环保疏浚联合土工管袋在汉沽污水处理厂的应用

环保疏浚联合土工管袋在汉沽污水处理厂的应用

汉沽废水处理厂占地面积2.56公里，位于现代产业区30多年的废水矿床。通过保护济运河蓄水的历史使命，形成了一个污染严重、生态条件差的水域，制约了周边地区的社会经济发展。2008年,在中新天津生态城的建设背景下,开展了污水库治理的前期准备工作,并对污水库底泥进行了全面的本底质调查和实验室小试,最终确定了环保疏浚、土工管袋脱水减容和固化稳定化处理底泥的工艺技术路线。由于本次工程规模庞大,同时对于生态城整体建设来说意义重大,因此在整体工程实施前进行了现场中试工程,笔者主要介绍试验工程中环保疏浚联合土工管袋脱水减容的工艺技术环节。1项目设计1.1层序结构及污染物来源根据底质调查的结果,污水库污染底泥总量为384.9×104m3,污染特性主要呈现重金属和难降解有机物的复合污染。另外,通过对217个底泥钻孔岩性的观察和分析,发现污水库底泥普遍具有十分明显的三段式层序结构,分别为:①顶部流动浮泥层。厚度一般在0.2～1.5m之间,呈黑色絮凝状,含水率在90%以上,以黏土质和细粉砂质的悬浮颗粒为主,粒径较细;②中部黑色粉砂粘土质泥层。厚度一般在0.3～1.2m之间,以黑色黏土、粉砂及细砂沉积物为主,平均粒径在5～11μm之间,平均含水率为85%左右;③底部棕黄色泥层。以棕黄色自然沉积为主,含水率在80%以下,绝大部分样点平均粒径为6～9μm,污水库底泥污染物集中分布在顶部两个泥层之中。本次试验工程的底泥治理区域位于污水库西侧、平面尺寸为120m×120m的方形区域,上覆水深度为1m,污染底泥治理量约为1.5×104m3。1.2管袋结构及规格尺寸目前,应用于土工管袋编织的材料主要有两种:聚丙烯(PP)和聚酯(PET),聚丙烯产品为黑色,质地较硬,价格较低;聚酯产品为白色,质地柔软,价格较高。两种材料相比,聚丙烯抗紫外线能力较强,价格便宜,但材料的抗拉强度低于聚酯,本次工程同时选用了两种材质的产品进行试验,两种产品的材料性能参数见表1。本次工程土工管袋规格尺寸的选择分为长、短2种,分2层堆叠,下层6条,上层5条。长管袋位于下层,长度为30.5m,周长为27.5m,最大充填高度为2.6m,理论纳泥容积为750m3;短管袋位于上层,长度为21.5m,周长为27.5m,最大充填高度为2.6m,理论纳泥容积为530m3,计算得2种管袋总纳泥容积为7150m3。1.3排水暗管排水设计土工管袋的脱水减容场地必须平坦,杂物(如树根、坚硬带棱角的石块等)有可能损害土工管袋。另外,由于本次工程土工管袋的沥出水为污水,因此场地底部需设置防渗漏结构层。本次工程脱水减容场地选择在距离污水库岸边约100m的开阔区域内,场地平面尺寸为92m×52m,地坪标高为4.2m。脱水减容场地为盆型结构,底标高为3.0～3.5m,底部沿宽度方向设1%的边坡,低端设置梯形断面浆砌片石排水沟,上口宽为1.5m,下口宽为0.5m,排水沟终点设一座汇水池,汇水池顶部配置2台自吸式排水泵(Q=150m3/h,H=200kPa),用于将沥出水排回至污水库(见图1)。场底防渗结构自下至上依次为:300mm厚粘土地基、600g/m2长丝土工布、2mmHDPE光面土工膜、600g/m2长丝土工布、500mm厚级配卵石滤层,级配卵石滤层内沿长度方向布置DN250的HDPE打孔花管,间距为5m,坡向排水沟一侧。