——环保型绞吸式挖泥船和脱水固结一体化工艺的应用
张文虎
河北省南水北调工程建设管理局 河北石家庄 050011
摘要：邯郸市滏阳河清淤治理工程，经过河道清淤疏浚和淤泥脱水固化比选，采用环保型绞吸式挖泥船和脱水固结一体化施工工艺。通过向泥浆中添加FSA、HEC两种物质进行物理作用和化学反应，加快泥水分离和有害物质处理，最终经过挤压，形成含水率在40%左右的泥饼，运输十分方便。污泥干化过程中产生的退水符合国家排放标准，避免了施工现场和淤泥运输对城市环境造成二次污染，确保居民生活和工业供水不受干扰。
关键词：清淤；绞吸式挖泥船；HEC；脱水固结
1 工程概况
滏阳河被誉为邯郸市的“母亲河”，横跨主城区，担负着市区雨水排泄和工农业供水的双重任务。滏阳河近年来贺庄橡胶坝至电厂闸河道长6.5 km淤积严重，平均淤积约2米，最大淤积3米，需进行清淤治理。本次清淤设计宽度20-25米。经对河道底泥取样试验结果分析，河道分布的底泥的性状基本一致，有机质含量约为13.06%，含固率为42.22%，淤泥颗粒极细，绝大多数底泥粒径小于0.075mm。河段清淤方量约25万立方米。
2 施工方法与脱水工艺的选择
河道施工主要有清淤疏浚、淤泥脱水固化和外部运输三部分工作内容构成。城区段滏阳河承担着城市排沥和工业供水的双重任务，河道施工不仅施工机械作业面有限，而且施工与居民生活、淤泥运输与环境污染之间的矛盾十分突出。处理不好会给城市带来混乱和污染，因此需科学合理的选择清淤施工方法与脱水工艺。
2.1河道清淤疏浚施工方案的选择
目前国内常用的河道清淤方法主要分为三种：传统施工方法、水力冲挖施工方法和环保型绞吸式挖泥船施工方法。
传统的施工方法也叫干式清淤法。主要适用于水量较小、易排干河道。清淤时首先对河道进行截流排干积水，然后采用长臂式挖掘机沿河道两岸进行清淤。该施工方法优点是易于控制清淤深度，清淤彻底，施工效率高，可以观察清淤后的河底状况，可利用河道两岸绿地作为临时弃泥场，避免远距离淤泥输送，工程成本相对较低，工期有保证。缺点是设备投入较多，相互之间干扰大；对两岸已建工程设施损坏严重；施工现场混乱，对周边环境有二次污染，沿河居民对施工的干扰也大。
水力冲挖施工方法也叫半干式清淤法。施工时采用搅吸设备进行搅拌、抽排清淤，同时由工人使用高压水枪在搅吸设备旁边予以辅助。之前滏阳河城区部分段清淤施工时，在河道内使用两个浮船，一个搭载0.4m3的长臂挖掘机进行开挖，将淤泥倒放在另一条船上，然后通过泥浆泵和输泥管道输送至储泥场，整个施工现场都在河道内进行，不占用岸上的陆地空间。优点在于操作简便，搅吸泥设备体积小，便于穿过桥梁进行施工，拆装、运输方便；对河道两岸绿地、建筑景观、两岸居民基本没有影响。缺点是高压水枪、泥浆泵、加压泵耗电量大；人工费高，工人工作环境差；管道输泥距离越远，成本越高，效率越低；淤泥需要集中储放、晾晒或进行脱水处理，占地面积较大。
环保型绞吸式挖泥船施工方法也叫湿式清淤法。其工作原理是利用吸水管前端环保绞刀和密封罩装置，将河底泥沙进行切割和搅动，再经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力，输送到储泥场，它的挖泥、运泥、卸泥可以一次连续完成。由于整个施工过程采用水下施工、密封管道运送，彻底避免了淤泥的二次污染。目前，已经在云南省滇池、湖北武汉市南湖等地投入使用，是一种性能稳定、效果良好的水下挖掘机械。该施工方法除具备水力冲挖施工的优点外，还具有不用施工导流、不影响工业正常供水、综合成本低等特点。缺点是：绞吸船对于河道水深有一定的要求，不同的船型要求河道水深也不同，一般至少需要1.2-1.5m预留深度；对跨桥作业的桥梁高度有要求，当无法通过的桥梁施工时，需要将船只进行拆卸、吊装；对距离储泥场超过2km的淤泥输送，需要泵送加压才能完成，所以耗电量也比较大。
