深圳市光明區市政管網管道清淤及淤泥固化參數優化

楊合舉 王佳琦

摘 要：本文以深圳市光明區市政管網為研究對象，針對雨污管道中淤泥堆積嚴重問題，采取機械清淤和人工清淤結合的辦法進行管道清淤。同時針對工程情況建設淤泥處理場并設計以帶式壓濾機為主的淤泥處理流程，并采用響應曲面法確定影響因素對壓濾機工作效率的影響顯著順序和相互作用以及最佳工作參數，為以后類似工程提供了參考和理論依據。

關鍵詞：管道清淤;淤泥固化;帶式壓濾機;參數優化

1 前言

本文以深圳市光明區干支管網管道清淤工程為切入點，闡述了管道清淤的治理思路、施工工藝及管道淤泥的后續處理工作。并通過響應曲面法優化帶式壓濾機的最佳工作參數，為以后城市管道清淤及淤泥的脫水固化處理工程提供參考和理論依據。

2 管道清淤工程概述

2.1 深圳市光明區管道情況

本次管道清淤工程位于深圳市光明區，施工面積114.75平方公里，管網總長820km，清淤方量總計14.89萬m³，其中雨水管網中淤泥為4.23萬m³，污水管網中淤泥為10.66萬m³。光僑路、觀光路等城區主干路雨水管多數為800～1200mm大管徑混凝土管道，在非降雨天氣管內情況清晰可見，管道整體淤積很少，淤泥多集中在茶林路、科林路、科泰路等城邊次干路中，這些道路均呈兩邊高中間低的地勢，附近多為山丘地帶，降雨天氣，雨水摻雜山上沙土流進雨水管網中，常年累積，在管道中形成淤泥。污水管網中淤泥厚度普遍在1/4管徑以上，嚴重管段存在半管，甚至滿管的情況。

2.2 管道清淤施工工藝

針對光明區市政管網淤泥分布不均，主干路淤泥較少，次干路淤泥較多的特點，采用機械清淤和人工清淤相結合的方法。清淤后使用QV管道潛望鏡或CCTV管道檢測機器人進行觀測，潔凈可視度要求達95%以上。

2.2.1 機械清淤

本管道清淤工程主要采用水利清通的方式，設備選取東風天龍牌270型號沖吸一體式工作車，該車罐體容量21m³，隨車配備高壓水槍及吸排系統。清淤時，將高壓水槍伸入管道中進行管道沖洗，沖洗下來的淤泥與水混合成泥漿后順流至下游檢查井井室中，再通過吸排系統將泥漿吸入車內。

2.2.2 人工清淤

在清淤管道的兩端檢查井設置絞盤，用鋼絲繩帶刮板的方式在管內反復拖拉，將管內聚集狀淤泥刮散，再使用沖吸一體式工作車將泥漿處理干凈。在管徑大于800mm的雨水管道中，也可安排專業清淤人員下井清淤。

3 淤泥處理

3.1 淤泥處理場建設

由于管道淤泥具有體量大、含水量高、易腐敗發臭等特性，流體狀淤泥不便于運輸和處置，為此，需建設淤泥處理場對淤泥進行固化處理，以降低淤泥運輸成本，且固化后的淤泥可用于建筑保溫層填充、陶瓷磚石的原料及玻璃制造等。

淤泥處理場位于光明區逕口社區，占地面積7200m²。場內建有泥漿沉淀池4個，配備淤泥脫水設備1套、智慧系統1套。

3.2 淤泥固化機械選型

淤泥脫水固化方法分為自然干化法、熱干化法和機械脫水干化法。由于深圳市氣候潮濕，無法采用自然干化法，且熱干化法不適合大規模淤泥干化處理，針對本項目的環境特定及工程特點，本工程淤泥固化采用機械脫水干化法。

由于本工程淤泥體量大，對設備生產效率要求高，在設備能連續性作業同時考慮經濟性、淤泥場地面積、設備穩定性等因素，本次工程采用帶式壓濾機進行淤泥脫水固化作業。

3.3 淤泥處理工藝

淤泥處理前對管道內淤泥進行抽測取樣，共布置50個檢測點，取樣淤泥采用烘干脫水后，采用HF-HCLO4-HNO3進行消解以測量Zn、Cr、Cu、Ni等重金屬含量，經檢測淤泥內重金屬含量均未超標，可直接固化，不需要進行鈍化處理。

沖吸車將淤泥運至淤泥處理場，由車輛吸排系統經豬籠篩篩去生活垃圾、石塊等體積較大物品后排入進漿池中進行沉淀。上清液通過溢流管溢流至一級沉淀池、二級沉淀池、三級沉淀池沉淀后沿管道排至市政污水管網。進漿池中淤泥則通過泥漿泵抽至帶式壓濾機，同時藥劑罐中藥劑通過螺桿泵作用排至淤泥輸送管道中與淤泥充分混合。藥劑主要成分為丙烯酰胺（PAM）與聚合氯化鋁（PAC），具有絮凝及加速沉降作用。淤泥在帶式壓濾機上經重力脫水及滾軸壓力、剪力脫水后成泥餅狀由履帶傳送至泥餅堆放區。壓濾出的泥水經壓濾機的斜坡基礎匯至排水溝流入一級沉淀池中進行沉淀。

