李 釗， 張慶松 ，崔金聲

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東省濟南市，250061；2.浩珂科技有限公司，山東省濟寧市，272104)

在煤炭開采過程中，地下圍巖導(dǎo)水和生產(chǎn)用水與煤層、巖層以及各類井下生產(chǎn)性煤塵和巖塵接觸，形成了大量的煤礦廢水，以各煤巖塵為主的懸浮物造成廢水水質(zhì)發(fā)黑，且由于懸浮物的粒度小、煤泥顆粒比重較輕，懸浮物自然沉降速度也較慢。針對礦井水處理，目前我國大部分礦井都根據(jù)環(huán)保要求建立了水處理站，常用的處理方法主要為絮凝沉淀加澄清過濾。對于礦井正常生產(chǎn)過程中的外排水處理常采用板框式壓濾處理，以實現(xiàn)濃縮減容的目的，污泥在板框壓濾前均采用絮凝劑添加到泥水中進行化學(xué)調(diào)節(jié)，使得煤泥凝聚成團，從懸浮狀態(tài)迅速沉積，強化了分離效果。

針對礦井常年積存的存量污泥，實現(xiàn)煤泥和污水的生態(tài)化清淤處理，對煤礦生產(chǎn)用水和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理都有重要意義。水處理后循環(huán)水可復(fù)用到礦區(qū)井下和地面的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，水處理產(chǎn)生的煤泥也是具有利用價值的潛在資源，可以得到充分利用[1]。因此，針對礦井排水區(qū)、礦區(qū)排水沉淀池等積存的存量污泥，筆者研究制定了礦井污泥處理和資源化利用的方案，以實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化利用。

結(jié)合陜西正通煤業(yè)污泥沉淀池工程條件，研制出一種新式復(fù)合型生態(tài)清淤管袋，對其脫水固結(jié)機理以及影響技術(shù)工藝效果的關(guān)鍵因素進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實驗室和現(xiàn)場試驗，得到了合理的生態(tài)清淤管袋的脫水固結(jié)參數(shù)，對同類條件下礦區(qū)煤泥脫水固化具有一定的參考價值，也可為礦井水資源利用和環(huán)境治理提供有效的解決方案。

1 工程概況

1.1 煤泥沉淀池基本情況

受長期礦井生產(chǎn)、生活廢水排水影響，陜西正通煤業(yè)在礦井外形成了一個煤泥污水沉淀池，為了改善沉淀池水質(zhì)，提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件，決定對沉淀池污泥進行脫水固化，為沉積煤泥利用與礦區(qū)生態(tài)綠化提供條件。前期采用GPS、探測桿等設(shè)備實測沉淀池周長為1 774.5 m，面積為131 327.6 m2；沉淀池中的污泥集中區(qū)域(露出水面)為7 992.3 m2，周長為442 m；水面以下污泥層最厚為2.5 m，最淺1.0 m，水面以上平均污泥厚度為0.5 m，其它區(qū)域污泥層最厚為1.1 m；水面以下污泥含水率約為98%，水面以上的污泥含水率約為90%，污泥總量約為5萬m3。

項目區(qū)域照片與污泥區(qū)域測量調(diào)查如圖1所示。

圖1 項目區(qū)域照片與污泥區(qū)域測量調(diào)查

1.2 煤泥取樣分析參數(shù)

煤泥的粒度組成對其脫水固結(jié)起到至關(guān)重要的作用。在利用生態(tài)清淤管袋脫水過程中，除了絮凝劑添加量、泥漿濃度和脫水時間控制因素外，煤泥粒度組成引起的粒度效應(yīng)也在很大程度上影響著煤泥的脫水效率[2]。同時，煤泥粒度分布也是確定生態(tài)管袋布透水率和等效孔徑的重要參數(shù)。為此，采用激光粒度分析儀進行了煤泥的粒度分析，煤泥粒度分布如圖2所示。

通過對取樣煤泥進行激光粒度分析測試，測量出對應(yīng)的粒度分布曲線。煤泥粒徑<35 μm的占比為57.39%，煤泥粒徑<100 μm的占比為99.94%，一半以上的煤泥粒徑為35～100 μm。粒

