港航工程疏浚淤泥資源化利用模式的探討(2008年第4期總第108期)
來(lái)源:福建省交通運(yùn)輸廳
李時(shí)援
(福建省港航管理局,福州 350002)
摘要 港口與航道工程每年要清理出大量的淤泥,淤泥的含水率高,粘粒含量高、強(qiáng)度低,通常難以被工程直接利用,而往往作廢棄處理,造成資源的浪費(fèi)。將廢棄的疏浚淤泥經(jīng)過(guò)處理后代替良好的砂土等作土工材料使用,不但減少了廢棄淤泥對(duì)環(huán)境的影響,而且產(chǎn)生了新的土工材料資源,這種經(jīng)無(wú)害化處理后的廢棄物在建設(shè)過(guò)程中重新利用是當(dāng)今環(huán)境巖土工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文介紹目前疏浚淤泥資源化利用主要的幾種模式,如物理處理方法、熱處理方法和化學(xué)處理方法等等,并對(duì)這些方法進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:疏浚淤泥 資源化利用 脫水設(shè)備 處理方法
1 前言
在我國(guó),一般來(lái)說(shuō)疏浚淤泥含水率高達(dá)80%以上,多為液限的1.2~2.0倍,粘土顆粒含量多在40%以上。由于疏浚施工的擾動(dòng),淤泥的強(qiáng)度非常低,靜力觸探值小于200kPa,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在50kPa以下,通常難以被工程直接利用,而往往作廢棄處理,造成了資源的浪費(fèi)。將廢棄的疏浚淤泥經(jīng)過(guò)處理后代替良好的砂土等土工材料使用,不但減少了廢棄淤泥對(duì)環(huán)境的影響,而且產(chǎn)生了新的土工材料資源,這種經(jīng)無(wú)害化處理后的廢棄物在建設(shè)過(guò)程中重新利用是當(dāng)今環(huán)境巖土工程研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。“資源循環(huán)型社會(huì)”在發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)不是一個(gè)概念,而循環(huán)利用率指標(biāo)成為了一個(gè)政府重要的工作指標(biāo)之一。如在日本,整個(gè)土建行業(yè)的廢棄物利用率已經(jīng)從1995年的58%提高到2000年的80%,淤泥等建筑廢棄土的利用率也達(dá)到了60%。而我國(guó)疏浚淤泥的綜合利用剛起步,目前主要采用外海拋淤或者內(nèi)陸征地貯淤的方法。隨著我國(guó)相關(guān)法律的完善和土地資源的緊缺,以及我國(guó)建設(shè)循環(huán)型社會(huì)目標(biāo)的提出,如何將港航工程疏浚淤泥資源化綜合利用,變廢為寶,具有良好的產(chǎn)業(yè)化背景和今后研究的方向。
2 港航工程疏浚淤泥資源化利用的必要性和重要性
淤泥是在靜水和緩慢的流水環(huán)境中沉積,天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.5,由有機(jī)殘片、無(wú)機(jī)顆粒、細(xì)菌菌體和膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。由于含有各種病原菌、有機(jī)殘骸以及重金屬等污染物質(zhì),淤泥具有較強(qiáng)的污染性。首先,疏浚淤泥如果處理不當(dāng),其中的污染物大部分將滲入地表土層,會(huì)在雨水的沖刷下進(jìn)入地表水系統(tǒng)或影響地下水;置于農(nóng)田的淤泥會(huì)造成土壤作物的重金屬等污染,可能直接威脅人類的食物鏈;而淤泥的惡臭更是污染環(huán)境。第二,目前絕大部分港航疏浚淤泥經(jīng)常廢棄于陸地拋填區(qū)或低洼地區(qū),該方法
