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(jì)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(chǎng)污泥未經(jīng)嚴(yán)格處理直接在填埋場(chǎng)中進(jìn)行傾倒，形成具有一定隱患風(fēng)險(xiǎn)的污泥庫(kù)，如無(wú)錫梅園、深圳下坪、蘇州七子山及南昌麥園等填埋場(chǎng)[3，4]。這些未經(jīng)預(yù)處理而直接傾倒在填埋場(chǎng)的污泥會(huì)被后續(xù)堆載的垃圾引起污泥受擠壓，污泥變形過(guò)大以及強(qiáng)度不足將會(huì)導(dǎo)致填埋工程事故[5，6]。因此，對(duì)簡(jiǎn)易填埋的污泥庫(kù)的處置需要重點(diǎn)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(duì)于污泥庫(kù)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(guò)程中需要考慮取泥作業(yè)安全、臭氣散發(fā)二次污染等問(wèn)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(duì)填埋場(chǎng)陳腐污泥進(jìn)行膜下清淤。在填埋場(chǎng)不開(kāi)膜的工況下將污泥從試驗(yàn)庫(kù)區(qū)抽取出庫(kù)，經(jīng)除雜池除雜后通過(guò)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(wú)大面積散逸。

針對(duì)污泥自身的特點(diǎn)，本文對(duì)上海某填埋場(chǎng)污泥庫(kù)中污泥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)，采用膜下清淤機(jī)器人技術(shù)對(duì)試驗(yàn)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(yàn)，提出膜下清淤的改進(jìn)方案，為后續(xù)項(xiàng)目落地施工組織設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地情況

將填埋區(qū)污泥坑進(jìn)行分類(lèi)編號(hào)：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(hào)示意圖如圖1 所示，該試驗(yàn)在3# 坑進(jìn)行。

圖1 填埋場(chǎng)污泥坑編號(hào)圖

因填埋場(chǎng)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(cè)量和實(shí)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(yàn)設(shè)備和材料

1.2.1 道路及場(chǎng)地處理

進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)庫(kù)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(mǎn)足機(jī)械車(chē)輛單向通行。

現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備布置包括發(fā)電機(jī)、除雜系統(tǒng)、集控室、試驗(yàn)室、休息室及4 臺(tái)絞車(chē)布置在圓形卸料平臺(tái)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(chǎng)道路北側(cè)場(chǎng)地上，北進(jìn)場(chǎng)道路北側(cè)場(chǎng)地為未填污泥區(qū)，土質(zhì)松軟，機(jī)械車(chē)輛進(jìn)出場(chǎng)以及設(shè)備布置均存在安全隱患，因此在對(duì)一些區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)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(chǎng)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(shí)用電

現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電主要分為兩部分，一部分為集控室、試驗(yàn)室以及休息室基本辦公、試驗(yàn)用電，用電設(shè)備總功率約46.15 kW，電源進(jìn)線(xiàn)引自于200 m 處-10～-0.4 kV 變電站，采用三級(jí)配電，二級(jí)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(xiàn)引自額定功率400 kW 的發(fā)電機(jī)，采用三級(jí)配電，二級(jí)防護(hù)。

1.2.3 生產(chǎn)及生活臨時(shí)用水

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

1.3 試驗(yàn)方法

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

（2）覆膜開(kāi)口：在開(kāi)膜前，需對(duì)膜下氣體進(jìn)行取樣檢測(cè)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(cè)結(jié)果顯示，膜下氣體未達(dá)到爆炸極限，同時(shí)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(kāi)口完成后，將小口全部封住，針對(duì)大口制作可掀蓋的HDPE 膜進(jìn)行封蓋。

圖3 膜下取泥開(kāi)口處圖

（3）膜下穿繩：清淤裝置在放入污泥坑之前，需將4 臺(tái)絞車(chē)的鋼絲纜繩在膜下穿過(guò)并與裝置連接。項(xiàng)目中采用自主設(shè)計(jì)的專(zhuān)用牽引設(shè)備將纜繩穿過(guò)覆膜。

（4）裝置入庫(kù)：入庫(kù)點(diǎn)的選擇需考慮吊裝機(jī)械的作業(yè)平臺(tái)，以及裝置入庫(kù)后可全部置于覆膜以下。項(xiàng)目中選擇距離圓形卸料平臺(tái)堤頂水平距離約4m 處作為入庫(kù)點(diǎn)，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(kù)，入庫(kù)過(guò)程中對(duì)清淤裝置的壓倉(cāng)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(kāi)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(kù)并潛入污泥后，可正式開(kāi)始抽取污泥，通過(guò)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(guò)除雜后進(jìn)入儲(chǔ)泥單元，待后續(xù)污泥脫水試驗(yàn)使用。

圖4 不開(kāi)膜清淤施工斷面圖

（6）污泥除雜：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)庫(kù)區(qū)污泥中垃圾較多，主要為塑料、橡膠類(lèi)垃圾，因而污泥抽取后的除雜工作變得格外重要。項(xiàng)目中選用耙齒式機(jī)械格柵機(jī)進(jìn)行垃圾過(guò)濾，該格柵機(jī)過(guò)濾孔徑為5 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 清淤裝置生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為評(píng)估清淤裝置在該項(xiàng)目中的生產(chǎn)效率，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)過(guò)程中污泥抽取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包括污泥抽取時(shí)間、污泥濃度、管道流量，其中污泥濃度數(shù)據(jù)通過(guò)快速水分分析儀檢測(cè)得到，管道流量數(shù)據(jù)通過(guò)電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)得到。

