基于不同疏浚絞刀結構的底泥污染物釋放情況分析

余義瑞,楊白露,董苗苗,朱家悅

(1.重慶交通大學省部共建水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;2. 重慶交通大學河海學院,重慶 400074)

基于不同疏浚絞刀結構的底泥污染物釋放情況分析

余義瑞1,2,楊白露1,2,董苗苗1,2,朱家悅1,2

(1.重慶交通大學省部共建水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;2. 重慶交通大學河海學院,重慶 400074)

分別采用普通絞刀、加罩普通絞刀、螺旋絞刀和加罩螺旋絞刀進行疏浚模擬試驗,通過比較疏浚點周圍上覆水中各污染物濃度變化情況,分析不同結構絞刀的環保性能。結果表明:采用螺旋絞刀疏浚下,底泥中污染物釋放量較采用普通絞刀疏浚時小;在這兩類絞刀上加裝罩殼均能有效抑制底泥中污染物釋放,特別是疏浚后1 h內營養鹽氮釋放;理想的絞吸式挖泥船環保功能改造方案為采用螺旋絞刀替換普通絞刀并加裝罩殼(防擴散裝置)。

疏浚;底泥污染物;普通絞刀;螺旋絞刀;罩殼;環保功能;污染物釋放量

航道疏浚作為一種為了滿足航行需求和清除底泥物質而開展的水下開挖工序[1],對維持現存航道具有非常重要的作用[2-3];同時,對支撐貿易以及經濟可持續發展也具有重大意義[4]。長江作為“黃金水道”,其貨物運輸量在全球內河位居第一,在全球內河經濟帶中發揮著獨特的作用。根據國務院頒發的[2014]39號文件,國家將推進長江經濟帶的發展,把長江建成暢通的內河航道以滿足“萬噸”級貨輪航行要求。因此,為了實現這一目標就必須加快對長江航道的整治,特別需加強對淺灘、暗礁、回水淤積段的疏浚工作。相關研究表明,疏浚工作通常以水力或機械切割機挖掘底泥的形式開展,但是傳統的疏浚設備在疏浚過程中不可避免地引發富含營養物、重金屬、持久性有機物的底泥再懸浮[1,5-6]。而當底泥顆粒受到擾動時,結合在其表面及內部的污染物就會釋放出來[7-8],對水體造成二次污染。然而,國內目前在航道疏浚工程方面還很少考慮到水環境保護問題。長期以來,人們對應用于湖泊污染治理的底泥疏浚技術進行了大量的研究[9-10],而對疏浚過程中清淤泥沙對環境的影響缺乏必要的檢測及研究。迄今,大多數研究主要集中在懸浮物質的擴散規律上[11-13],而對因底泥再懸浮所引發的污染物釋放規律研究則較為少見。

因此,本文針對航道疏浚工程中使用較為廣泛的絞吸式挖泥船(cutter suction dredger,CSD),考察不同絞刀結構對底泥污染物釋放情況的影響以及對比分析各結構類型絞刀的環保性能,以期提出較佳的CSD環保功能改造方案,為研發環保型疏浚設備提供理論依據及技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

長江航道整治工程所需的CSD為中型規模,其生產率為500 m3/h。通過特定計算可得出實物絞刀的主要幾何參數及運動參數,然后根據幾何相似和動力學相似理論可確定試驗模型絞刀的幾何參數及運動參數(表1)。試驗模型絞刀如圖1所示。

表1 實物絞刀及試驗模型絞刀的具體參數

圖1 試驗模型絞刀

試驗所用泥樣采自三峽常年回水區內淤積較為嚴重的忠縣河段天然底泥。為確定底泥污染物的最大釋放量,稱取25 g泥樣置于1 L的錐形瓶中,加入500 mL純水,于恒溫振蕩器(18.2℃,三峽庫區年均水溫)中振蕩24 h,分別于1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、12 h、24 h取樣,樣品經離心過濾(離心機轉速為4 000 r/min,時間為20 min)后測定污染物含量。試驗泥樣中污染物TN 、NH3-N、 COD的最大釋放量分別為77.8 mg/kg、45.2 mg/kg、2 484.8 mg/kg。

1.2 試驗方法

分別采用普通絞刀、加裝罩殼的普通絞刀、螺旋絞刀以及加裝罩殼的螺旋絞刀進行疏浚模擬試驗,考察疏浚點周圍上覆水中各污染物(COD、TN、NH3-N)的濃度變化情況,對比分析各結構型式絞刀的環保性能。另外,試驗采用自來水作為上覆水,以使底泥中污染物的釋放現象更加顯著。取樣時間分別為0.25 h、0.5 h、1 h、 3 h、 5 h、7 h、12 h和 24 h。

根據測得的營養鹽氮(NH3-N與TN)的累積釋放量,可通過式(1)計算出營養鹽氮的釋放速率,以深入分析底泥中污染物的釋放規律。

v=(Rn-Rn-1)/n

(1)