综合分析上述三种施工方法，由于滏阳河清淤疏浚河段位于城区腹地，为避免施工现场和淤泥运输对城市环境造成二次污染，保护两岸建筑，确保居民生活和工业供水不受干扰，确定采用环保型绞吸式挖泥船进行河道清淤疏浚施工。
2.2 淤泥脱水固化与环境保护方案的选择
如何尽快将储泥场的淤泥脱水、固结、外运，减少淤泥运输污染和占地赔偿，已成为城市河道施工急需解决的问题。目前，国内外淤泥处理的方法有很多，主要包括自然脱水干燥法、真空预压脱水法、机械脱水法、搅拌固结法等。
自然脱水干燥法就是通过自然暴晒、人工翻晒、底面脱水、堑壕挖掘等方法，待淤泥含水率降低后再运输。该方法工艺简单，直接成本最低，适合处理工程量小、含水率不高、透水、无污染的原状淤泥。缺点是脱水效率低，干燥周期长，受天气影响大，且占地多，人工费高，一般适用于市外工程。
机械脱水是目前世界各国普遍采用的污泥脱水方法。脱水机械主要有板框压滤机、带式压滤机、真空过滤机和转筒离心机等。这种方法脱水效果差、能耗大、产量低，处理后的淤泥含水率仍在60%以上，形状成泥团状，在运输过程中，淤泥经过震动仍然会有稀泥流落到路面，形成二次污染。该脱水方法一般应用于污水处理厂的少量污泥处理。
脱水固结一体化处理是通过向泥浆中添加FSA泥沙聚沉剂、HEC高强高耐水土体固结剂两种物质，进行物理作用和化学反应，加快泥水分离和有害物质处理，最终经过机械挤压，形成含水率在40%左右的泥饼，运输十分方便。另外，污泥干化过程中产生的退水符合国家排放标准，对下游河道没有污染。实现淤泥“减量化、无害化、稳定化”处理的目标。
上述三种淤泥处理方法，评定优劣的核心问题是处理后的含水量、有害物质含量和处理成本。经过分析，脱水固结一体化处理效果最好，直接成本略高于机械脱水工艺20元/m3左右，但考虑遗漏到城市道路上淤泥的人工清扫费和运输工效，脱水固结一体化与机械脱水工艺处理成本基本持平，所以采用脱水固结一体化处理工艺进行淤泥处理。
3 工程实施
为了减少脱水固结设备搬运次数和施工对居民的噪音影响，本期工程划分为1个标段，储泥场和脱水固结设备临时占地选在远离居民的已裁弯取直的原河道附近。河道淤泥浆通过管道输送至淤泥处理场地进行脱水固结处理，然后将固结后的泥饼外运至外环路之外。
3.1 清淤疏浚
3.1.1清淤疏浚施工工序
河道垃圾清理→管线架设、接力泵站安装→挖泥船开工展布→清淤疏浚→疏浚泥浆加压输送→淤泥脱水固化场。
3.1.2 清淤工段划分
本段工程清淤长度为6.5km，由于绞吸式挖泥船排距有限，适宜于滏阳河段面的挖泥船最大排距为2.7km左右，加压一次2.5km左右，多个工段需要将疏浚后的泥浆加压输送至脱水固结场地。清淤施工以疏浚加压次数及泥浆输送距离将整个施工区域分为三个施工区。
图3.1-1 施工区划分图
3.1.3施工工期与挖泥船产能分析选型
总工程量约25万m3，施工总工期为5个月，准备工作1个月，正常施工4个月。一台环保型绞吸式挖泥船小时生产效率为180m3/h，时间利用率70%，则挖泥船平均日产量为：180×24×70%=3024m3/d。考虑移船及检修时间，单月有效时间按27天计算。
一台180m3环保型绞吸式挖泥船产能为3024*27*4=326592 m3＞250000m3，满足施工要求。
表3.1-1 180m3环保型绞吸式挖泥船参数表
3.2 固化脱水与运输利用
3.2.1高新技术材料HEC高强高耐水土体固结剂的固结原理
HEC常温下直接胶结被固结材料颗粒，与此同时，HEC的活性组分渗入被固结材料基本单元的相界面上，激发被固结材料中铝硅酸盐活性，利用多组分复合产生超叠加效应，使之形成多晶聚集体。HEC的水化产物将被固结材料基本单元粘结成为牢固的整体，实现从内部到表面的整体固结作用，从而产生较高强度和水稳定性。