徑分布曲線為后期小型管袋脫水試驗選擇合適的

等效孔徑和滲透性能的脫水管袋布提供了數(shù)據(jù)

指導(dǎo)。

圖2 取樣煤泥激光粒度分析儀測試曲線

1.3 現(xiàn)有治理方案對比

對于長期積存的煤泥，一般采用自然固化和機械脫水處理[3]。自然固化需要大面積晾曬場地將煤泥納存，靠自然蒸發(fā)實現(xiàn)固化，處理周期長，且固化后有粉塵污染的困擾；采用機械脫水的處理辦法是將污泥通過管路泵送到煤礦選煤廠或污水處理廠的壓濾脫水系統(tǒng)中，利用機械方式實現(xiàn)脫水固化處理，如果煤泥存量較大，會給正常的礦井處理系統(tǒng)帶來額外的工作難度。

由于煤泥存量較大，如將煤泥接入煤礦現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)，將直接影響礦井正常的水處理，受降雨量和蒸發(fā)量的影響，煤泥無法實現(xiàn)自然干化；采用機械處理方式，無論采用離心機、帶式壓濾機還是板框壓濾機，都將投入固定設(shè)備，工序復(fù)雜，且一次性投入成本較高[4]。煤泥脫水技術(shù)對比見表1。

表1 煤泥脫水技術(shù)對比

出于處理大量煤泥且可實現(xiàn)清淤和實現(xiàn)煤泥處理一體化的目的，該項目選擇了生態(tài)清淤管袋脫水固結(jié)煤泥的技術(shù)工藝。

2 生態(tài)清淤管袋脫水機理及技術(shù)工藝

2.1 生態(tài)清淤管袋機理

生態(tài)清淤管袋是一種由高強度、高透水性的聚丙烯(PP)纖維土工織物制成不同體積和形狀的大型管狀充填袋體，其直徑、長度可根據(jù)需要實時變化，最長可超過50 m[5]。其機理是使用水力作用來進行挖土、輸土、填土，即水流經(jīng)高壓泵產(chǎn)生壓力，通過水槍噴出一股密實的高速水柱切割、粉碎土體，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合的高濃度泥漿，通過泥漿泵及其輸泥管輸送至生態(tài)清淤管袋進行脫水固化。同時，在管路中添加一定比例的絮凝劑，使得煤泥與絮凝劑充分混合，利用泥漿泵動力直接泵送至管袋中靜置沉淀，水在重力和泵壓擠淤雙重作用下濾出，固體顆粒留在袋中。使用物理和化學(xué)辦法實現(xiàn)淤泥減量化、無害化，靈活性好、安全性高。生態(tài)清淤管袋技術(shù)原理如圖3所示。

2.2 生態(tài)清淤管袋技術(shù)體系及其主要技術(shù)特點

2.2.1 生態(tài)清淤管袋技術(shù)體系

生態(tài)清淤管袋適合大多數(shù)可泵送的污泥類型，而且對強酸性、堿性或高溫物質(zhì)也具有一定的適用性。生態(tài)清淤管袋的技術(shù)體系如下所述。

(1)泥漿泵。由于生態(tài)清淤管袋具有一定的透水性能，泵送壓力不需要太高，滿足泥漿在管路中的流動和填充即可，建議填充到生態(tài)清淤管袋充填袖口處壓力為30～50 kPa。

(2)絮凝劑。針對污泥的特性選擇不同類型的絮凝劑以增加其凝聚、沉淀效果，可通過煤泥取樣進行錐形試驗和沉降對比等室內(nèi)測試以確定最佳添加參數(shù)[6]。

(3)混合系統(tǒng)。一般采用在煤泥泵送管道上設(shè)置絮凝劑混合系統(tǒng)，通常采用蛇形管道以增加絮凝劑和煤泥的混凝效果，同時混合系統(tǒng)上設(shè)置取樣口方便及時抽樣檢測。

(4)生態(tài)清淤管袋。該管袋是整個脫水固結(jié)系統(tǒng)中的煤泥容器，是由高強度、高滲透性聚丙烯纖維土工織物縫制而成，管袋的過濾效果通過特殊的纖維結(jié)構(gòu)以及織物工藝實現(xiàn)不同的透水孔徑，以滿足脫水效果，管袋頂部設(shè)置填充袖口用于污泥泵送管道和生態(tài)清淤管袋的連接。

