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受污染河湖的疏浚底泥快速脱水干化新工艺的应用
更新时间:2017-03-15 来源:《净水技术》 作者:李川,张晴波,赵东华,陈喆,张晔

摘要:基于受污染河湖的疏浚底泥特征和现有快速脱水干化技术的优缺点,在理论研究和现场试验中结合传统的化学辅助脱水法和真空预压法的特点,提出一种自由水渗透法的污染底泥快速干化新工艺。该工艺应用于太湖竺山湾疏浚底泥干化示范工程,疏浚干化90d 后,整体承载力达到40 kPa,造价低于传统的地基处理技术,且不改变土的原有性质。

“十一五”期间我国湖泊底质的调查表明在我国长江流域、黄河流域、太湖、滇池、巢湖等大型河湖都存在着不同程度的湖泊底泥污染,这成为影响湖泊水质和水生态的重要因素[1]。疏浚是目前国内外治理污染河湖底泥的主要措施[2],也是发达国家修复持久性有毒物污染底泥的重要手段。环保疏浚,旨在清除河流、湖库水体中的污染底泥,有效减少河湖体内源污染物含量,改善水生态环境[3,4]。

伴随着污染底泥环保疏浚工程的开展,疏浚底泥的二次污染和土地堆存成为亟待解决的新问题。能否将疏浚底泥进行快速脱水干化,已成为制约底泥环保疏浚工程广泛开展的关键因素[5]。国内外处理环保疏浚底泥主要采用板框压滤、离心脱水、化学辅助脱水、真空预压、土工管带、添加固化材料等方法,但运行成本较高,且有的方法可能会导致土体性质发生改变,影响疏浚土的利用,在大规模疏浚工程中难以推广[6-8]。

1 运行理论和技术特点

1. 1 运行理论

河湖清淤污染底泥往往具有有机质含量高,压缩性差; 细颗粒含量高,比表面积大; 土中水难以排出,干化困难的特点[9]。以太湖竺山湾为例,底泥沉积物以细颗粒为主,采用激光粒度仪Hydro2000MU( A) 进行了试样的颗粒分析试验,结果如图1 所示。由图1 可知各试样的级配分布差别很小,中值粒径为6 ~ 6. 5 μm 颗粒占了40% 以上, 30 μm以下颗粒达95%。

通过对国内太湖、滇池、洱海、武汉东湖等大型环保疏浚工程的调研认为底泥干化处理后一般不作为房基、防汛大堤等主体受力部分,对底泥堆场的利用规划一般是绿化用地、休闲用地等,承载力要求不高,一般达到30 ~ 40 kPa 即可满足使用要求,同时要求处理时间短、费用低且尽量不改变土体的原有属性。

疏浚土脱水干化的关键在于调整底泥中水的赋存形态、创造排水通道和排水驱动力。以化学辅助脱水和真空预压法作为基础,本工艺从疏浚底泥水土分布形态调整、疏浚底泥土体排水系统设置、辅助荷载和疏浚余水利用三个方面进行研究和改进。

( 1) 疏浚底泥水土形态调整

存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类,其中大部分结合水难以自由排出,直接影响土体的干化。本工艺在输泥管线中接入研制的高效泥水混合装置,并投加复配高效的脱水剂,利用高效复配脱水剂调整底泥颗粒表面电荷,减少扩散层厚度,同时改变泥浆中水的赋存形态,使扩散层部分弱结合水成为自由水,经排水通道排出; 在辅助荷载作用下,土颗粒扩散层部分重叠,使土颗粒结合紧密。

( 2) 疏浚底泥土体排水系统设置

疏浚底泥固结干化速度与孔隙水的排水路径密切相关,本工艺对现有底部、垂直、表层等排水系统进行分析和试验,并创造性地在底泥中设置水平排水通道,排水过程简洁。采用该方法不需专门设置表层排水通道,工作垫层简单。通过对排水系统的改进,可以优化堆场的排水路径和阻力,加快清淤底泥固结干化速度,提高固结干化质量。

( 3) 辅助荷载和疏浚余水利用

排水通道和固结压力是土体固结必不可少的两个条件。疏浚底泥在辅助荷载的应力作用下,土体的超静孔隙水压力逐渐消散,土体颗粒间的有效应力增长,清淤底泥干化固结强度和压缩模量逐步提高。理论上,辅助荷载的大小和作用时间与清淤底泥干化质量密切相关。本工艺综合考虑真空预压和堆载方法的处理效果及成本因素,采用疏浚余水作为附加荷载,疏浚底泥在自重和附加荷载的应力作用下,促进孔隙水的排出和土体固结。新工艺流程示意如图2 所示。

1. 2 新工艺主要特点

( 1) 采用复配高效脱水剂和管线中的高效泥水混合装置实现微量投加后的高效泥水分离,同时改变泥浆中水的赋存形态,使其大部分成为自由水;

( 2) 采用了土体水平排水通道及配套工艺;

( 3) 利用疏浚余水作为辅助荷载与自重共同作用,使土颗粒扩散层部分重叠;

( 4) 干化时间为90 ~ 100 d,干化土承载力达到40 kPa,能满足大部分工程对脱水干化的要求,和常规真空预压法相比,工艺复杂度和费用双降。

2 工艺工程应用

2. 1 应用区域

为验证底泥自由水渗透法工艺在工程实际处理中的效果,在太湖流域竺山湾吹填堆场进行了工程应用和对比试验。工程目标为干化处理90 d 后,底泥堆场承载力达到40 kPa。现场试验分为4个试验区,1、2 区为自由水渗透法工艺,3区为不设置水平排水层的压载法,4区为自然干化法。现场试验场地选址和分区如图3 所示。

2. 2 试验方案

现场试验堆场利用废弃鱼塘形成试验的1 区~4 区,每个试验片区平面尺度( 长× 宽× 高) 30 m×35 m × 5. 5 m。为了试验不同处理方法和排水通道、附加荷载强度和处理时间对疏浚底泥干化效果的影响,设计了多组现场试验,包括底部排水盲沟系统、水平排水系统、垂直排水系统、表面排水系统以及压载系统。1 区~ 4 区试验参数如表1 所示。

2. 3 试验结果

覆水压载90 d 后,对试验区现场进行底泥沉降量测量和地基承载力静载检测。试验4 区组为自然干化法对照样,干化90 d 后沉降效果缓慢,仅沉降30%,表面承载力尚不足以满足承载力静载试验检测作业条件,不能满足工程目标。试验1 区~ 3 区的检测结果如图4 ~ 图6 所示。

根据表1 各试验区底泥90 d 的沉降量和图4 ~图6 的地基荷载沉降Q ~ S 曲线可知,在加载0~45 kPa范围内,第1 组和第2 组曲线在40 kPa 时出现明显拐点; 加载到40 kPa 时,静载沉降量分别为22. 90、27. 28 mm,地基承载力均为40 kPa,堆场底泥厚度均下降57%; 第3 组在加载到35 kPa 时出现明显拐点,静载沉降量28. 55 mm,地基承载力为35kPa,堆场底泥下降厚度51%。试验结果显示,1、2 组试验地基承载力达到40 kPa,3 组的试验承载力达到35 kPa,1、2 组满足工程目标。其中第2 组方案最优,效果优于第3 组试验,和第1 组效果持平。由此可知在堆场中设置水平排水板能起到加速排水和加速土固结的效果,而第1 组中的底部排水盲沟的效果不明显。

版权、出处:《净水技术》

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