環(huán)保疏浚聯(lián)合土工管袋在漢沽污水處理廠的應(yīng)用

環(huán)保疏浚聯(lián)合土工管袋在漢沽污水處理廠的應(yīng)用

漢沽廢水處理廠占地面積2.56公里，位于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)區(qū)30多年的廢水礦床。通過保護濟運河蓄水的歷史使命，形成了一個污染嚴重、生態(tài)條件差的水域，制約了周邊地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展。2008年,在中新天津生態(tài)城的建設(shè)背景下,開展了污水庫治理的前期準(zhǔn)備工作,并對污水庫底泥進行了全面的本底質(zhì)調(diào)查和實驗室小試,最終確定了環(huán)保疏浚、土工管袋脫水減容和固化穩(wěn)定化處理底泥的工藝技術(shù)路線。由于本次工程規(guī)模龐大,同時對于生態(tài)城整體建設(shè)來說意義重大,因此在整體工程實施前進行了現(xiàn)場中試工程,筆者主要介紹試驗工程中環(huán)保疏浚聯(lián)合土工管袋脫水減容的工藝技術(shù)環(huán)節(jié)。1項目設(shè)計1.1層序結(jié)構(gòu)及污染物來源根據(jù)底質(zhì)調(diào)查的結(jié)果,污水庫污染底泥總量為384.9×104m3,污染特性主要呈現(xiàn)重金屬和難降解有機物的復(fù)合污染。另外,通過對217個底泥鉆孔巖性的觀察和分析,發(fā)現(xiàn)污水庫底泥普遍具有十分明顯的三段式層序結(jié)構(gòu),分別為:①頂部流動浮泥層。厚度一般在0.2～1.5m之間,呈黑色絮凝狀,含水率在90%以上,以黏土質(zhì)和細粉砂質(zhì)的懸浮顆粒為主,粒徑較細;②中部黑色粉砂粘土質(zhì)泥層。厚度一般在0.3～1.2m之間,以黑色黏土、粉砂及細砂沉積物為主,平均粒徑在5～11μm之間,平均含水率為85%左右;③底部棕黃色泥層。以棕黃色自然沉積為主,含水率在80%以下,絕大部分樣點平均粒徑為6～9μm,污水庫底泥污染物集中分布在頂部兩個泥層之中。本次試驗工程的底泥治理區(qū)域位于污水庫西側(cè)、平面尺寸為120m×120m的方形區(qū)域,上覆水深度為1m,污染底泥治理量約為1.5×104m3。1.2管袋結(jié)構(gòu)及規(guī)格尺寸目前,應(yīng)用于土工管袋編織的材料主要有兩種:聚丙烯(PP)和聚酯(PET),聚丙烯產(chǎn)品為黑色,質(zhì)地較硬,價格較低;聚酯產(chǎn)品為白色,質(zhì)地柔軟,價格較高。兩種材料相比,聚丙烯抗紫外線能力較強,價格便宜,但材料的抗拉強度低于聚酯,本次工程同時選用了兩種材質(zhì)的產(chǎn)品進行試驗,兩種產(chǎn)品的材料性能參數(shù)見表1。本次工程土工管袋規(guī)格尺寸的選擇分為長、短2種,分2層堆疊,下層6條,上層5條。長管袋位于下層,長度為30.5m,周長為27.5m,最大充填高度為2.6m,理論納泥容積為750m3;短管袋位于上層,長度為21.5m,周長為27.5m,最大充填高度為2.6m,理論納泥容積為530m3,計算得2種管袋總納泥容積為7150m3。1.3排水暗管排水設(shè)計土工管袋的脫水減容場地必須平坦,雜物(如樹根、堅硬帶棱角的石塊等)有可能損害土工管袋。另外,由于本次工程土工管袋的瀝出水為污水,因此場地底部需設(shè)置防滲漏結(jié)構(gòu)層。本次工程脫水減容場地選擇在距離污水庫岸邊約100m的開闊區(qū)域內(nèi),場地平面尺寸為92m×52m,地坪標(biāo)高為4.2m。脫水減容場地為盆型結(jié)構(gòu),底標(biāo)高為3.0～3.5m,底部沿寬度方向設(shè)1%的邊坡,低端設(shè)置梯形斷面漿砌片石排水溝,上口寬為1.5m,下口寬為0.5m,排水溝終點設(shè)一座匯水池,匯水池頂部配置2臺自吸式排水泵(Q=150m3/h,H=200kPa),用于將瀝出水排回至污水庫(見圖1)。