淤泥脫水固化技術結合應用研究

寧波高新區圍海工程技術開發有限公司 浙江省 315040

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

關鍵詞：淤泥脫水；淤泥固化；快速固結

引言

目前，在圍墾工程后期圍區的開發建設、吹填工程中都需要大量的砂、土，施工中往往采取外購砂、土，運到施工現場進行回填，使施工成本驟增。然而，在圍區外側通常存在著大量的海涂淤泥，不僅影響著海洋生態環境，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的全面發展。

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的發展，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、低洼區自然固結，或設置堆場進行存放。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利用。

再次，在城市建設與公共設施養護過程中產生的泥漿態廢棄物，如：建筑鉆孔（井）作業中產生的泥漿，市政雨水管道清理中產生的通溝污泥等，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境，而通常的外運堆放，既造成土地資源的浪費，又影響環境的質量。

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、穩定化、資源化”處理處置，是淤泥脫水固化技術的關鍵[1]。當前，單純的淤泥快速脫水技術難以有效地解決問題。將淤泥脫水技術與淤泥固化技術相結合，使豐富的灘涂淤泥變為有效的回填材料，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、保護生態環境、社會經濟的發展都有著重要的意義。

1 國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

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部（包括細胞內）的水和黏附在顆粒表面的附著水，這部分水約占10%[2]。淤泥脫水固化技術在國內的研究還處于初步階段，目前主要依靠物理原理應用機械實現脫水固化，而化學高分子藥劑的應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[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，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、穩定化處理和資源化利用。具有以下工藝優勢：1）產能：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，重金屬被絡合、鈍化和固封，不再溶出；4）穩定：脫水干泥呈可塑狀，含水率≤40%，7d無側限抗壓強度≥150kPa，遇水不泥化，污染物無二次轉移；5）尾水環保：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）設備：主機已實現國產化，技術成熟，維護方便。該技術應用于淤泥脫水固化施工時受制于機械設備規模，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 脫水固結一體化（武漢路德科技）

1.2 國外研究現狀

淤泥脫水固化技術的發展在美國、德國等發達國家相對較成熟，技術應用的原理同樣以物理方法為主，依靠成熟的機械設備實現脫水固化，在化學高分子應用領域的發展需進一步成熟。本文以美國IMS公司的環保挖泥船及全機械式泥漿脫水固結裝置[4]為例進行說明。

美國IMS公司介紹的環保挖泥船及全機械式泥漿脫水固結裝置可實現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，在一定范圍內存在局限性。

圖2 清淤泥漿脫水固化系統（美國IMS）

基于以上國內外研究現狀，本文提出一種脫水固化結合的新技術，該技術將化學高分子脫水劑作用于輸送過程中的淤泥，經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，該技術可有效地解決現有淤泥脫水固化技術的局限性。

2 技術原理

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，在管道輸送過程中加入高效脫水劑，經過混合脫水后，在吹填出口淤泥顆粒凝結在一起，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。脫水后的堆積淤泥使用浮筒式淤泥固化機駛入摻合凝結劑進行固化處理。固化后淤泥在自然條件下進行凝固反應，最終實現淤泥的快速固結。

2.2 凝結劑作用原理

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

2.3 脫水劑作用原理

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

圖3 脫水藥劑作用機理

3 核心技術

（1）利用化學電離及凝聚原理實現泥水分離，混凝劑通過電離作用切斷淤泥顆粒中的毛吸管，初步實現固體和液體分離，然后絮凝劑將分離后的泥質粒子凝聚，使懸浮細小雜質和脫穩后的膠?；ハ嗾辰Y為絮體，進一步實現泥水分離。

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

（3）電腦中央控制系統利用處理程序，依據濃度檢測裝置進行化學試劑的添加，再根據泥質顆粒電離檢測裝置、泥水分離檢測裝置的檢查數據通過電腦中央控制系統對處理效果進行檢查分析，即時調整試劑量的加入。

（4）脫水后淤泥孔隙增加，降低固化機摻合凝結劑后的攪拌負荷與攪拌次數，能大幅度提高固化機的施工效率。同時，固化后水份的蒸發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，以及對淤泥性質的研究，同時結合大量的試驗，最終確定了脫水劑的最優添加公式：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，經過試驗分析后得出相應的系數，最終實現30～60秒內完成泥、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，再結合根據實驗室擬合的脫水劑添加率曲線數據進行PLC程序編程，由PLC控制系統確定脫水劑的添加量，以此實現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入淤泥面摻合凝結劑，并同時實現攪拌、精確定位等工藝要求，使脫水后的淤泥能快速固結，實現淤泥在28天內承載力達到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）→設定PLC程序參數k、a→輸送泥水→開啟PLC監測系統→脫水劑定量添加→靜態攪拌→作用距離→觀察泥水分離效果→淤泥沉淀→浮筒式固化機駛入→摻入凝結劑并攪拌→淤泥快速固結。

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

2）若泥水分離未達到預期效果，則重新設定PLC程序參數k、a→輸送泥水→開啟PLC監測系統→凝結劑定量添加→靜態攪拌→脫水劑定量添加→靜態攪拌→作用距離→觀察泥水分離效果→淤泥沉淀→浮筒式固化機駛入→摻入凝結劑并攪拌→淤泥快速固結。

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結合應用現場試驗研究。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，在管道出口實現泥水分離。分離后土壤在吹填區域沉淀，排出上層清水后，測得土樣的含水率及滲透系數如表1所示。

表1 脫水后的土樣含水率及滲透系數

取樣深度含水率滲透系數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%的凝結劑進行攪拌，凝結劑采用水灰比為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 結語

本文提出的淤泥脫水固化技術的結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狀。該技術與其它施工技術相比，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；同時該技術還可以解決河道、航道疏浚淤泥的處理問題。

該技術的推廣使用，可使淤泥經過泵送吹填后，一個月內實現固化，產生較高的強度，具有廣闊的市場空間。該技術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技術水平的提高，應用到河道、航道疏浚工程中，解決疏浚淤泥的處理問題，應用到各類土建工程中，將已成為有害垃圾的廢棄淤泥經過處理變為有用的資源，達到資源節約、保護環境的目的。在資源變廢為寶的同時，保護了生態環境，實現了綠色施工。隨著項目順利實施，將進一步進行自主創新，有利于加強具有自主知識產權的技術升級，同時帶動國內相關產業的發展，對整個社會經濟的發展有著重要的意義。

參考文獻：

[1] 沙志貴，肖華，羅保平等.淤泥脫水固結技術在環保清淤工程中的應用[J].人民長江，2013，44（11）：64-66.

[2] 曾德芳，袁繼祖.一種新型環保型污泥脫水絮凝劑的研制與應用[J].工業水處理，2007，27（1）：17-20.

[3] “脫水固化一體化處理”技術簡介[R]，武漢路德科技有限責任公司.

[4] 環保挖泥船及全機械式泥漿脫水固結裝置工藝介紹[R]，美國IMS公司.

[5] 俞元洪，余朝偉，楊娜等.淤泥快速脫水技術的研究[J].港口科技，2012，（8）：19-21.