式中:v為氮的釋放速率，g/(m3·h)；Rn,Rn-1分別為第n次和第n-1次采樣時的累積釋放量,g/m3;n為兩次采樣間隔時間,h。

2 結果與討論

2.1 不同型式絞刀對底泥污染物釋放情況的影響

采用螺旋絞刀替換普通絞刀疏浚能有效減少底泥中污染物累積釋放量,底泥中COD、TN和NH3-N等污染物釋放效果在采用螺旋絞刀疏浚下均受到不同程度的抑制作用,三者的最大累積釋放量分別為40 g/m3、1.28 g/m3和0.64 g/m3;而底泥中COD、TN和NH3-N的最大累積釋放量在采用普通絞刀疏浚下則分別高達47 g/m3、1.48 g/m3和0.69 g/m3(圖2)。

圖2 采用螺旋絞刀/普通絞刀疏浚時底泥中污染物累積釋放量

由圖3可知,底泥中TN及NH3-N釋放速率在采取不同結構絞刀疏浚下均隨時間逐漸降低。但是,采用螺旋絞刀替換普通絞刀對疏浚后1 h內營養鹽氮的釋放速率影響較顯著。采用螺旋絞刀疏浚時,底泥中TN及NH3-N釋放速率較采用普通絞刀疏浚時小。1 h后,對于采用不同結構絞刀疏浚,就營養鹽氮釋放速率而言,影響程度的差異性逐漸減少。同時,底泥中TN及NH3-N釋放速率降低的趨勢均隨著時間逐漸變緩;約7 h后,兩者均趨于保持穩定狀態,并接近于零(圖3)。

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圖3 采用螺旋絞刀/普通絞刀疏浚下底泥中營養鹽氮釋放速率變化

試驗結果表明,螺旋絞刀在有效控制疏浚中底泥污染物釋放量方面優于普通絞刀。采用螺旋絞刀進行疏浚作業均能減少由于疏浚引起的底泥中各類污染物釋放量,但在程度上存在差異。其中,對COD和TN釋放的抑制作用較為顯著,相比于采用普通絞刀疏浚下,兩者的累積釋放量分別減少14.9%和13.5%;對NH3-N釋放效果的影響則較弱,相比于采用普通絞刀疏浚下,其累積釋放量減少7.2%。相關研究[14]表明,工程疏浚旨在增加河道的容量,主要用于航道疏通、港口建設;而環保疏浚的目的主要是為改善水域系統環境,清除水域系統中污染底泥。另外,由于環保疏浚所清除的污染底泥比工程疏浚所清除的泥層軟,故而其不僅利于切削,也更易于懸浮擴散。分析認為,螺旋絞刀具有連續線型刀刃,故而其對底泥的切削相對平穩,對泥面的沖擊小,最大限度地降低了對底泥的擾動;而普通絞刀為了具備更強的破土能力,導致其刀刃不連續,舍棄了環保性能。因此,其在疏浚過程中對底泥的擾動相對較大,而底泥顆粒受到擾動時,結合在其表面及內部的污染物就會釋放出來[7-8],對水體造成二次污染。

2.2 加罩普通絞刀對底泥污染物釋放特性的影響

普通絞刀加裝罩殼能有效抑制疏浚過程中底泥污染物釋放。底泥中COD、TN和NH3-N釋放量在采用加罩普通絞刀疏浚下均有所降低,三者的最大累積釋放量分別為34 g/m3、1.16 g/m3和0.57 g/m3,相比于采用螺旋絞刀疏浚下,分別減少15.0%、9.4%和1.1%(圖4)。

圖4 采用螺旋絞刀/加罩普通絞刀疏浚時底泥中各污染物累積釋放量

采用不同結構的絞刀疏浚后底泥中營養鹽氮釋放速率均隨時間逐漸減小。但是,普通絞刀加裝罩殼對疏浚后1 h內底泥中營養鹽氮的釋放速率影響較顯著,如圖5所示,采用加罩普通絞刀進行疏浚作業時,底泥中TN及NH3-N釋放速率較采用螺旋絞刀疏浚時小。1 h后,影響程度的差異性逐漸減少,同時底泥中TN及NH3-N釋放速率降低的趨勢均隨著時間逐漸變緩;約7 h后,兩者均趨于保持穩定,并接近于零。