1.4环保疏浚工程3关于泥浆泵的计算参数挖泥船计算参数见表2。设计要求基岩基压泥船生产率低挖泥船生产率按下式计算:W=Q×P(1)式中W——生产率,m3/hQ——泥浆流量,m3/hP——泥浆设计平均浓度,%本次工程泥浆流量为300m3/h,泥浆设计平均浓度为10%,则要求挖泥船生产率满足30m3/h。挖泥船即时高精度设计系统根据本工程施工工况,挖泥船选择小型环保绞吸式挖泥船,挖泥船生产率为30m3/h,保证率>70%,最大吃水深度为1m,最大输泥排距为1.0km。挖泥船要求安装DGPS定位系统,配置探深测量与指示装置,以完成即时高精度平面和高程定位。为保证挖泥船正常工作,还需配置必要的附属设施,包括起锚艇1艘、给养船1艘以及排泥管、浮筒和橡胶软管若干。排泥管线增上下门排泥管线管材为钢制,管道连接方式为法兰连接。控制管内底泥流速大于其临界流速(通常不小于3m/s),计算管径为150mm,管道布设长度约为700m。排泥管线在水上采用浮筒使其浮于水面,两端分别与挖泥船泥浆泵出口和陆域排泥管线连接。陆域排泥管线沿岸边布设,在地形起伏较大处加设橡胶接头,另外在排泥管线末端设置三通回流管道,便于挖泥船停止工作后对排泥管线内沉积底泥的冲洗。1.5单阀系统的设计絮凝剂和混合为帮助疏浚底泥在土工管袋内完成快速脱水,需在其进入管袋前投加絮凝剂并充分混合。根据实验室小试结果,本次工程絮凝剂选用阳离子聚丙烯酰胺(PAM),设计投加量为0.2%～0.3%,计算得絮凝剂投加能力为90kg/h,投加浓度为0.1%。溶解罐及罐体安装絮凝剂制备系统设3个相同尺寸的不锈钢罐体,单罐有效容积为12m3,2个溶解罐,1个溶液罐,罐体顶部均设1台不锈钢双层式搅拌器,采用偏心式安装。絮凝剂溶解浓度为0.4%,溶解后进入溶液罐,溶液罐后设1台污泥螺杆泵,絮凝剂经螺杆泵输送至二次稀释装置,稀释至浓度为0.1%后送至絮凝剂投加点。投加反压,管道淤堵为防止絮凝剂投加后底泥过早地在疏浚管道内发生絮凝沉淀,从而造成管道淤堵,因此投加点应尽量靠近土工管袋进泥口。本工程投加点位于进泥口前15m处,投加点后设一组不锈钢管道静态混合器(DN150),使絮凝剂与底泥充分混合。1.6劳动管袋的放置和填充设计土工管袋固定土工管袋产品包装成卷状,在卷中心设有展开拉绳,展开前先将土工管袋卷摆放在设计摆放的中心位置,然后用人工或小型机械设备拖拉展开,土工管袋现场展开见图2。充填开始前需对土工管袋进行固定,通常可采用2种方式:a.用绳将载重物与土工管袋两侧的固定耳连接;b.用沙袋在土工管袋的两侧堆砌成槽。以上两种方式可以避免土工管袋在充填初期阶段发生摆动,当管袋充填至一定高度具有较大自重后,即可移除固定设施。现场监控布置土工管袋的充填过程需要疏浚船、加药系统、土工管袋和排水系统形成有序的工作流程,由于每个工作界面相距较远,因此需配置手持式电台进行联络,由现场总指挥统一布置。整个充填过程大体分为4个步骤:管道与管袋充填管道设置土工管袋充填口通常为2个(可根据需要增加),沿长度方向布置在两侧,疏浚管道与管袋充填进泥口采用塑料软管连接,两端用管卡固定,疏浚管一端设1台手动蝶阀,用以控制进泥流量。挖泥前清通充填开始前,挖泥船首先输送底泥的上覆水,通过这样的操作既可达到检查管道密封性的目的,又可实现挖泥前对管道进行清通的效果,输送的污水不进入土工管袋,由疏浚管上的旁通引至排水沟中。