工程存在安全隐患。这样一方面围垦工程中土方施工料源得不到合理解决,另一方面工程区海涂淤泥资源得不到合理有效利用,从而形成了相互矛盾的难题制约着海洋滩涂开发的全面发展。
  其次,在河道、航道疏浚工程中疏浚淤泥的处理也制约着生态的发展,实际施工中绝大部分的疏浚淤泥是通过弃置于陆地抛填区、低洼区自然固结,或设置堆场进行存放。如此种种做法,不仅占用鱼塘和耕地,而且形成的土地由于非常软弱而很难进行开发利用。
  再次,在城市建设与公共设施养护过程中产生的泥浆态废弃物,如:建筑钻孔(井)作业中产生的泥浆,市政雨水管道清理中产生的通沟污泥等,此类废物直接进入城市排水管系与河道,将因固相颗粒的沉积而严重影响城市的排水功能,并因其中污染物的释放而危害城市环境,而通常的外运堆放,既造成土地资源的浪费,又影响环境的质量。
  如何快速、有效地对体量庞大的滩涂淤泥、疏浚淤泥及建筑泥浆进行“减量化、无害化、稳定化、资源化”处理处置,是淤泥脱水固化技术的关键[1]。当前,单纯的淤泥快速脱水技术难以有效地解决问题。将淤泥脱水技术与淤泥固化技术相结合,使丰富的滩涂淤泥变为有效的回填材料,同时解决河道疏浚淤泥、城市排水管系淤泥难以处理的问题,对于减少土石方的开采、保护生态环境、社会经济的发展都有着重要的意义。
  1 国内外研究现状
  1.1 国内研究现状
  污泥中水分的存在形式一般分为三种:一是存在于污泥颗粒间隙中的游离水和间隙水,这部分水约占污泥水分的70%;二是存在于颗粒间毛细管中的毛细水,这部分水约占20%;三是存在于污泥颗粒内部(包括细胞内)的水和黏附在颗粒表面的附着水,这部分水约占10%[2]。淤泥脱水固化技术在国内的研究还处于初步阶段,目前主要依靠物理原理应用机械实现脱水固化,而化学高分子药剂的应用还处在小范围的试验阶段。本文以武汉路德科技有限责任公司介绍的淤泥脱水固化技术[3]为例进行说明。
  武汉路德科技有限责任公司介绍的“脱水固化一体化处理”技术,适用于湖泊、河道、水库、海岸等疏浚淤泥(又称底泥、污泥)的减量化、无害化、稳定化处理和资源化利用。具有以下工艺优势:1)产能:疏浚淤泥脱水与固化一次完成,不受天气影响;2)减容:脱水干泥较水下自然方减量2/3、较疏浚泥浆方减量95%,运输费用、占地面积大幅降低;3)无害:淤泥中所含病菌被杀灭,重金属被络合、钝化和固封,不再溶出;4)稳定:脱水干泥呈可塑状,含水率≤40%,7d无侧限抗压强度≥150kPa,遇水不泥化,污染物无二次转移;5)尾水环保:过滤尾水清澈,悬浮物指标SS<20mg/L,远低于国标70mg/L;6)利用:脱水干泥可用作工程回填土、水泥厂替代粘土或蒸压砖原料;7)设备:主机已实现国产化,技术成熟,维护方便。该技术应用于淤泥脱水固化施工时受制于机械设备规模,在大型滩涂淤泥脱水固化处理方面可能存在局限性。
  (a)处理站 (b)堆泥场
  图1 脱水固结一体化(武汉路德科技)
  1.2 国外研究现状
  淤泥脱水固化技术的发展在美国、德国等发达国家相对较成熟,技术应用的原理同样以物理方法为主,依靠成熟的机械设备实现脱水固化,在化学高分子应用领域的发展需进一步成熟。本文以美国IMS公司的环保挖泥船及全机械式泥浆脱水固结装置[4]为例进行说明。
  美国IMS公司介绍的环保挖泥船及全机械式泥浆脱水固结装置可实现泥浆脱水固化一体化施工。脱水固化淤泥可达到的主要指标有:1)作业深度6.7m;2)泥浆排放体积:0~13.2m3/min;3)淤泥最大含固量:>35%。该项技术机械安装使用条件对固化场地的自然条件要求较高,在一定范围内存在局限性。
  图2 清淤泥浆脱水固化系统(美国IMS)