圖5 采用螺旋絞刀/加罩普通絞刀疏浚下底泥中營養鹽氮釋放速率變化

試驗結果表明,普通絞刀加裝罩殼能在一定程度上減少疏浚過程中底泥污染物的釋放量,對污染物釋放的抑制效果優于螺旋絞刀。其中對COD釋放的抑制效果最為顯著,其累積釋放量比采用螺旋絞刀疏浚時減少15.0%;其次為TN,比采用螺旋絞刀疏浚減少9.4%;對NH3-N的影響則相對較弱,比采用螺旋絞刀疏浚減少1.1%。總體上,普通絞刀加裝罩殼后,對減少疏浚過程中底泥污染物的釋放量較顯著。分析認為, 在CSD疏浚過程中,絞刀在切削底泥的同時也會引發其周圍的水隨著轉動,形成一個奇特的流場,導致絞刀切削下的底泥分散成與水混合的顆粒物。同時,生成的泥水混合物將脫離泥泵的吸力場,并向疏浚點四周擴散,成為新的污染源,向水體釋放結合在底泥顆粒表面或內部的各類污染物[9],形成二次污染。而在絞刀上加裝防擴散裝置,則能有效防止泥水混合物擴散,避免其脫離泥泵的吸力場,有效降低二次污染。

2.3 加罩螺旋絞刀對底泥污染物釋放特性的影響

由圖6可知,采用加裝罩殼的螺旋絞刀進行疏浚有助于減少由于疏浚引起的底泥中污染物累積釋放量。底泥中COD、TN和NH3-N釋放量在采用加罩螺旋絞刀疏浚下均受到不同程度抑制作用,三者的最大累積釋放量分別為30 g/m3、1.07 g/m3和0.54 g/m3,相比于采用加罩普通絞刀疏浚下,三者的累積釋放量分別減少11.8%、7.8%和5.3%。

圖6 采用加罩螺旋絞刀/加罩普通絞刀疏浚時底泥中污染物累積釋放量

圖7 采用加罩螺旋絞刀/加罩普通絞刀疏浚下底泥中營養鹽氮釋放速率變化

試驗結果表明,對比其他結構型式絞刀,螺旋絞刀加裝罩殼能最大程度抑制疏浚過程中底泥污染物釋放。另外,采用任意種環保型絞刀疏浚對底泥中NH3-N釋放的抑制效果均弱于其對COD及TN釋放的抑制效果。分析認為,主要原因可能為上覆水中TN和COD均與懸浮顆粒物緊密相關,而環保型絞刀均能在不同程度上減少疏浚中對底泥造成的擾動,有效控制顆粒物再次懸浮,因而對這二者釋放的抑制作用較顯著;而NH3-N為易溶解于水的離子態,與懸浮顆粒的相關性弱于其余兩者,故而其釋放受到的抑制作用較弱。

3 結 論

a. 相比于采用普通絞刀疏浚下,采用螺旋絞刀疏浚時,底泥中COD、TN和NH3-N的累積釋放量分別減少14.9%、13.5%和7.2%;采用加罩普通絞刀疏浚時,底泥中COD、TN和NH3-N的累積釋放量比采用螺旋絞刀時分別減少15.0%、9.4%和1.1%;采用加罩螺旋絞刀疏浚時,底泥中COD、TN和NH3-N的累積釋放量比采用加罩普通絞刀時分別減少11.8%、7.8%和5.3%。

b. 在任何型式絞刀上加裝防擴散裝置和采用螺旋絞刀替換普通絞刀進行疏浚都能在一定程度上抑制疏浚中底泥污染物的釋放;對于抑制疏浚中底泥污染物的釋放,普通絞刀加裝防擴散裝置比單獨采用螺旋絞刀疏浚更具優勢;對比其他結構型式的絞刀,采用加裝防擴散裝置的螺旋絞刀疏浚,對底泥中污染物釋放的抑制效果最佳,為理想的CSD環保功能改造方案。

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Study of sediment contaminants release based on different dredging cutter structures

YU Yirui1, 2, YANG Bailu1, 2, DONG Miaomiao1, 2, ZHU Jiayue1, 2

(1.KeyLaboratoryofHydraulicandWaterwayEngineeringoftheMinistryofEducation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.SchoolofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

Dredging simulation experiments were carried out using a general cutter, a housing-general cutter, a spiral cutter, and a housing-spiral cutter, in order to study the change of contaminant concentration in overlying water and compare the environmental performance of cutters with different structures. The results were as follows: dredging with the spiral cutter, the amount of released sediment contaminants was less than that with the general cutter; dredging with both the spiral cutter and the general cutter equipped with housings could effectively reduce the amount of released sediment contaminants, particularly the amount of released nutrient nitrogen one hour after dredging; and the ideal transformation scheme for a cutter suction dredger (CSD) in terms of its environment-friendly function is dredging with a spiral cutter equipped with an anti-diffusion device (housing).

dredging; sediment contaminants; general cutter; spiral cutter; housing; environmental protection function; pollutants release amount

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.02.014

重慶市教育委員會科研創新項目(CYS15189)

余義瑞(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水污染控制。E-mail:984064042@qq.com

X5

A

1004-6933(2017)02-0074-05

2016-05-16 編輯：徐 娟)