莆田玉湖淤泥物理特性及综合利用途径分析

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   摘 要:玉湖是木兰溪截弯取直后的老河道开挖而成的人工湖,本文通过地质勘察、土工试验及重塑状态裂隙形成过程对比试验,研究了其淤泥的物理特性,结果表明:玉湖淤泥具有结构强度低、含水量高、有机质含量高、呈流塑等物理特性,IP值高于一般的河相淤泥,为高液限黏质土,且表现出遇水膨胀微弱,但失水收缩强烈的特点。结合这些性质特点,本文对淤泥资源化利用进行研究,提出了固化处理技术规程、土地利用和建筑材料利用的相关准入标准和技术要求,以期为城市河湖淤泥的资源化利用提供技术支持,为建设“最美木兰溪”提供决策依据和重要参考。
   关键词:木兰溪;淤泥资源化利用;建材利用
  中图分类号:S157;X37  文献标识码:A  文章编号:1673-260X(2021)05-0041-05
   木兰溪流域属于中亚热带海洋性温暖湿润的季风气候,多年平均降雨量约为1122mm,降水年际变化大,年最大最小降雨量相差1300mm;降水年内分配不均,7~9月份的台风暴雨季节,降雨量占全年的45~65%,台风灾害频繁。木兰溪下游河段河床平均比降只有0.02%,河道蜿蜒曲折,上游发生山洪暴发,加上涨潮海水的顶托作用,洪涝灾害频发。1999年莆田开始对木兰溪进行截弯取直和两岸筑堤的整体治理工程,把原来16公里的行洪河道截直至8.64公里。玉湖是木兰溪截弯取直后的老河道开挖的人工湖,水域面积超过700亩,采取的是“改道不改水”的开挖方式,由于阔口桥下紧邻该市最大商业综合体,又有城市内河汇入,老河道流速变缓,泥沙淤积,逐渐减少城市水域面积、降低防洪排涝能力,引发河湖富营养化及黑臭问题。玉湖作为莆田城区防洪排涝体系的重要组成部分,肩负着蓄淡、排涝、生态、景观功能,无论是对城市“黑臭水体”整治,还是从淤泥资源化利用,丰富城市生态内涵,对淤泥的处理及利用都是一项重要的研究课题。
   目前解决泥沙淤积的主要措施[1-3]有虹吸清淤、挖泥船清淤、气力泵清淤及振荡脉冲射流与气举清淤等装置。国外河流淤泥治理更加重视城市淤泥脱水减量处理及对脱水后淤泥的资源化利用,技术比较常用的主要有中固化处理、分级压榨脱水、移动式连续脱水、高压脱水等。国内目前对河流淤泥主要沿用传统的处理技术,采取的主要是进行填埋或运送至堆泥场堆放[4],随着人们对环保要求的提高,淤泥处置及资源化处理利用方面的研究逐渐增加[5-7],但仍处于起步阶段,尤其是资源化利用的技术标准几乎是空白。玉湖是老河道开挖成的湖泊,又受潮流影响,淤泥深受河相、湖相及海相的影响,本研究结合实际工程地质情况,参考有关标准和规范,提出淤泥资源化利用的技术要求,能够更好地为实现人水和谐的美丽城市提供重要参考。
  1 研究区工程地质状况
   本区为海积平原地貌,地势平坦,地质构造属闽粤东南沿海新华夏构造体系,岩性为燕山晚期花岗岩。该区地质历史时期由于受海水潮流、河水侵蚀及地壳升降等影响,沉积物中含泥量多,具有海陆交互相及滨海相沉积的特点。工程地质状况自上而下主要分为以下几层:
   (1)耕作层:黄褐色、褐色,混有植物根系,主要成分以粘性土为主,含少量中、粗石英砂粒,局部地段有较多碎石,砖瓦等。
   (2)粉质粘土:褐色。实测标贯击数N=4.0~8.0击,经杆长修正后标贯击数N=4.0~7.9击。
   (3)淤泥?譹?訛:灰色或深灰色,有少量有机质,实测含水率>60%。