(5)排水層及水收集渠道。管袋脫水場地一般鋪設(shè)防水膜，在防水膜上部鋪設(shè)碎石墊層用于管袋排水的滲透，同時管袋脫水場地設(shè)置水收集渠道，將管袋排水集中收集利用。

圖3 生態(tài)清淤管袋技術(shù)原理

2.2.2 生態(tài)清淤管袋技術(shù)特點

生態(tài)清淤管袋技術(shù)具有以下特點：一是因地制宜、方案靈活、多種形式的淤泥就地處置；二是脫水速度快，可大幅度縮短工期，淤泥減量化程度高，脫水后干度可達40%～60%；三是低碳環(huán)保、耗能低、無污染、性價比高，可大大降低工程造價；四是處理效率高，非常適合集中污泥處理；五是淤泥清除、處理、脫水3個環(huán)節(jié)間用管道連接，可實現(xiàn)全封閉運作，處理過程對環(huán)境影響??；六是在煤泥減量化的同時對煤泥做無害化處理，防止煤泥中的有機物、重金屬等污染物排入水體。

2.3 生態(tài)清淤管袋主要技術(shù)工藝、性能參數(shù)以及提高滲透率的控制手段

2.3.1 絮凝劑添加技術(shù)和工藝

針對煤泥的絮凝，最廣泛采用的絮凝劑為聚丙烯酰胺(PAM)類，通過按照一定比例和添加方式，在煤泥水濃縮脫水與澄清作業(yè)中，使懸浮液中的微細顆粒形成絮團而加速沉降。生態(tài)清淤管袋采用蛇形混合器實現(xiàn)絮凝劑的添加，從而充分混合煤泥和絮凝劑。為了讓添加絮凝劑后的煤泥在凝聚、吸附、沉淀等過程中更為有效，先提前取樣采用小型生態(tài)清淤管袋進行填充脫水試驗，小型管袋尺寸為0.5 m正方形上下縫合的袋體，頂部留有填充接頭和管道連接，通過實驗優(yōu)化選取絮凝劑的最佳添加比例。蛇形混合器如圖4所示，小型管袋脫水試驗如圖5所示。

圖4 蛇形混合器

圖5 小型管袋脫水試驗

2.3.2 生態(tài)清淤管袋性能參數(shù)

生態(tài)清淤管袋由聚丙烯牽伸纖維絲經(jīng)緯向交織形成具有一定強度和透水性能的袋布，為了提高袋布的透水性能，采用經(jīng)向為裂膜單絲和緯向為網(wǎng)絡(luò)型纖維絲的材料，該材料更利于透水，可有效實現(xiàn)三維網(wǎng)狀透水效果。袋布根據(jù)工程需要縫合成一定直徑、長度的管狀袋體，并設(shè)置充填袖口和定位加筋帶[7]。該材料具有抗拉強度較高、防撕裂、高抗酸堿和耐紫外生物老化性能。生態(tài)清淤管袋技術(shù)指標如下：經(jīng)向拉伸強度≥70 kN/m、緯向拉伸強度≥95 kN/m、經(jīng)向和緯向斷裂延伸率均≤20%、滲透性≥20 L/m2·s、等效孔徑O90為0.2～0.6 mm、抗紫外線500 h強度保持率≥90%、接縫抗拉強度≥60 kN/m、CBR頂破強力≥8 kN、抗磨損強力保持率≥70%、動態(tài)落錐破裂直徑≤13 mm。

2.3.3 生態(tài)清淤管袋防淤堵原因與解決手段

將煤泥泵送到生態(tài)清淤管袋中需要脫水后才能固結(jié)和減容，因此袋體和煤泥之間存在相互作用，一方面袋體將水過濾排出，另一方面煤泥又會淤堵袋布造成排水不暢[8]。同時在填充的過程中隨著壓濾和填充，管袋的滲透率會有所不同，當(dāng)袋內(nèi)有充填料時，這種相互作用通常會使測得的滲透率低于袋內(nèi)無充填料時的滲透率，造成滲透率降低的主要原因是袋布的淤堵。