3.2.2技术工艺流程
图3.2-1 清淤泥浆“脱水固结一体化”处理系统流程图
3.2.3设备配置
表3.2-1 泥浆脱水主要设备表
3.2.4疏浚泥浆脱水处理场布置
疏浚泥浆脱水处理场需占地2万㎡（泥饼堆场未计），脱水处理厂主要由沉淀池、浓缩池、均化池、加药系统、脱水处理厂等组成。
3.2.4.1沉淀池
沉淀池起到重力分选和除渣的作用，为保证过流均匀，采用长条矩形，有利于调整泥浆流态。沉淀池的宽度设计满足设备清沙的要求并满足细沙沉淀的过流速度要求，具体宽度按疏浚船的流量设计。沉淀池的长度满足细沙沉淀的过流时间要求。过流渠坡度i设为5%，材质采用混凝土。
此设计已考虑到会有临时杂物堵塞渠道的可能和适当的安全高度预留满足过流能力。设2个沉淀池互换使用，每个沉淀池至少满足1天的有效沉淀容积和有效过流断面。
图3.2-2 沉淀池示意图
3.2.4.2格栅机
沉淀池重力分选，将较大颗粒粒径碎石、砖块等沉淀、漂浮杂物用格栅拦截。通过格栅拦截下来的杂物采用HEC固化剂进行固化处理。格栅机型号与渠道的宽度、高度相适应。
3.2.4.3浓缩池
浓缩池作用是储存泥浆和排掉上清液进行浓度调节。根据淤泥性质及淤泥处理进度安排，设置2个浓缩池。单个浓缩池要保证挖泥船5小时的排量。浓缩池采用圆锥形底部设计，顶部溢流，底部出泥。
3.2.4.4加药系统
设置2个加药系统，包括：4个储料罐、2个混合器、一个加药库房。泵送泥浆通过螺旋输料机和固液混合器加入HEC与FSA材料，通过自身紊流完成调理调质；料罐储量在80吨以上。每个仓库必须容纳80吨材料，占地约100m2。
3.2.4.5均化池
通过采用机械搅拌方式防止沉淀，对均化池泥浆进行调理调质均化，使材料充分混合并保持泥浆浓度恒定。均化池为半埋式，容积在1000m3左右，深2.5米。设为混凝土结构，泵房也采用砖结构。
3.2.4.6泥水分离
完成调质调理后的泥浆通过泥浆泵送至泥水分离系统脱水固结，部分清水循环利用，部分清水回排中和池。脱水固化处理厂4台设备并行布置，总占地600m2。采用600/200-U型压滤设备，产生泥饼呈硬塑状，产生的压滤水达标排放。
3.2.5运输利用
经过处理的疏浚泥浆，可即时分离为悬浮物质指标达到国家城镇污水综合排放一级标准（SS值小于20mg/l）的清水和含水率小于40%的硬塑状泥饼，可直接装车运输至花木培育基地作为肥料。不存在弃土占地问题。
4 结语
环保型绞吸式挖泥船与脱水固结一体化施工工艺在滏阳河清淤施工中圆满的完成了工程任务，完工后经过计算分析，在滏阳河清淤施工直接成本约为21元/m3左右。更为重要的这种清淤工艺有效的避免了施工现场和淤泥运输对城市环境造成二次污染，并且变废弃的污泥为可利用料，减少了弃土占地问题，节约了宝贵的土地资源。确保了居民生活和工业供水不受干扰，对类似城市河道清淤具有很好的参考应用价值。
参考文献：
[1]吴飞宏.泥浆“脱水固结一体化”环保清淤技术在北高干渠清淤中的应用.水利科技，2012年第二期
[2]武汉路德科技有限责任公司专利产品HEC介绍
[3]滏阳河清淤工程设计、施工、检测资料
[4]黄石市环磁湖生态环境综合治理项目清污泥浆处置技术报告
[5]沙志贵.淤泥脱水固结技术在环保清淤工程中的应用.2013.44（11）
作者简介：
张文虎（1974-），男（汉族），河北曲阳人，高级工程师，主要从事南水北调工程建设管理工作，
论文作者:张文虎
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：淤泥论文; 清淤论文; 挖泥船论文; 河道论文; 泥浆论文; 方法论文; 环保型论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;