某大型污泥填埋場不揭膜取泥技術(shù)研究

葉源新，杜 炯，劉若元

[1.上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司，上海市200021；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；3.中交上海航道局有限公司，上海市200001]

0 引 言

隨著污水量的增加和收集率及處理率的提高，污泥的產(chǎn)生量在逐年增加[1，2]。2010 年前后，大量污水廠污泥未經(jīng)嚴(yán)格處理直接在填埋場中進(jìn)行傾倒，形成具有一定隱患風(fēng)險的污泥庫，如無錫梅園、深圳下坪、蘇州七子山及南昌麥園等填埋場[3，4]。這些未經(jīng)預(yù)處理而直接傾倒在填埋場的污泥會被后續(xù)堆載的垃圾引起污泥受擠壓，污泥變形過大以及強(qiáng)度不足將會導(dǎo)致填埋工程事故[5，6]。因此，對簡易填埋的污泥庫的處置需要重點關(guān)注，盡快安全處置，防患于未然，這是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵難題。對于污泥庫中的污泥后續(xù)采用焚燒、土地利用、建材化等處置方式，受到如何將污泥穩(wěn)定取出的限制，取泥過程中需要考慮取泥作業(yè)安全、臭氣散發(fā)二次污染等問題[7，8]。因此，采用膜下清淤的方法，改善污泥的物理力學(xué)性質(zhì)，是一種比較合理的方法。

目前，膜下清淤方法主要是指利用清淤機(jī)器人對填埋場陳腐污泥進(jìn)行膜下清淤。在填埋場不開膜的工況下將污泥從試驗庫區(qū)抽取出庫，經(jīng)除雜池除雜后通過接力泵輸送至污泥調(diào)理池，進(jìn)行后續(xù)污泥處置，保證污泥臭氣無大面積散逸。

針對污泥自身的特點，本文對上海某填埋場污泥庫中污泥進(jìn)行了現(xiàn)場中試試驗，采用膜下清淤機(jī)器人技術(shù)對試驗坑污泥進(jìn)行取泥處理，在現(xiàn)有可行基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)試驗，提出膜下清淤的改進(jìn)方案，為后續(xù)項目落地施工組織設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗場地情況

將填埋區(qū)污泥坑進(jìn)行分類編號：1#～12#，其中1#、2#、3#、5#、6#、7#、8#為覆膜區(qū)，9#、10#、11#、12#為覆土區(qū)，4# 和2# 半格為未填區(qū)，編號示意圖如圖1 所示，該試驗在3# 坑進(jìn)行。

圖1 填埋場污泥坑編號圖

因填埋場填埋污泥存在明顯的泥水分界界面，采用瞬變電磁法進(jìn)行勘探，3# 坑水- 泥界面、池底界面反演結(jié)果如圖2 所示。

圖2 3# 填埋坑反演成果圖

結(jié)合測量和實際物探結(jié)果，3# 坑水層深度在1.9 m，污泥層深度在5.4 m。

1.2 試驗設(shè)備和材料

1.2.1 道路及場地處理

進(jìn)入現(xiàn)場試驗庫區(qū)的道路主要有南北兩條，均為瀝青混凝土道路，寬3.5 m，滿足機(jī)械車輛單向通行。

現(xiàn)場主要設(shè)備布置包括發(fā)電機(jī)、除雜系統(tǒng)、集控室、試驗室、休息室及4 臺絞車布置在圓形卸料平臺或南北道路上，基礎(chǔ)均為瀝青混凝土，均化設(shè)備、壓榨設(shè)備布置于北進(jìn)場道路北側(cè)場地上，北進(jìn)場道路北側(cè)場地為未填污泥區(qū)，土質(zhì)松軟，機(jī)械車輛進(jìn)出場以及設(shè)備布置均存在安全隱患，因此在對一些區(qū)域進(jìn)行場地平整以及鋼板鋪設(shè)。

此外，考慮到汛期降雨道路易積水，在積水嚴(yán)重區(qū)域設(shè)置集水井，在北進(jìn)場道路設(shè)備擺放區(qū)域北側(cè)設(shè)置排水溝，防止泥土塌陷。

1.2.2 臨時用電

現(xiàn)場臨時用電主要分為兩部分，一部分為集控室、試驗室以及休息室基本辦公、試驗用電，用電設(shè)備總功率約46.15 kW，電源進(jìn)線引自于200 m 處-10～-0.4 kV 變電站，采用三級配電，二級防護(hù)；另一部分為清淤裝置、除雜格柵、接力泵、攪拌機(jī)以及板框等設(shè)備的生產(chǎn)用電，用電設(shè)備總功率約361.2 kW，電源進(jìn)線引自額定功率400 kW 的發(fā)電機(jī)，采用三級配電，二級防護(hù)。