通過分析，造成淤堵的原因主要有以下3個方面：一是由于袋布孔徑在設(shè)計時匹配煤泥顆粒的粒徑，按照等效孔徑O95測算，在等效孔徑外存在不同的孔徑參數(shù)，當(dāng)煤泥料顆粒的粒徑大于袋布的孔徑時，會發(fā)生物理淤堵現(xiàn)象，典型現(xiàn)象就是緊貼袋布的透水孔被煤泥顆粒封堵，導(dǎo)致水流無法穿過袋布；二是如果水流沖刷移動了煤泥顆粒，微小的煤泥顆粒沉積在袋布的孔隙內(nèi)，產(chǎn)生淤積淤堵現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會在袋布上持續(xù)存在；三是由于添加了絮凝劑，在填充過程中隨著水流帶出的未參與反應(yīng)的絮凝劑會在袋布上掛壁、黏連形成濾膜封堵水流，同時淤泥中還存在含量較高的微生物和有機物，在袋布表面合適的溫度和濕度條件下，會在袋布表面形成微生物附著，造成袋布的化學(xué)淤堵。

基于以上淤堵原因，袋布在充填設(shè)計時，需要從絮凝劑添加、泵送壓力和輔助工藝等環(huán)節(jié)采取控制手段[9]。確定管袋充填與管路系統(tǒng)匹配，保證絮凝劑添加比例穩(wěn)定且持續(xù)有效，通過取樣口定時取樣，觀測絮凝效果。泵送壓力方面，一般在袋內(nèi)充填前期進行小壓力充填，依靠袋布的自然滲透排水，在中后期提高充填壓力，以發(fā)揮擠淤排水的效果，保證充填密實性和充填高度達到設(shè)計要求。同時，進入管袋內(nèi)的水流需要具有一定的流速，以便使管袋內(nèi)形成湍流，確保所有介質(zhì)能夠均勻分布，這也是脫水后管袋內(nèi)泥層斷面含水率均勻分布的重要原因。對于化學(xué)淤堵的表面，則采用人工拍打振動、外接水管沖洗等手段進行清理。

3 生態(tài)清淤管袋現(xiàn)場應(yīng)用及效果

3.1 應(yīng)用方案和過程情況

在本項目中，根據(jù)生態(tài)清淤管袋技術(shù)工藝以及工程現(xiàn)場具體條件，設(shè)計排水場地和脫水平臺，同時進行了生態(tài)清淤管袋的相關(guān)計算、絮凝劑加藥設(shè)計以及管路鋪設(shè)等環(huán)節(jié)，在試運行基礎(chǔ)上調(diào)整優(yōu)化方案，形成了較為成熟的應(yīng)用方案。生態(tài)清淤管袋施工流程如圖6所示。

3.1.1 排水場地與平臺處理

生態(tài)清淤管袋脫水過程會產(chǎn)生大量排水，為了避免影響周邊環(huán)境，根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦畏治觯捎盟闹芡谂潘疁系男问脚潘?，排水溝設(shè)置了防滲和導(dǎo)排系統(tǒng)[10]。生態(tài)清淤管袋堆放平臺為多個分割成長50 m、寬10 m的脫水平臺。平臺中鋪設(shè)2層土工布，1層HDPE 土工膜，以及1層20 cm厚的卵礫石層用作濾液防滲和導(dǎo)排。

3.1.2 絮凝劑加藥設(shè)計

本項目采用鋼管和塑料軟管混合輸送污泥。管道末端通過設(shè)置多個分流管路的方式，將多條軟管同時連接到管袋中，可實現(xiàn)多條管袋的平行并聯(lián)作業(yè)[11]。前期使用小型管袋模擬進行實驗室小試實驗，確定脫水調(diào)理藥劑采用高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)，設(shè)計投加量為0.2%～0.3%，計算得到絮凝劑投加能力為90 kg/h，投加濃度為0.1%。藥劑投加采用在藥劑儲罐中通過攪拌機混合攪拌，泵送到蛇形混合器管路中，本工程設(shè)置2個10 m3的絮凝劑加藥罐體。