該項(xiàng)目中選用的清淤裝置設(shè)計(jì)清水流量為350 m3/h，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中為了匹配后端接力泵（150 m3/h）從儲(chǔ)泥池輸送泥漿至調(diào)理池的效率，按60%負(fù)荷運(yùn)行。此外，庫(kù)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(huì)纏繞堵塞泥泵吸口，對(duì)生產(chǎn)時(shí)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(yàn)生產(chǎn)過(guò)程中，為保證污泥的高質(zhì)量持續(xù)供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)配備起重吊車(chē)配合堵泵時(shí)清理垃圾，泵口垃圾清理后污泥濃度和流量會(huì)有明顯改善，所以在后續(xù)項(xiàng)目正式實(shí)施時(shí)，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(yàn)過(guò)程中污泥出庫(kù)量的累計(jì)生產(chǎn)情況如圖5 所示。試驗(yàn)過(guò)程中，累計(jì)生產(chǎn)時(shí)間約17.23 h，累計(jì)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(shí)間段抽取的污泥方量和含水率計(jì)算累計(jì)絕干量為127 t，計(jì)算清淤裝置生產(chǎn)效率約為147 m3/h。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程中污泥出庫(kù)量統(tǒng)計(jì)

3.2 連續(xù)8 h 污泥抽取試驗(yàn)分析

為分析該清淤裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)利用清淤裝置自循環(huán)抽泥，抽泥出庫(kù)再排入庫(kù)區(qū)，利用電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)排泥流量，保持最大負(fù)荷清淤裝置抽泥，共試驗(yàn)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(yàn)（吊車(chē)配合）：第1 次8 h連續(xù)抽泥試驗(yàn)過(guò)程中，清淤裝置由絞車(chē)和吊車(chē)配合，抽泥濃度或流量不理想時(shí)先通過(guò)絞車(chē)調(diào)整位置，若污泥濃度或流量仍然不理想則通過(guò)吊車(chē)提起裝置清理吸口垃圾，繼續(xù)試驗(yàn)。連續(xù)8 h 抽泥試驗(yàn)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(yàn)污泥流量及濃度變化（第1 次）

通過(guò)第1 次8 h 連續(xù)抽泥試驗(yàn)可以看出，清淤裝置在入庫(kù)運(yùn)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(yùn)行一段時(shí)間流量會(huì)降低到一定程度，同時(shí)濃度也會(huì)降低，現(xiàn)場(chǎng)分析是因?yàn)槔伦∥跐舛雀叩奈勰嚯y吸入，吊出清淤裝置清理垃圾后又會(huì)恢復(fù)濃度。此外，可以看出每次通過(guò)絞車(chē)拖動(dòng)清淤裝置到新位置，污泥濃度都會(huì)顯著提升，待一段時(shí)間后濃度又會(huì)降低，這是裝置附近污泥被抽取出來(lái)的直接現(xiàn)象，可見(jiàn)清淤裝置抽泥效果顯著。

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗(yàn)（無(wú)吊車(chē)配合）：第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗(yàn)過(guò)程中，清淤裝置僅用絞車(chē)配合，抽泥濃度或流量不理想時(shí)，通過(guò)絞車(chē)調(diào)整。連續(xù)8 h抽泥試驗(yàn)污泥流量及濃度變化曲線(xiàn)如圖7 所示。

圖7 連續(xù)8 h 抽泥試驗(yàn)污泥流量及濃度變化（第2 次）

第2 次8 h 連續(xù)抽泥試驗(yàn)中，清淤裝置入庫(kù)運(yùn)行前吸口無(wú)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(shì)；最終濃度和流量穩(wěn)定在1.72%和140 m3/h 左右。通過(guò)絞車(chē)拖動(dòng)清淤裝置到新位置，污泥濃度都會(huì)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(huì)受到影響。

3.3 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗(yàn)分析

模擬連續(xù)24 h 污泥抽取試驗(yàn)，14 點(diǎn)開(kāi)始連續(xù)抽泥，分三段進(jìn)行：

（1）14:00—20:00，有吊車(chē)、絞車(chē)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(chē)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(chē)、絞車(chē)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(yàn)濃度變化曲線(xiàn)如圖8 所示。

圖8 連續(xù)24 h 污泥抽取試驗(yàn)濃度變化曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

（1）懸索取泥裝置能夠在不開(kāi)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(dòng)和定位。清淤取泥裝置在24 h 連續(xù)取泥過(guò)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(duì)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(duì)后續(xù)脫水干化施工影響較大。

（3）針對(duì)庫(kù)區(qū)過(guò)大，導(dǎo)致膜下清淤設(shè)備移動(dòng)軌跡難以達(dá)到預(yù)期，在工程的實(shí)際實(shí)施過(guò)程中可采用有效劃分施工庫(kù)區(qū)的解決方案，一個(gè)大的庫(kù)區(qū)分為幾個(gè)小的區(qū)域，分批次施工。

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

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