占用大量的土地,同時(shí)由于疏浚淤泥透水性差致使占用的土地很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)利用,從而在占用土地的同時(shí)增大了工程造價(jià)。第三,目前在大多數(shù)工程建設(shè)中,例如公路建設(shè)、河堤的培土加固、各種房屋建筑填方工程、海洋工程中都需要大量的良質(zhì)填土材料,這些填土材料一般通過(guò)開(kāi)挖耕地、河床采砂、開(kāi)山采石(土)等方法才能保證。通過(guò)這些方式能夠得到的土方資源有限,而且已經(jīng)造成了一定的環(huán)境問(wèn)題,例如引起了河床沖刷、水土流失、農(nóng)田減少等問(wèn)題。在沿海地區(qū)建設(shè)是填土材料需求量最大的地區(qū),然而由于天然資源的減少,已經(jīng)不能滿足各種工程對(duì)填土材料的需求,同時(shí)經(jīng)過(guò)這些方式得到的填土材料有的需要長(zhǎng)途運(yùn)輸,成本較高。因此,港航工程疏浚淤泥必須得到安全、及時(shí)、科學(xué)有效的處理和處置。
3 疏浚淤泥直接處理辦法
3.1拋泥法
拋泥法分為海洋拋泥和陸地拋泥。海洋拋泥是將疏浚泥運(yùn)送到指定的海洋拋泥區(qū)內(nèi),傾倒于海中,這一方法曾被沿海港口常用。如我國(guó)的黃驊港、連云港、深圳港、天津新港等港口的建設(shè)和維護(hù)中產(chǎn)生的大量疏浚泥,大多采用在近海岸設(shè)置拋泥區(qū)進(jìn)行海洋拋泥。陸地拋泥就是將疏浚出來(lái)的河湖底泥簡(jiǎn)單拋棄于沿河、沿湖的低洼地區(qū)(如魚(yú)塘、荒地等區(qū)域),進(jìn)行永久堆放或臨時(shí)堆放后復(fù)耕。內(nèi)陸河湖產(chǎn)生的疏浚淤泥多采用此方法。這種淤泥處理方法,占用了大量的土地資源,如無(wú)錫五里湖的水環(huán)境整治一期工程中,疏浚泥量達(dá)60萬(wàn)m3,設(shè)置了3個(gè)堆場(chǎng)進(jìn)行堆放,共占用土地達(dá)500畝,并涉及拆遷和農(nóng)業(yè)、漁業(yè)賠償?shù)葐?wèn)題,給工程帶來(lái)了很大的難度。堆場(chǎng)貯淤除占用大量土地外,也可能引起二次污染的問(wèn)題。
隨著對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)的重視以及近海傾倒區(qū)的飽和,同時(shí)隨著《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》(1999),《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》(2004)和《中華人民共和國(guó)漁業(yè)法》(2004)的出臺(tái)和對(duì)環(huán)境的日益重視,使外海拋淤變得很艱難,從而使外海拋淤受到很大的限制。由于我國(guó)土地資源緊張,尤其是在平原地區(qū)(如長(zhǎng)三角地區(qū),珠三角地區(qū)),征地的成本很高,為此內(nèi)陸河道征地貯淤在具體實(shí)施的過(guò)程中也存在大量的問(wèn)題。
3.2吹(堆)填法
吹(堆)填法是通過(guò)泥泵作用,從吸泥管吸取淤泥和水的混合物(泥漿),經(jīng)過(guò)排泥管輸送吹填陸域泥塘的一種施工方法。疏浚底泥作為填土材料使用,在許多少地的沿海國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用。如日本、新加坡眾多海上人工島和機(jī)場(chǎng)的建設(shè)中都大量使用了疏浚底泥進(jìn)行吹填,再對(duì)地基進(jìn)行加固的辦法填海造地。在我國(guó)香港地區(qū),僅1995年就填海造地6200hm2,占香港總面積的5.7%,其填海的材料除了使用山石填土外,也大量采用疏浚泥作為填料。在深圳的填海工程中,也大量使用吹填淤泥作為造地材料。