場底防滲結(jié)構(gòu)自下至上依次為:300mm厚粘土地基、600g/m2長絲土工布、2mmHDPE光面土工膜、600g/m2長絲土工布、500mm厚級配卵石濾層,級配卵石濾層內(nèi)沿長度方向布置DN250的HDPE打孔花管,間距為5m,坡向排水溝一側(cè)。1.4環(huán)保疏浚工程3關(guān)于泥漿泵的計算參數(shù)挖泥船計算參數(shù)見表2。設(shè)計要求基巖基壓泥船生產(chǎn)率低挖泥船生產(chǎn)率按下式計算:W=Q×P(1)式中W——生產(chǎn)率,m3/hQ——泥漿流量,m3/hP——泥漿設(shè)計平均濃度,%本次工程泥漿流量為300m3/h,泥漿設(shè)計平均濃度為10%,則要求挖泥船生產(chǎn)率滿足30m3/h。挖泥船即時高精度設(shè)計系統(tǒng)根據(jù)本工程施工工況,挖泥船選擇小型環(huán)保絞吸式挖泥船,挖泥船生產(chǎn)率為30m3/h,保證率>70%,最大吃水深度為1m,最大輸泥排距為1.0km。挖泥船要求安裝DGPS定位系統(tǒng),配置探深測量與指示裝置,以完成即時高精度平面和高程定位。為保證挖泥船正常工作,還需配置必要的附屬設(shè)施,包括起錨艇1艘、給養(yǎng)船1艘以及排泥管、浮筒和橡膠軟管若干。排泥管線增上下門排泥管線管材為鋼制,管道連接方式為法蘭連接?？刂乒軆?nèi)底泥流速大于其臨界流速(通常不小于3m/s),計算管徑為150mm,管道布設(shè)長度約為700m。排泥管線在水上采用浮筒使其浮于水面,兩端分別與挖泥船泥漿泵出口和陸域排泥管線連接。陸域排泥管線沿岸邊布設(shè),在地形起伏較大處加設(shè)橡膠接頭,另外在排泥管線末端設(shè)置三通回流管道,便于挖泥船停止工作后對排泥管線內(nèi)沉積底泥的沖洗。1.5單閥系統(tǒng)的設(shè)計絮凝劑和混合為幫助疏浚底泥在土工管袋內(nèi)完成快速脫水,需在其進入管袋前投加絮凝劑并充分混合。根據(jù)實驗室小試結(jié)果,本次工程絮凝劑選用陽離子聚丙烯酰胺(PAM),設(shè)計投加量為0.2%～0.3%,計算得絮凝劑投加能力為90kg/h,投加濃度為0.1%。溶解罐及罐體安裝絮凝劑制備系統(tǒng)設(shè)3個相同尺寸的不銹鋼罐體,單罐有效容積為12m3,2個溶解罐,1個溶液罐,罐體頂部均設(shè)1臺不銹鋼雙層式攪拌器,采用偏心式安裝。絮凝劑溶解濃度為0.4%,溶解后進入溶液罐,溶液罐后設(shè)1臺污泥螺桿泵,絮凝劑經(jīng)螺桿泵輸送至二次稀釋裝置,稀釋至濃度為0.1%后送至絮凝劑投加點。投加反壓,管道淤堵為防止絮凝劑投加后底泥過早地在疏浚管道內(nèi)發(fā)生絮凝沉淀,從而造成管道淤堵,因此投加點應(yīng)盡量靠近土工管袋進泥口。本工程投加點位于進泥口前15m處,投加點后設(shè)一組不銹鋼管道靜態(tài)混合器(DN150),使絮凝劑與底泥充分混合。1.6勞動管袋的放置和填充設(shè)計土工管袋固定土工管袋產(chǎn)品包裝成卷狀,在卷中心設(shè)有展開拉繩,展開前先將土工管袋卷擺放在設(shè)計擺放的中心位置,然后用人工或小型機械設(shè)備拖拉展開,土工管袋現(xiàn)場展開見圖2。充填開始前需對土工管袋進行固定,通常可采用2種方式:a.用繩將載重物與土工管袋兩側(cè)的固定耳連接;b.用沙袋在土工管袋的兩側(cè)堆砌成槽。以上兩種方式可以避免土工管袋在充填初期階段發(fā)生擺動,當(dāng)管袋充填至一定高度具有較大自重后,即可移除固定設(shè)施。現(xiàn)場監(jiān)控布置土工管袋的充填過程需要疏浚船、加藥系統(tǒng)、土工管袋和排水系統(tǒng)形成有序的工作流程,由于每個工作界面相距較遠,因此需配置手持式電臺進行聯(lián)絡(luò),由現(xiàn)場總指揮統(tǒng)一布置。整個充填過程大體分為4個步驟:管道與管袋充填管道設(shè)置土工管袋充填口通常為2個(可根據(jù)需要增加),沿長度方向布置在兩側(cè),疏浚管道與管袋充填進泥口采用塑料軟管連接,兩端用管卡固定,疏浚管一端設(shè)1臺手動蝶閥,用以控制進泥流量。