底泥的管袋、细浆被截留调试完成后,挖泥船绞吸刀头向下深入设计泥层进行疏挖,并通过输送泵和排泥管道将底泥输送至脱水减容场地。与絮凝剂充分混合的底泥进入土工管袋后,固体颗粒绝大部分被截留,沥出水从管袋的缝隙中排除。随着进泥量的不断增加,土工管袋的高度不断提升(见图3),直至达到最大充填高度时停止充填,此时可开启另一条土工管袋的充填口阀门进行切换,初次充填时间约为5～8h。第2次充填固结当土工管袋初次达到最大充填高度时,其表面沥水并未结束,在进水停止、沥水继续的条件下,管袋的高度不断下降,这时就可以开始第2次充填,依此类推,挖泥船可在不停止工作的情况下,使充填过程在每条土工管袋之间交替进行。本次工程单个土工管袋的充填次数多为8～10次,在后续充填过程中,随着管袋内底泥含固率的增加,每次充填的时间不断减少,沥出水量亦是初期较大,后期不断减少。2结果与分析2.1降低絮凝剂投加量在环保疏浚联合土工管袋脱水减容系统中,疏浚船、土工管袋与絮凝剂投加三者的配合至关重要,三者的核心是土工管袋,疏浚船和絮凝剂投加应在满足土工管袋正常脱水减容的前提下进行作业。在试验工程中,曾尝试降低絮凝剂的投加量,当投加量降低至临界值时,土工管袋的沥出水十分浑浊,底泥颗粒物质在不能形成絮体的情况下,无法被土工管袋截留。疏浚船应维持稳定的排泥量和排泥浓度,排泥量过大可能造成土工管袋高度上升过快,甚至爆袋;排泥浓度过高时,底泥无法与絮凝剂充分混合,此时管袋脱水效果较差。2.2土木工程管袋的脱水效果沥出水中悬浮物在试验工程中,通过对土工管袋沥出水水样进行检测发现,在絮凝较好的条件下,沥出水中悬浮物含量可达10mg/L以下,目测水质也较为清澈,此时在土工管袋表面形成了很好的反滤层,将固体颗粒截留在其内部。管袋内底泥体积测定土工管袋充填完毕并在脱水场地内放置约15d后,破开管袋对底泥进行取样检测,含水率检测结果均在40%～50%之间,破袋后泥样详见图4。通过计量,进入单个土工管袋的累积流量值约为7000m3,最终管袋内留下的底泥体积约为700m3。另外,在试验工程开始前,多数观点认为底泥经土工管袋脱水减容后,会存在管袋中心处的水由于距离表面较远而无法脱出的现象,即表面含水率较低,内部含水率较高。但是,经破袋后对同一断面不同位置的底泥含水率检测结果表明,含水率在同一断面内基本呈均匀分布。2.3影响脱水减容效果的因素土工管袋脱水减容是一项较为复杂的物理过程,通过国内外学者的不断研究和实践,总结得出了影响其脱水减容效果的主要因素,即反滤层、压力、絮凝剂、湍流。管袋表面反滤与底泥中的颗粒物质相比,土工管袋编织的孔径更大,若要完成对底泥中颗粒物质的拦截,必须在管袋表面形成反滤层,俗称“泥膜”。“泥膜”在不断形成和脱落的过程中,对颗粒物质起到过滤拦截作用。压力与所有的过滤原理相同,土工管袋完成过滤作用同样需要一定的工作压力,通常控制在50kPa左右。投加絮凝剂的影响絮凝剂在土工管袋脱水减容过程起到了关键作用,它能使底泥中颗粒物质形成污泥絮体,更容易沉淀和形成反滤层,实践也证明在不投加絮凝剂的情况下,土工管袋无法正常发挥作用。水流进入土工管袋的水流需要具有一定的流速,使管袋内形成湍流,所有介质能够均匀分布,这也是脱水后管袋内泥层断面含水率均匀分布的重要原因。3环保疏浚基本概念试验工程实践证明,采用环保疏浚联合土工管袋的方式对湖库底泥尤其是污染底泥进行疏浚和脱水减容,具有机械化程度高、控制二次污染、脱水后底泥含水率低等技