  基于以上国内外研究现状,本文提出一种脱水固化结合的新技术,该技术将化学高分子脱水剂作用于输送过程中的淤泥,经脱水后的淤泥采用螺旋式淤泥固化机进行行走式喷浆固化,该技术可有效地解决现有淤泥脱水固化技术的局限性。
  2 技术原理
  2.1 整体实施思路
  利用泥浆泵从外海将淤泥以泥浆的形式(含固量在40%以下)输送至回填区,在管道输送过程中加入高效脱水剂,经过混合脱水后,在吹填出口淤泥颗粒凝结在一起,泥浆中的80%水分的被分离脱开,管道出口处上层清水自然流走,泥颗粒自然沉降留在吹填区。脱水后的堆积淤泥使用浮筒式淤泥固化机驶入掺合凝结剂进行固化处理。固化后淤泥在自然条件下进行凝固反应,最终实现淤泥的快速固结。
  2.2 凝结剂作用原理
  凝结剂以粉煤灰、矿渣作为主要材料,同时配以一定比例的水硬性胶凝材料、碱性激发剂、膨胀剂、表面活性剂、减水剂及相应辅助剂混合而成。凝结剂与高含水率泥浆搅拌初期,在缓凝剂的作用下不发生反应,脱水后大部分水分被析出,凝结剂与脱水后的淤泥在一定的时间内实现凝固,使淤泥颗粒接触处产生结晶或胶结,同时与淤泥颗粒中的活性物质反应生成胶凝物质,既产生物理结合,也产生化学结合,从而使土体产生强度,同时具有良好的水稳定性和耐久性。   2.3 脱水剂作用原理
  高效脱水剂,是一种复合型高分子材料,利用化学电离及凝聚原理切断淤泥颗粒中的毛吸管,实现固体和液体分离[5],如图3所示。
  图3 脱水药剂作用机理
  3 核心技术
  (1)利用化学电离及凝聚原理实现泥水分离,混凝剂通过电离作用切断淤泥颗粒中的毛吸管,初步实现固体和液体分离,然后絮凝剂将分离后的泥质粒子凝聚,使悬浮细小杂质和脱稳后的胶粒互相粘结为絮体,进一步实现泥水分离。
  (2)静态搅拌器进行化学药剂的拌合,静态搅拌器静态工作不需要动力,依据水力学原理进行设计,淤泥在管道中流经特定元件装置后改变其流速状态,通过层流运动变化实现化学药剂与淤泥的均匀混合。
  (3)电脑中央控制系统利用处理程序,依据浓度检测装置进行化学试剂的添加,再根据泥质颗粒电离检测装置、泥水分离检测装置的检查数据通过电脑中央控制系统对处理效果进行检查分析,即时调整试剂量的加入。
  (4)脱水后淤泥孔隙增加,降低固化机掺合凝结剂后的搅拌负荷与搅拌次数,能大幅度提高固化机的施工效率。同时,固化后水份的蒸发与渗透较原样淤泥要更加快速,将有效的缩短淤泥快速固结的时间。
  4 施工工艺原理与实例
  4.1 核心工艺控制
  通过对不同脱水剂的的研究,以及对淤泥性质的研究,同时结合大量的试验,最终确定了脱水剂的最优添加公式:注入量Q脱水=Q泥浆*(0.6*泥浆浓度+0.6)。同时,对于不同淤泥对脱水剂添加量的要求,经过试验分析后得出相应的系数,最终实现30~60秒内完成泥、水的分离。
  通过超声波浓度仪在线实时测定泥浆比重,并通过电磁流量计在线实时测定泥浆流量,换算出泥浆重量,再结合根据实验室拟合的脱水剂添加率曲线数据进行PLC程序编程,由PLC控制系统确定脱水剂的添加量,以此实现管道输送中脱水剂的自动添加,达到淤泥快速脱水的目的,使400%含水率以上的淤泥迅速脱水,含水率降至170%左右。
  通过浮筒式淤泥固化机驶入淤泥面掺合凝结剂,并同时实现搅拌、精确定位等工艺要求,使脱水后的淤泥能快速固结,实现淤泥在28天内承载力达到80 kPa以上,从而缩短淤泥固化周期。
  4.2 整体工艺流程与布置
  4.2.1 整体工艺流程
  脱水工艺流程:配制脱水药剂(同时开启进药装置、进水装置、润湿装置和搅拌器)→设定PLC程序参数k、a→输送泥水→开启PLC监测系统→脱水剂定量添加→静态搅拌→作用距离→观察泥水分离效果→淤泥沉淀→浮筒式固化机驶入→掺入凝结剂并搅拌→淤泥快速固结。