3.1.3 生態(tài)清淤管袋計算

本項目選用規(guī)格型號為70/95 kN/m管袋，長度為15.5 m，橫截面周長為8.8 m，最大充填高度為1.8 m，每條管袋的最大容積為80 m3，充填 5～6 次循環(huán)脫水固結(jié)后的高度約為1.2～1.4 m，此時容泥量約為65 m3。本項目原泥含水率平均值為 92%～96%，45 d脫水后預(yù)計降到50%左右。污泥體積減少比大約為3∶1，也就是1 m3原泥脫水后體積約為0.3 m3。因此5萬m3原泥脫水后的體積大約為 1.67萬m3，本工程消耗的生態(tài)清淤管袋數(shù)量約為256條。泥漿泵抽取底泥和生態(tài)清淤管袋脫水見圖7。

圖7 泥漿泵抽取底泥和生態(tài)清淤管袋脫水

3.2 管袋內(nèi)煤泥含水率測定

2021年6月份開始現(xiàn)場充填實驗，經(jīng)現(xiàn)場試驗含水率變化分析后發(fā)現(xiàn)，填充初期為高速脫水期，而后進入擠密脫水階段，脫水速度趨緩。一般充填約2～4 h后候含水率可由92%～96%下降至80%左右，前期排水較快，為保證充填高度，需要進行5～6 次循環(huán)填充，此期間含水率波動較大。

袋體充填到設(shè)計高度后，靜置脫水固化，通過對生態(tài)清淤管袋不同時間段抽取泥樣測試含水率分析，現(xiàn)場試驗含水率抽樣檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，針對袋體內(nèi)含水率抽樣檢測數(shù)據(jù)表明，生態(tài)清淤管袋內(nèi)含水率約在14 d時下降至60%左右，隨后含水率下降趨勢趨于緩慢，45 d后管袋內(nèi)含水率下降到50%以內(nèi)。即使后期有降雨情況，也未對袋內(nèi)淤泥含水量造成影響。

3.3 社會效益和經(jīng)濟效益

從社會效益角度考慮，生態(tài)清淤管袋技術(shù)可減少污泥堆放對生態(tài)環(huán)境和水資源的污染，讓煤泥和污染水體一次性實現(xiàn)資源化利用，減少了資源浪費。同時減少了土地的污染及浪費，提高了土地利用率。

圖8 現(xiàn)場試驗含水率抽樣檢測結(jié)果

從經(jīng)濟效益角度考慮，生態(tài)清淤管袋技術(shù)低能低耗，相比傳統(tǒng)煤泥脫水干化處理更加節(jié)省成本，占地面積小，煤泥運輸費用低，無大型設(shè)備投入。

4 結(jié)論

針對礦區(qū)由于礦井排水常年累積沉淀煤泥和污泥的現(xiàn)狀，在現(xiàn)有技術(shù)體系下，可采用大流量、低成本和環(huán)保型的生態(tài)清淤管袋來處理這些污泥，為解決礦區(qū)底泥治理提供了一條新途徑。

采用生態(tài)清淤管袋配合絮凝劑添加技術(shù)、管道混合和場地排導(dǎo)水系統(tǒng)成套技術(shù)工藝，確定了合理的施工技術(shù)參數(shù)，為存量煤泥減容提供了可行方案。經(jīng)現(xiàn)場試驗后發(fā)現(xiàn)，原煤泥含水率約 92%～96%，將絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)泵送充填至長度為15 m的生態(tài)清淤管袋中，45 d靜置脫水后煤泥含水率降到50%以下。生態(tài)清淤管袋快速脫水固結(jié)技術(shù)的脫水固化處理方案合理，固化后的污泥穩(wěn)定安全，完全滿足需求。該技術(shù)具有投資規(guī)模相對較小、對現(xiàn)場破壞小、便于運輸組裝、自動化程度高、全程封閉施工、處理效率高以及固體截留率高等優(yōu)點，可以實現(xiàn)煤泥減量化、穩(wěn)定化、無害化處理，并將在污泥固化處理工程中發(fā)揮更大的作用。