   (4)中砂:黄色、灰黄色,饱和,成分以石英砂为主。实测标贯击数N=6.0~13.0击,经杆长修正后标贯击数N=5.1~10.5击。
   (5)淤泥?譺?訛:灰色或深灰色,质地细腻,实测含水率>60%。
   (6)砂砾卵石层:黄褐色或褐色,其间充填中砂。承载力基本容许值为180-350KPa。
   (7)残积土层:全风化、中风化花岗岩及强风化辉绿岩等,工程力学性能较好,未发现洞穴、临空面软弱岩层,承载力基本容许值为450-3000KPa。主要由第四纪覆盖土层及花岗岩基岩组成。
   从各岩土层空间分布特征看,纵剖面上各土层及风化岩层厚度变化大,各风化岩层的力学强度、性状特征存在一定程度的差异,其中(6)(7)承载力基本容许值较高,可作为工程建设的桩基持力层。
  2 研究区淤泥特性
   淤泥试样取自莆田市玉湖两馆一宫至玉湖路地段,取样深度为湖底0-0.8m。
  2.1 淤泥特征
   淤泥呈深灰色至黑色,饱和,呈流塑或流动状态,具有紧实黏重特性[8]。淤泥包含生活垃圾及植物根系等腐殖质,有腥臭味,可见少量贝壳碎屑,稍有砂感。干强度中等,韧性中等,光泽反应有光泽。
  2.2 基本物理性质
   该段湖泊淤积深度约0-0.8m。根据GB/T50123 -1999土工试验标准方法[9],对淤泥的基本物理性质进行相关试验,结果如表1、表2所示。
   玉湖的淤泥中性到偏碱性,含水量高、重度低、孔隙比高,其中Il>1,说明淤泥为流塑状态,IP>17,属高液限黏质土。淤泥质地黏细是有颗粒组成决定的,从表2可以看出,淤泥颗粒直径d<1mm占到98%以上,质地黏细。
   表3为不同河湖淤泥物理性质比照表[10-13],由表可知,在重度上除白馬湖未查看到相关资料外,其余三个地区的淤泥值均较小,说明淤泥高含水量,天然结构强度低;不同河湖淤泥含水率都很高,故淤泥在固化前要先进行脱水处理,减少固化材料的使用,提高固化效果;从塑性指数的角度来看,除秦淮河是粉质黏土外,其余为黏土,玉湖和秦淮河均属于河相沉积,玉湖IP大于秦淮河,与玉湖是人工湖的原因有关,但其值又比湖相白马湖、五里湖和海相大亚湾值要小得多,与玉湖是木兰溪截弯取直后的旧河道原因有关,说明河相比湖相淤泥颗粒比表面积更小,颗粒吸附能力更低,表现为土壤颗粒间粘结力较差,表明淤泥固化处理上河相淤泥比湖相、海相淤泥更难处理。有机质含量上可以看出,河相淤泥>湖相>海相,据范昭平研究,4.3%是有机质含量极限值,当有机质含量不超4.3%时,有机质含量越高,越有利于固化[12],玉湖淤泥有机质含量只比海相大亚湾略高,固化处理难度大。   2.3 重塑土裂隙实验
   本研究的重塑土指的是土样取回经实验室后自然风干后粉碎,并过1mm铜筛。在处理上将重塑土放置于铝盘上,加足够蒸馏水搅拌均匀抹平表面后盖上保鲜膜静置24小时,确保其含水量超过90%,观察其在室温下土体水分蒸发裂隙形成的过程。试验中发现,重塑土裂隙形成及发展主要有四个阶段(见图2),即裂隙始成期、形成期、发展期及稳定期。
   为了区分淤泥与工程膨胀土、红黏土(土样来自福建莆田)性质上的差别,工程膨胀土与红黏土重塑土处理上参考淤泥,观测其裂隙变化。在裂隙始成期(见图3),工程膨胀土裂隙形成是先从铝盘中间部位形成[8],原因是工程膨胀土遇水膨胀后向铝盘四周挤压的同时,受到来自铝盘边缘的“反箍”作用力,整个土体只好向中间“隆起”,所以中间部分水分蒸发快,裂隙最先形成。淤泥及红黏土裂隙是从铝盘四周开始形成,说明这两种土体遇水膨胀微弱。