4 響應曲面法對帶式壓濾機工作參數優化研究

為了盡可能提高壓濾機工作效率，提高產泥量并降低泥餅含水率，本試驗采用響應曲面法，對濾布張力、運轉速度、機械傾角這三個因素共同分析，確定這三個因素對壓濾機工作效率的影響顯著順序，評價這三個因素間的相互作用，確定最優工作參數，使壓濾機工作效率達到最優。

4.1 響應曲面試驗設計

根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，選取濾布張力、運轉速度、機械傾角的3個最佳顯著水平，設計三因素三水平試驗，其中-1，0，1分別代表這三因素的低、中、高三個水平?；贐ox-Behnken響應曲面法的影響因子水平及編碼見表3.1。

選取產泥量和泥餅含水率為響應值，共進行17組試驗，試驗方案及結果如表3.2所示。

4.2 響應曲面試驗結果與分析

運用Design-Expert（V8.0.6.1）軟件對表3.2的試驗數據進行響應曲面分析，建立濾布張力（X1）、運轉速度（X2）、機械傾角（X3）3個因素與產泥量（Y1）和泥餅含水率（Y2）之間的二次多項式模型。

擬合得到Y1的二次回歸方程如下：

Y1=17.36+0.19X1+1.07X2-0.21X3-0.12X1X2-0.35X1X3-0.32X2X3-0.093X12-0.19X22-0.34X32 （0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10）

對Y1的二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗結果，如表3.3所示。

對Y1的方差分析結果顯示P=0.0003，遠小于0.05，表明該模型描述濾布張力、運轉速度、機械傾角3個因素與響應值產泥量之間的非線性方程關系是顯著的，回歸效果良好。3個因素中，運轉速度對產泥量的影響最為顯著，3個影響因子顯著性順序為運轉速度（F=150.17）>機械傾角（F=5.69）>濾布張力（F=4.90）。

模型的決定系數R2=0.9641，說明該模型可以解釋96.41%的試驗所得生產效率的變化;調整決定系數Radj2=0.9180，與R2很接近，R2- Radj2=0.04<0.2，說明模型的可信度和精密度較高，產泥量的預測值與實測值之間存在較好的相關性。通過模型可預測每個試驗點的產泥量值，預測值與實測值較好的吻合于一條直線。

擬合得到Y2的二次回歸方程如下：

Y2=57.98-1.29X1+1.01X2-1.13X3+1.18X1X2+0.20X1X3+0.100X2X3+2.22X12+2.32X22+0.80X32（0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10）

對Y2的二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗結果如表3.4所示。

對Y2的方差分析結果顯示P=0.0088。3個因素中，濾布張力對生產效率的影響最為顯著，3個影響因子顯著性順序為濾布張力（F=9.53）>機械傾角（F=7.27）>運轉速度（F=5.89）。

模型的決定系數R2=0.9002，調整決定系數Radj2=0.7719，與R2接近，R2- Radj2=0.12<0.2，模型的可信度和精密度較高，泥餅含水率的預測值與實測值之間存在較好的相關性。

分析在某個因素固定在中心值不變的情況下，其他兩個因素的交互作用對產泥量和泥餅含水率的影響。結果表示，對產泥量的交互作用：濾布張力和機械傾角>機械傾角和運轉速度>濾布張力和運轉速度，這與方差分析中F值的結果一致。對泥餅含水率的交互作用：濾布張力和運轉速度>濾布張力和機械傾角>運轉速度和機械傾角。

4.3 最佳試驗結果分析和模型驗證

綜合考慮確定各因素的約束條件為：0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10。在該約束條件下對模型求解得出產泥量值最優為17.68m3/h，泥餅含水率值最優為58.34%。最佳條件組合為：濾布張力0.66MPa，運轉速度0.11m/s，機械傾角4.92°。在實際運用中，將該反應條件參數修正為濾布張力0.65MPa，運轉速度0.11m/s，機械傾角5°。

為了對上述結果進行驗證，在最佳反應條件下進行3組平行試驗，得到產泥量的平均值為17.47m3/h，含水率值為58.92%，與模型得到的預測值偏差分別為1.18%和0.99%，說明該模型能較為真實地反映各因素對產泥量和泥餅含水率的影響，證明應用響應曲面法優化壓濾機工作參數是可行的。

5 結語

5.1 本工程采用機械清淤和人工清淤結合的方法，對淤積不嚴重的管道采取機械清淤方式，對管內積淤嚴重，水利清通無法使管道疏通的情況，采用人工清淤方式。

5.2 針對本工程淤泥體量大，對設備生產效率要求高，在設備能連續性作業同時考慮經濟性、淤泥場地面積、設備穩定性等因素，采用帶式壓濾機進行淤泥脫水固化作業。淤泥處理工藝以帶式壓濾機為主，并配套三級沉淀池結構以達到科學合理、循環作業的目的。

5.3 為了能夠盡可能地提高壓濾機工作效果，采用響應曲面法，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理設計三因素三水平試驗，結果表明，壓濾機的最佳工作參數為：0.65MPa，運轉速度0.11m/s，機械傾角5°，在此條件下產泥量和泥餅含水率為17.47m³/h和58.92%，試驗結果與預測結果相對誤差為1.18%和0.99%。

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