挖泥前清通充填開始前,挖泥船首先輸送底泥的上覆水,通過這樣的操作既可達到檢查管道密封性的目的,又可實現(xiàn)挖泥前對管道進行清通的效果,輸送的污水不進入土工管袋,由疏浚管上的旁通引至排水溝中。底泥的管袋、細漿被截留調(diào)試完成后,挖泥船絞吸刀頭向下深入設(shè)計泥層進行疏挖,并通過輸送泵和排泥管道將底泥輸送至脫水減容場地。與絮凝劑充分混合的底泥進入土工管袋后,固體顆粒絕大部分被截留,瀝出水從管袋的縫隙中排除。隨著進泥量的不斷增加,土工管袋的高度不斷提升(見圖3),直至達到最大充填高度時停止充填,此時可開啟另一條土工管袋的充填口閥門進行切換,初次充填時間約為5～8h。第2次充填固結(jié)當(dāng)土工管袋初次達到最大充填高度時,其表面瀝水并未結(jié)束,在進水停止、瀝水繼續(xù)的條件下,管袋的高度不斷下降,這時就可以開始第2次充填,依此類推,挖泥船可在不停止工作的情況下,使充填過程在每條土工管袋之間交替進行。本次工程單個土工管袋的充填次數(shù)多為8～10次,在后續(xù)充填過程中,隨著管袋內(nèi)底泥含固率的增加,每次充填的時間不斷減少,瀝出水量亦是初期較大,后期不斷減少。2結(jié)果與分析2.1降低絮凝劑投加量在環(huán)保疏浚聯(lián)合土工管袋脫水減容系統(tǒng)中,疏浚船、土工管袋與絮凝劑投加三者的配合至關(guān)重要,三者的核心是土工管袋,疏浚船和絮凝劑投加應(yīng)在滿足土工管袋正常脫水減容的前提下進行作業(yè)。在試驗工程中,曾嘗試降低絮凝劑的投加量,當(dāng)投加量降低至臨界值時,土工管袋的瀝出水十分渾濁,底泥顆粒物質(zhì)在不能形成絮體的情況下,無法被土工管袋截留。疏浚船應(yīng)維持穩(wěn)定的排泥量和排泥濃度,排泥量過大可能造成土工管袋高度上升過快,甚至爆袋;排泥濃度過高時,底泥無法與絮凝劑充分混合,此時管袋脫水效果較差。2.2土木工程管袋的脫水效果瀝出水中懸浮物在試驗工程中,通過對土工管袋瀝出水水樣進行檢測發(fā)現(xiàn),在絮凝較好的條件下,瀝出水中懸浮物含量可達10mg/L以下,目測水質(zhì)也較為清澈,此時在土工管袋表面形成了很好的反濾層,將固體顆粒截留在其內(nèi)部。管袋內(nèi)底泥體積測定土工管袋充填完畢并在脫水場地內(nèi)放置約15d后,破開管袋對底泥進行取樣檢測,含水率檢測結(jié)果均在40%～50%之間,破袋后泥樣詳見圖4。通過計量,進入單個土工管袋的累積流量值約為7000m3,最終管袋內(nèi)留下的底泥體積約為700m3。另外,在試驗工程開始前,多數(shù)觀點認為底泥經(jīng)土工管袋脫水減容后,會存在管袋中心處的水由于距離表面較遠而無法脫出的現(xiàn)象,即表面含水率較低,內(nèi)部含水率較高。但是,經(jīng)破袋后對同一斷面不同位置的底泥含水率檢測結(jié)果表明,含水率在同一斷面內(nèi)基本呈均勻分布。2.3影響脫水減容效果的因素土工管袋脫水減容是一項較為復(fù)雜的物理過程,通過國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究和實踐,總結(jié)得出了影響其脫水減容效果的主要因素,即反濾層、壓力、絮凝劑、湍流。管袋表面反濾與底泥中的顆粒物質(zhì)相比,土工管袋編織的孔徑更大,若要完成對底泥中顆粒物質(zhì)的攔截,必須在管袋表面形成反濾層,俗稱“泥膜”?！澳嗄ぁ痹诓粩嘈纬珊兔撀涞倪^程中,對顆粒物質(zhì)起到過濾攔截作用。壓力與所有的過濾原理相同,土工管袋完成過濾作用同樣需要一定的工作壓力,通?？刂圃?0kPa左右。投加絮凝劑的影響絮凝劑在土工管袋脫水減容過程起到了關(guān)鍵作用,它能使底泥中顆粒物質(zhì)形成污泥絮體,更容易沉淀和形成反濾層,實踐也證明在不投加絮凝劑的情況下,土工管袋無法正常發(fā)揮作用。水流進入土工管袋的水流需要具有一定的流速,使管袋內(nèi)形成湍流,所有介質(zhì)能夠均勻分布,這也是脫水后管袋內(nèi)泥層斷面含水率均勻分布的重要原因。3環(huán)保疏?；靖拍钤囼灩こ虒嵺`證明,采用環(huán)保疏浚聯(lián)合土工管袋的方式對湖庫底泥尤其是污染底泥進行疏浚和脫水減容,具有機械化程度高、控制二次污染、脫水后底泥含水率低等技