   在裂隙稳定时期,这三种土体都表现出强烈收缩,收缩能力表现为红黏土>变性土>淤泥,说明在失水收缩中,淤泥体积减少最为剧烈,所以在淤泥综合运用上应先进行脱水,有效减少体积有利于运输处理。
  3 淤泥的资源化利用
   在全国不少地区,清淤主要以政府为投资主体,通常在每年冬春季节围堰抽水,由于未对淤泥进行二次利用,淤泥的运输及堆放一直是老大难问题,而对废弃的淤泥通过技术处理进行资源化利用则是解决这一问题的重要途径。淤泥具有高含水率、高天然孔隙比、高塑性指数、有机质含量高、高灵敏度等特点,如果清淤问题没有及时妥善解决,不仅会占用大量的土地,还会污染环境造成严重的二次污染。依照《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》提出的对固体废弃物控制的无害化、减量化和资源化的“三化”原则,要尽量对淤泥进行资源化利用。
  3.1 淤泥的固化处理
   淤泥固化技术已在国内外开展了许多研究,并取得一系列成果[14-18]。固化处理作为淤泥资源化利用的有效方式,主要是向淤泥中加入一定量的固化材料,改善淤泥的理化性质和力学性能,具备符合要求的承载力,能代替砂石和土料,并在筑堤坝、堤防加固工程、路基、填方等工程中得到应用[19]。
   根据《堤防施工规范》(中华人民共和国水利行业标准SL260-98)[20]要求,淤泥不适宜用于筑堤,若需采用时,需具备较为宽敞的场地或淤泥池,用于晾晒或者是预先拌合,在拌合的过程中也必须翻晒和拌混。木兰溪利用在截弯取直工程中产生的大量淤泥筑堤,经过必要的技术处理,制定土堤型式施工技术,利用新挖河道的淤泥用于堤防填筑[21-22],通过在河道淤泥上打沙井,使淤泥中的水分充分排干,再经过晾晒使之硬化,成为地基,坝体也是利用层层晾干后的淤泥砌筑而成,最后用绳索、土工布和混凝土块等加固封坝体,这样一方面可以保护环境、节约土地资源又可以实现土方平衡、减少工程投资。
   玉湖新城正处在建设开发时期,大量道路还未布设,用淤泥填筑路基,可以就地取材,在填筑时,首先要使其含水率降到适宜路基压实的含水量水平。石灰在降低含水率方面作用突出,但成本高,经济适用性差。石灰粉煤灰含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等成分,但粉煤灰在长途运输过程中含水率可以达到20%,在降低淤泥含水量作用上不大理想。莆田秀屿城市生活垃圾焚烧发电厂的炉渣成分和粉煤灰类似,处理上可以将炉渣与石灰混合含水量高的淤泥,使炉渣与淤泥同时得到资源化利用,又能解决路基来土问题。
  3.2 淤泥的土地利用
   淤泥的土地利用主要是将经过处理的污泥用于园林绿化、农业填肥等方面,是实现污泥的资源化和循环利用的有效途径,可以用作栽培介质土或土壤改良材料,改良土壤结构,提升土壤肥力,为植物提供营养元素。
   在城建快速扩张过程中,由于缺乏整体性的考虑,场地“三通一平”前的优质土壤没有得到有效的利用,且土壤中混杂越来越多建筑垃圾,导致城市园林绿化无土可用,而经过处理改良后的淤泥可以满足需要。目前我国园林绿化行业可操作的行业标准不够健全,园林绿化用淤泥准入标准可以参考《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(CJ248-2007)[23](见表3)。园林绿化用淤泥一般用作栽培介质土或土壤改良材料,也可作为制作有机肥的原料。要求淤泥比较疏松,无明顯腥臭味。淤泥施用时间最佳季节为9月份至次年的5月份,喜盐碱的植物可以增加淤泥用量。