1.2.3 生產(chǎn)及生活臨時用水

該項目主要包括清淤高壓沖水用水、場地或設(shè)備清洗用水等，現(xiàn)場可使用污水處理廠中水（中水流量約4 m3/h）和膜上積水。

1.3 試驗方法

（1）基礎(chǔ)設(shè)置：根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況及結(jié)合該工程特點，絞車及滑輪組基礎(chǔ)采用可移動式預(yù)制件形式進(jìn)行建設(shè)。

（2）覆膜開口：在開膜前，需對膜下氣體進(jìn)行取樣檢測分析，分析內(nèi)容主要包括氣體的爆炸極限以及氣體成分。檢測結(jié)果顯示，膜下氣體未達(dá)到爆炸極限，同時有毒有害氣體濃度未達(dá)到《惡臭（異味）污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/1025—2016）。

如圖3 所示，在覆膜開口完成后，將小口全部封住，針對大口制作可掀蓋的HDPE 膜進(jìn)行封蓋。

圖3 膜下取泥開口處圖

（3）膜下穿繩：清淤裝置在放入污泥坑之前，需將4 臺絞車的鋼絲纜繩在膜下穿過并與裝置連接。項目中采用自主設(shè)計的專用牽引設(shè)備將纜繩穿過覆膜。

（4）裝置入庫：入庫點的選擇需考慮吊裝機(jī)械的作業(yè)平臺，以及裝置入庫后可全部置于覆膜以下。項目中選擇距離圓形卸料平臺堤頂水平距離約4m 處作為入庫點，并根據(jù)裝置重量選擇合適的吊裝機(jī)械進(jìn)行吊裝入庫，入庫過程中對清淤裝置的壓倉水進(jìn)行調(diào)整，保證清淤裝置能夠依靠自重下沉至泥層。

（5）污泥抽?。喝鐖D4 所示，整套不開膜清淤系統(tǒng)由膜下清淤系統(tǒng)、岸上牽引系統(tǒng)、管纜收放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢修系統(tǒng)五部分組成。在裝置入庫并潛入污泥后，可正式開始抽取污泥，通過四角牽引系統(tǒng)調(diào)整清淤系統(tǒng)的位置，抽取的污泥直接打入污泥除雜區(qū)，經(jīng)過除雜后進(jìn)入儲泥單元，待后續(xù)污泥脫水試驗使用。

圖4 不開膜清淤施工斷面圖

（6）污泥除雜：經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，試驗庫區(qū)污泥中垃圾較多，主要為塑料、橡膠類垃圾，因而污泥抽取后的除雜工作變得格外重要。項目中選用耙齒式機(jī)械格柵機(jī)進(jìn)行垃圾過濾，該格柵機(jī)過濾孔徑為5 mm。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 清淤裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

為評估清淤裝置在該項目中的生產(chǎn)效率，對整個項目試驗過程中污泥抽取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括污泥抽取時間、污泥濃度、管道流量，其中污泥濃度數(shù)據(jù)通過快速水分分析儀檢測得到，管道流量數(shù)據(jù)通過電磁流量計監(jiān)測得到。

該項目中選用的清淤裝置設(shè)計清水流量為350 m3/h，實際生產(chǎn)過程中為了匹配后端接力泵（150 m3/h）從儲泥池輸送泥漿至調(diào)理池的效率，按60%負(fù)荷運行。此外，庫區(qū)污泥中垃圾含量比想象的多，連續(xù)生產(chǎn)情況下垃圾會纏繞堵塞泥泵吸口，對生產(chǎn)時的污泥濃度和流量有一定影響。因此，在污泥抽取、調(diào)理、脫水干化的試驗生產(chǎn)過程中，為保證污泥的高質(zhì)量持續(xù)供應(yīng)，現(xiàn)場臨時配備起重吊車配合堵泵時清理垃圾，泵口垃圾清理后污泥濃度和流量會有明顯改善，所以在后續(xù)項目正式實施時，應(yīng)該考慮采取垃圾前端堵泵清理措施。

根據(jù)生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)繪制試驗過程中污泥出庫量的累計生產(chǎn)情況如圖5 所示。試驗過程中，累計生產(chǎn)時間約17.23 h，累計抽取膜下污泥約2 535 m3，抽取出的污泥濃度主要為2%～13%，根據(jù)各時間段抽取的污泥方量和含水率計算累計絕干量為127 t，計算清淤裝置生產(chǎn)效率約為147 m3/h。