由于淤泥含水率很高,要想開(kāi)發(fā)利用吹填法形成的土地,仍需要花一定的代價(jià)對(duì)其進(jìn)行地基加固處理。淤泥吹填以后,相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)形成的是泥沼狀的泥塘,施工人員和機(jī)械難以進(jìn)入施工。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后表面干化形成硬殼層,可以進(jìn)行插板并通過(guò)真空預(yù)壓法或堆載預(yù)壓進(jìn)行排水。這些方法施工造價(jià)不菲,且排水固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)。如在南油“314” 吹填造地中采用了堆載預(yù)壓的方法,按間距1m布設(shè)塑料排水板,共打插塑料排水板34.6萬(wàn)根,上面堆載厚度15m,需填砂墊層3.7m,固結(jié)周期達(dá)9個(gè)月。疏浚泥吹填造地的方法,存在著施工周期長(zhǎng)以及處理成本昂貴的缺點(diǎn)。但是對(duì)于沿海地區(qū)土地資源和土石料資源緊張的地區(qū)(如溫州、香港和新加坡等地),將疏浚淤泥堆場(chǎng)處理和填海造陸有機(jī)的結(jié)合起來(lái),不失為一種良好的方法,而對(duì)于內(nèi)陸地區(qū),將吹填法和疏浚淤泥綜合利用有機(jī)聯(lián)合起來(lái),可以起到減小征地和疏浚淤泥廢物利用的雙重效果。
4 疏浚淤泥的資源化利用方法
要將疏浚淤泥作為材料進(jìn)行使用,必須改良其高含水率、低強(qiáng)度的性質(zhì)。目前針對(duì)疏浚淤泥的處理方法通常是采用傳統(tǒng)的物理處理方法和熱處理方法,而在疏浚淤泥的改良方面最常用的是化學(xué)處理方法,通過(guò)研究出不同的固化材料加入到疏浚淤泥中,改良其物理力學(xué)特性而成為較好工程用土,最終經(jīng)過(guò)這些方法處理后的疏浚淤泥都可以達(dá)到資源再利用的目的。其中物理處理方法(機(jī)械脫水
技術(shù))是熱處理方法和部分化學(xué)處理方法的前提。
4.1物理處理方法
由于疏浚泥的高含水率,為了使其轉(zhuǎn)化為良好的工程材料,降低疏浚泥含水率是最為直接的方法。通常情況下,自然晾曬是最簡(jiǎn)單的方法,國(guó)內(nèi)有許多內(nèi)陸湖泊的疏浚工程就采用堆泥場(chǎng)自然干化的方法,如杭州西湖、無(wú)錫五里湖的底泥疏浚工程。這種方法一般要設(shè)置堆場(chǎng),占用大量的土地或漁塘。淤泥干化需要較長(zhǎng)的時(shí)間,且易受天氣的影響,一般實(shí)施較為困難。在國(guó)外,最為常見(jiàn)的是機(jī)械脫水工廠,就是采用離心脫水機(jī)或壓濾機(jī)進(jìn)行脫水的方法。脫水法尤其是對(duì)高含水率的疏浚淤泥比較有效。較早的機(jī)械脫水工廠的工作能力一般較小,難以適應(yīng)大規(guī)模、大疏浚工程的需要。近幾年通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā),改進(jìn)了技術(shù)設(shè)備,處理能力已有較大提高。但機(jī)械脫水具有脫水工廠固定式的缺點(diǎn)、且一次性投資較高,另一方面是經(jīng)過(guò)脫水處理后的疏浚泥有時(shí)仍需進(jìn)行二次處理才能滿足工程的要求。
脫水設(shè)備主要是將泥漿里的顆粒表面毛細(xì)水和重力水分離開(kāi)來(lái)。用于疏浚工程泥漿脫水的脫水設(shè)備主要有以下四種:
(1)沉降式離心機(jī):如圖1所示,在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓簡(jiǎn)形容器中,泥漿中固體顆粒將受到比重力大很多倍離心力的作用,使得比液體密度大的固體顆粒沿半徑向旋轉(zhuǎn)的四壁移動(dòng)沉積,如四壁是開(kāi)孔的或是可滲透的,液體穿過(guò)沉積的固體顆粒和四壁而排出,從而達(dá)到固液分離的目的。淤泥經(jīng)脫水以后含水率在(1.0~1.2)wL左右。日本采用的沉降式離心機(jī)每小時(shí)處理100m3,有的場(chǎng)合可以少用藥劑或者不用藥劑,轉(zhuǎn)速3000r/min左右。
圖1 離心機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
(2)水中造粒機(jī):如圖2所示,泥漿和藥劑混合后形成疏散絮體,在造粒機(jī)和重力作用下,讓其沿曲面滾動(dòng)、碰撞、移位、產(chǎn)生剪切力,受到各種不均勻的作用,迫使水分從疏散的絮體中分離出來(lái),使絮凝物如滾雪球一樣,逐漸加大,成為密實(shí)體,形成年輪結(jié)構(gòu),從而完成泥水分離。淤泥經(jīng)脫水以后含水率在(0.7~0.8)wL左右。日本、美國(guó)采用的水中造粒機(jī)每小時(shí)處理30m3,電耗在各類脫水機(jī)中最低,轉(zhuǎn)速1~2r/min。
圖2 水中造粒機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
(3)螺桿式壓濾機(jī):如圖3所示,泥漿和藥劑混合后形成疏散絮體,將其送入料斗后受到螺旋葉片的推送而向?yàn)V渣出口移動(dòng)。由于螺桿外徑越向出口越大,所以它同帶孔圓筒之間的間隙越來(lái)越小。這樣,泥漿在逐漸增大的壓榨力下脫水,其中水分從筒體的濾網(wǎng)孔流出,而泥渣則從卸料口排出。淤泥經(jīng)脫水以后含水率在(0.6~0.8)wL左右。日本、德國(guó)采用的螺桿式壓濾機(jī)每小時(shí)處理20m3,轉(zhuǎn)速3~5r/min。
圖3 螺桿式壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
(4)帶式壓濾機(jī):如圖4所示,利用濾布的張力和壓力在濾布上對(duì)添加過(guò)藥劑的淤泥施加壓力使其脫水。淤泥經(jīng)脫水以后含水率在1.0wL左右。瑞典采用的2.6m寬的帶式壓濾機(jī)每小時(shí)處理60m3,日產(chǎn)泥餅264t。
圖4 帶式壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
機(jī)械脫水效率高,簡(jiǎn)單方便,被廣泛地應(yīng)用在市政工程、工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域。但是它能耗高,淤泥處理量相對(duì)于充泥管袋技術(shù)和堆場(chǎng)空間排水技術(shù)來(lái)說(shuō)比較小,只有在淤泥量小的工程中有所應(yīng)用。
4.2熱處理方法
熱處理方法是在疏浚淤泥經(jīng)過(guò)脫水后通過(guò)加熱、燒結(jié)的方法將疏浚泥轉(zhuǎn)化為建筑材料的方法。其原理可以分為燒結(jié)和熔融兩種。燒結(jié)是通過(guò)加熱800~12000℃,使疏浚泥脫水、有機(jī)成分分解、粒子之間粘結(jié)。如果疏浚泥的含水率適宜,則可以用來(lái)制磚,也可作為水泥制造的原材料使用。熔融是通過(guò)加熱1200-1500℃使疏浚泥脫水、有機(jī)成分分解、無(wú)機(jī)礦物熔化的方法。熔漿通過(guò)冷卻處理可以制作成陶粒,可以用來(lái)代替砂、礫石或制成輕型陶土磚等建筑材料。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是成品具有很強(qiáng)的附加價(jià)值,但其處理能力、以及對(duì)疏浚泥的要求和固定式的處理工廠使其使用具有一定的局限性。
4.3化學(xué)處理方法
