河道底泥环保疏浚技术及其处理方法分析

2021-03-06张攀飞中交广州航道局有限公司

珠江水运 2021年3期

张攀飞中交广州航道局有限公司

在以前，由于社会还未像如今这么发达，疏浚底泥主要是无机颗粒，密度较大，易于泥水分离，因此对疏浚精度要求不高，使用传统的疏浚技术就可以实现高效的疏浚效果，也无需担心污染底泥会过度悬浮扩散。近年来，环境污染加剧污染底泥含有大量难以分解的重金属及有机污染物，使用传统的疏浚技术难以达到疏浚要求。为此，有必要对河道底泥疏浚技术及其处理方法进行优化设计。在反铲绞刀架和绞刀轴安装传感器，来采集夹角及转角信息，根据这些信息确保疏浚精度，再计算出水域水体水质扩散情况下绞刀头的转动角速度的临界值。为验证该设计流程的效果，以脱水后含泥率以及重金属含量为指标，做出相关实验，对比设计的处理流程以及常规处理流程下脱水后含泥率以及重金属含量。

1.河道底泥环保疏浚技术

1.1 设定道底泥环保疏浚方式

本文设计的环保疏浚技术是以传统工程疏浚为基础的。其目的是清除水域系统中的污染底泥，并对河道生态系统的改善起到一定作用。表1为集合传统环保疏浚方式优化后的疏浚方式。

由表1可以看出，基于传统疏浚技术，优化后的环保疏浚技术的挖泥厚度要求较高，要达到小于1.5米的挖泥厚度，就必须保证疏浚精度的准确性，以避免超挖现象的发生，影响水生生物的生长，对生态环境造成破坏，这就要求疏浚船反铲绞刀架和绞刀轴包括平面位置、垂直位置以及船体方位角等信息的采集需准确。

表1 河道底泥环保疏浚方式

1.2 环保绞刀优化设计

为了实现对河道底泥疏浚精度的严格控制，和传统河道底泥疏浚技术不同的是，在反铲绞刀架安装垂直角度传感器，对其与水平面的夹角信息进行采集，在绞刀轴的液压杆处安装垂直角度传感器，实现其与水平转角信息的采集。为确保绞刀的切削边界与河道底泥处于同一水平线上，规律有序地切削土壤，确保工作效率。绞刀罩的外轮廓边界也要始终与污河道泥处于同一水平线。环保绞刀的工作示意图如图1所示。

图1 环保绞刀的工作示意图

绞刀头在河道底泥工作转动时，会产生离心力，该离心力的大小由其转速决定，为防止底泥中重金属等混合物扩散污染，需要保证泥泵产生的作用力能够克服该离心力。根据所采集的水平转角信息，精准计算出每次进刀量，严格控制挖泥的厚度，防止由于进刀量的误差造成泥沙及其重金属混合物从罩壳内向外扩散。吸泥管位于挖掘头一侧，由于泥土离心方向和吸口的相对位置不一样，吸泥的效果不一样.，因此要根据垂直角度传感器和水平角度传感器所采集的信息测算最佳位置，以达到最好吸泥效果，确保疏浚精度。

2.河道底泥处理方法设计

安装角度传感器完成疏浚后，绞刀头在水中的转速对下一步河道底泥的处理也起着关键性作用。被疏浚的泥沙及其重金属混合物由于形态小且轻，因此在水流及挖掘头的工作时还没通过吸泥管吸到设备中就已经扩散到相邻水体，从而造成二次污染。铰刀装置作为底泥疏浚及处理过程中的衔接装置，为此对其进一步优化，以防止河道泥沙过多，造成河道底泥污染扩散。

绞刀头在水中作业时，当距中心线径向距离r为时绞刀头切向速度V为：

式（1）中，w为绞刀头的转动角速度；V切向速度；r为距中心线径向距离；

绞刀头内的水流速度是处于不断变化中的，但是，无论是哪一种转速构成的水流变化部分，甚至是平均径向速度，均远小于平均切向速度要。由此可进一步推算出流体压力与流体速度的关系：

式(2)中p为绞刀头内部的作用力；µ为泥沙的密度；V为流体的速度。

径向压力梯度可表示为：

在式（3）中，基于压力贴近绞刀外界边缘线，呈现逐渐递减的趋势，径向压力梯度最终会得出负值。作用于流体体积的作用力等于：

式（4）中，Fr为作用于流体体积的作用力；

该作用力作用于流体要素，使流体能够充分受力于绞刀头，防止其扩散。

通过吸泥管口的流量为：

式（5）中R0为吸泥管口的半径；Vm为吸泥管口的流速。

利用连续方程可得出作用于体积的流体要素引向吸口的力：

利用方程(6)除以方程（5），并由方程(4)，得到流体要素引向吸口的力与同一流体要素的离心力之比：

3.疏浚处理实践分析

以脱水后含泥率、重金属含量为指标，针对设定的某段河流为实验对象，设定实验参数进行实践分析。选取常规两种疏浚处理方式为参照方法，均采用板框压滤装置进行底泥的脱水干化实验。实验过程中，统一使用WATERMASTER650疏浚船，通过烧杯搅拌实验，进行底泥化学调制剂（氯化铁、聚铝，阴、阳离子 PAM）粗筛，以分子量为11000左右的阳离子 PMA（该离子能达到较好的沉降效果）进行机械脱水。二者实验组均安装角度传感器，其余设置条件均相同。比较三种方法脱水后含泥率以及重金属含量，并进行记录，图2为实验汇总结果对比图像。