  1)若泥水分离达到预期效果,则按既定参数连续进行→至日工作量完成→清洗管道;
  2)若泥水分离未达到预期效果,则重新设定PLC程序参数k、a→输送泥水→开启PLC监测系统→凝结剂定量添加→静态搅拌→脱水剂定量添加→静态搅拌→作用距离→观察泥水分离效果→淤泥沉淀→浮筒式固化机驶入→掺入凝结剂并搅拌→淤泥快速固结。
  4.2.2 工艺平面布置
  工艺平面布置图如图4所示。
  图4 工艺平面布置图
  4.3 项目实例
  2012年8月,本文在浙江省奉化市红胜海塘进行了淤泥脱水固化技术结合应用现场试验研究。试验采用挖泥船将含水率为400%~566.67%的淤泥从海底吸取后,在管道中加入脱水剂进行脱水,在管道出口实现泥水分离。分离后土壤在吹填区域沉淀,排出上层清水后,测得土样的含水率及渗透系数如表1所示。
  表1 脱水后的土样含水率及渗透系数
  取样深度 含水率 渗透系数m/s
  10天 20天 30天
  表层 116.99% 106.39% 81.6% 5×10-6~10-5
  20cm~40cm 128.31% 120.18% 102.6% 7×10-7~10-6
  40cm~60cm 160.03% 122.57% 123.3% 10-7~5×10-7
  60cm~80cm 147.83% 129.14% 113.8% 8×10-8~10-7
  沉淀后的淤泥在原地进行固化,采用淤泥固化机原位添加8%的凝结剂进行搅拌,凝结剂采用水灰比为0.7~0.8的浆剂。固化土样达到28d龄期后,取样进行直剪试验,测得其抗剪强度参数如表2所示。
  表2 固化土样的抗剪强度(28d龄期)
  编号 深度/(cm) 内摩擦角/(°) 粘聚力/(kPa)
  1 0~15 24.4 26.2
  2 15~30 22.1 26.0
  3 30~45 20.4 22.8
  4 45~60 18.6 21.9
  5 结语
  本文提出的淤泥脱水固化技术的结合使用将解决围垦回填对土石方资源的依赖,且改变了淤泥作为回填施工不能直接利用需要后期再处理的现状。该技术与其它施工技术相比,大大减少了回填施工的工作量,缩短了施工工期,降低了施工成本;同时该技术还可以解决河道、航道疏浚淤泥的处理问题。
  该技术的推广使用,可使淤泥经过泵送吹填后,一个月内实现固化,产生较高的强度,具有广阔的市场空间。该技术填补了淤泥直接作为围垦回填材料利用的空白,解决了回填材料对土石方的依赖,有利于推动我国围涂行业技术水平的提高,应用到河道、航道疏浚工程中,解决疏浚淤泥的处理问题,应用到各类土建工程中,将已成为有害垃圾的废弃淤泥经过处理变为有用的资源,达到资源节约、保护环境的目的。在资源变废为宝的同时,保护了生态环境,实现了绿色施工。随着项目顺利实施,将进一步进行自主创新,有利于加强具有自主知识产权的技术升级,同时带动国内相关产业的发展,对整个社会经济的发展有着重要的意义。
  参考文献:
  [1] 沙志贵,肖华,罗保平等.淤泥脱水固结技术在环保清淤工程中的应用[J].人民长江,2013,44(11):64-66.
  [2] 曾德芳,袁继祖.一种新型环保型污泥脱水絮凝剂的研制与应用[J].工业水处理,2007,27(1):17-20.
  [3] “脱水固化一体化处理”技术简介[R],武汉路德科技有限责任公司.
  [4] 环保挖泥船及全机械式泥浆脱水固结装置工艺介绍[R],美国IMS公司.
  [5] 俞元洪,余朝伟,杨娜等.淤泥快速脱水技术的研究[J].港口科技,2012,(8):19-21.
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