   堆肥化是淤泥应用在农业的主要途径,根据《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-2018[24]的规定,生污泥必须经过高温堆腐处理后才能施用于农田,可施用于大田、园林和花卉上,但不能施用于蔬菜地和当年放牧的草地上,并且规定干污泥通常用量不超过30t/(hm2.a)。有研究资料表明[25],堆肥能够显著降低底泥中的盐分,如果淤泥的连续施用率不超过50t/(hm2.a),底泥中盐分不会对周边环境造成危害。参考《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-2018(见表4),可以看出,除了总养分要求外,其他标准与园林绿化用值差不多,其中生物学指标与园林绿化用淤泥一致,所以淤泥应用于园林绿化或农业堆肥施用时先进行脱水处理尽量以干燥形态应用。除此之外,在淤泥的土地利用中,还需要严格控制淤泥中有机毒性物质,减少其对周围环境和人类食物链安全造成的影响[26]。
  3.3 建筑材料利用
   莆田在将淤泥作为原料生产建筑材料上有成功的经验可以借鉴。莆田于2007年引进清淤挖泥船,并将清理的淤泥用于生产环保淤泥多孔砖,淤泥经脱水破碎处理技术处理后掺合煤渣,以木屑、竹屑等为燃料,加入配方到多孔轮窑里燃烧。经检测,多孔砖安全、环保,达到新型墙体建筑材料要求,这样既解决木兰溪南北洋河道淤泥处置问题,又实现淤泥资源化,对改善南北洋水环境起到很大的作用。
   许多研究和应用表明,将淤泥应用于各种类型建筑工程中使用的材料,主要包括制砖、水泥、陶粒等,产品都能够满足标准要求[27-30]。淤泥中含有丰富的蒙脱石、伊利石等黏土矿物,可以代替黏土矿物应用于制砖和水泥。与利用耕地黏土制砖相比,淤泥制砖既解决城市河湖清淤问题,又实现淤泥资源化利用,对改善河湖水环境将起到很大的作用,具有明显的社会效益、经济效益及生态效益。    根据《中华人民共和国国家标准烧结普通砖》GB 5101-2017[31]规范要求,规范规定制砖主要原料分为黏土砖(N)、页岩砖(Y)、煤矸石砖(M)和粉煤灰砖(F)、建筑渣土砖(Z)、淤泥砖(U)、污泥砖(W)和固体废弃物砖(G)。淤泥制磚时,其尺寸偏差、外观质量、强度、抗风化性能、石灰爆裂和泛霜、放射性物质等必须符合规范上的要求。
  4 结论
   (1)对比不同地区淤泥基本物理性质,玉湖淤泥主要特征为中性到偏碱性,含水量高、重度低、孔隙比高,塑性指数IP=18.14,属于高液限黏质土,IP值高于一般的河相淤泥,与玉湖是人工湖的原因有关;IP值又低于湖相、海相淤泥,与玉湖是木兰溪截弯取直后的旧河道原因有关,说明玉湖淤泥固化处理难度比湖相、海相淤泥更大;除此以外,玉湖淤泥受有机质含量低的影响,淤泥固化处理难度大。
   (2)淤泥在固化前,需具备较为宽敞的场地或淤泥池,用于晾晒或者是预先拌合,在拌合的过程中也必须翻晒和拌混。从经济性及适用性看,固化处理采用炉渣与石灰混合含水量高的淤泥。
   (3)参考相关标准和规范,提出了土地利用和建材利用的相关准入条件和技术要求,为城市河湖淤泥的资源化利用提供重要参考,为建设“最美木兰溪”提供决策依据。
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