圖5 試驗過程中污泥出庫量統(tǒng)計

3.2 連續(xù)8 h 污泥抽取試驗分析

為分析該清淤裝置連續(xù)運行時的生產(chǎn)效率以及出泥濃度，進(jìn)行了連續(xù)8 h 污泥抽取試驗?，F(xiàn)場利用清淤裝置自循環(huán)抽泥，抽泥出庫再排入庫區(qū)，利用電磁流量計監(jiān)測排泥流量，保持最大負(fù)荷清淤裝置抽泥，共試驗兩批次，每批次連續(xù)抽泥8 h。

第1 次8 h 連續(xù)抽泥試驗（吊車配合）：第1 次8 h連續(xù)抽泥試驗過程中，清淤裝置由絞車和吊車配合，抽泥濃度或流量不理想時先通過絞車調(diào)整位置，若污泥濃度或流量仍然不理想則通過吊車提起裝置清理吸口垃圾，繼續(xù)試驗。連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化如圖6 所示。

圖6 連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化（第1 次）

通過第1 次8 h 連續(xù)抽泥試驗可以看出，清淤裝置在入庫運行前清理吸口所有垃圾，起初抽泥流量較大，污泥濃度不高；隨著抽取的污泥濃度升高，流量有所降低，繼續(xù)運行一段時間流量會降低到一定程度，同時濃度也會降低，現(xiàn)場分析是因為垃圾堵住吸口濃度高的污泥難吸入，吊出清淤裝置清理垃圾后又會恢復(fù)濃度。此外，可以看出每次通過絞車拖動清淤裝置到新位置，污泥濃度都會顯著提升，待一段時間后濃度又會降低，這是裝置附近污泥被抽取出來的直接現(xiàn)象，可見清淤裝置抽泥效果顯著。

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗（無吊車配合）：第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗過程中，清淤裝置僅用絞車配合，抽泥濃度或流量不理想時，通過絞車調(diào)整。連續(xù)8 h抽泥試驗污泥流量及濃度變化曲線如圖7 所示。

圖7 連續(xù)8 h 抽泥試驗污泥流量及濃度變化（第2 次）

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗中，清淤裝置入庫運行前吸口無垃圾，起初抽泥流量大，污泥濃度較高；隨著持續(xù)抽泥，污泥濃度和污泥流量整體呈下降趨勢；最終濃度和流量穩(wěn)定在1.72%和140 m3/h 左右。通過絞車拖動清淤裝置到新位置，污泥濃度都會有所提升，但隨著垃圾逐漸堵塞泵口，濃度和流量最終還是會受到影響。

3.3 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗分析

模擬連續(xù)24 h 污泥抽取試驗，14 點開始連續(xù)抽泥，分三段進(jìn)行：

（1）14:00—20:00，有吊車、絞車配合取泥，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)；

（2）20:00—次日6:00，只用絞車配合取泥，每15 min 記錄1 次數(shù)據(jù)；

（3）次日6:00—次日12:00，有吊車、絞車配合取泥，每5 min 記錄1 次數(shù)據(jù)。

連續(xù)24 h 污泥抽取試驗濃度變化曲線如圖8 所示。

圖8 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗濃度變化曲線

4 結(jié) 論

（1）懸索取泥裝置能夠在不開膜的情況下完成取泥工作，并且取泥器具在膜下能正常移動和定位。清淤取泥裝置在24 h 連續(xù)取泥過程中最高流量為217.23 m3/h，最低流量為88.74 m3/h，平均流量153.1 m3/h。

（2）膜下垃圾眾多，大量垃圾堵泵嚴(yán)重，對生產(chǎn)效率影響較大；膜下清淤污泥濃度變化較大，變化范圍大致為90%～99%，對后續(xù)脫水干化施工影響較大。

（3）針對庫區(qū)過大，導(dǎo)致膜下清淤設(shè)備移動軌跡難以達(dá)到預(yù)期，在工程的實際實施過程中可采用有效劃分施工庫區(qū)的解決方案，一個大的庫區(qū)分為幾個小的區(qū)域，分批次施工。

（4）針對膜下工況復(fù)雜，垃圾含量較高情況，后續(xù)工程實施配置更大產(chǎn)能及更大通過粒徑的膜下清淤裝置，減少垃圾淤堵風(fēng)險，同時污泥出庫后需采用組合除雜工藝進(jìn)行多重除雜，特別是針對其中的絮狀不易清除的垃圾，需專門對工藝進(jìn)行改進(jìn)。

（5）針對流量和濃度穩(wěn)定性較差的不足，后期工程實施可采用中間緩沖池的形式進(jìn)行緩沖過渡，利于污泥泵送濃度控制。