化學(xué)方法也稱為固化處理法,最早用于有毒物質(zhì)的處理,后來(lái)用于地基處理方面。通常的做法是向疏浚泥中添加固化材料,進(jìn)行攪拌混合,通過(guò)固化材料與孔隙水發(fā)生水解和水化反應(yīng)使得孔隙內(nèi)的自由水變成固化土的結(jié)合水,另一方面加強(qiáng)了土顆粒之間的粘聚力從而提高疏浚泥的強(qiáng)度。固化材料主要分為傳統(tǒng)的固化材料和新型的固化材料,其中傳統(tǒng)的固化材料以水泥為主,并輔助添加石灰、石膏等材料;新型的固化材料主要就是復(fù)合型固化劑的研究和開(kāi)發(fā),采用兩種或兩種以上化學(xué)物質(zhì)按一定比例配合,形成一種新型土固化材料,改善土的物理力學(xué)性質(zhì)。固化處理機(jī)械的處理能力可從小型20~30m3/h到大型1000m3/h,適合于各種規(guī)模尤其大量的疏浚泥處理工程。處理工廠可以設(shè)置為固定式也可采用船載、車載設(shè)置成移動(dòng)式,在施工上比較靈活方便。另一方面,固化處理可以根據(jù)處理土的使用目的調(diào)整固化材料的配方,一次處理可達(dá)到所要求的承載力等物理力學(xué)性能。固化處理的效果在很大程度上受疏浚泥的性質(zhì)、混合方法和復(fù)合型固化材料的配比的影響,應(yīng)根據(jù)每一工程疏浚泥的特點(diǎn)進(jìn)行配方試驗(yàn)。
目前有關(guān)疏浚淤泥的固化處理主要集中在固化材料的選擇和固化處理后疏浚淤泥的強(qiáng)度、變形等力學(xué)特性的研究,尤其關(guān)注疏浚淤泥固化處理后的早期強(qiáng)度,即采用一種強(qiáng)膠結(jié)材料,使固化處理后的疏浚淤泥可以一次膠結(jié)成型,并具有較高的強(qiáng)
度,使固化處理后的疏浚淤泥作為建筑材料使用,達(dá)到資源再利用的目的。
5 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)
目前港口疏浚淤泥的主要處理方法:拋泥法、吹填法、物理處理法、熱處理法和化學(xué)處理法五大類,各種方法各有特色。結(jié)合我國(guó)目前具體國(guó)情,各方法適宜性總結(jié)如下:
(1)拋泥法除占用大量土地和海洋資源外,也會(huì)引起環(huán)境的二次污染。
(2)疏浚泥吹填造地的方法,存在著施工周期長(zhǎng)以及處理成本昂貴的缺點(diǎn)
(3)采用的物理處理方式和熱處理方式的處理量小,不適合大批量的疏浚淤泥處理,資源再利用率低。
(4)如何有效地利用廢棄的疏浚淤泥是工程界關(guān)心的一個(gè)重要的研究課題,目前針對(duì)疏浚淤泥主要是固化方面的研究,在疏浚淤泥中添加水泥系固化劑攪拌后用于筑堤,取得了廢棄物的有效利用的良好效果。應(yīng)該指出的是,固化處理技術(shù)大多采用的是以水泥系為主固化劑,固化處理疏浚淤泥的特點(diǎn)是主要關(guān)注固化后疏浚淤泥的強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度等力學(xué)特性,固化后的疏浚淤泥要求一次成型;同時(shí)針對(duì)疏浚淤泥固化處理還需要專用的施工設(shè)備和攪拌技術(shù),固化處理的效率還不是很高,在我國(guó)淤泥固化處理還有待于進(jìn)一步完善施工設(shè)備、施工工藝和技術(shù)。
6 結(jié)語(yǔ)
目前,資源化利用的處理方法還不是很完善,固化處理的效率還不是很高,而吹填法施工周期很長(zhǎng),如果能在吹填法的基礎(chǔ)上,結(jié)合高效率的疏浚淤泥資源化技術(shù),先經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水,再進(jìn)行化學(xué)處理,形成表面硬殼層,然后進(jìn)行施工,就會(huì)縮短周期,節(jié)約土地資源,從而達(dá)到快速且大量的處理疏浚淤泥的目的。
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