城市暗涵淤泥清理与水环境治理技术研究

周 平，蒋 铁

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

城市暗涵淤泥清理是以水环境治理为主要目的，城市暗涵淤泥清理效果有着较高的要求。以往城市河道淤泥清理通常采用水力冲淤以及挖泥方式，水力冲淤并不彻底，且需要较大的劳动力；挖泥所用工具(挖泥船)无法适应过窄的河道和净空不足的桥梁，挖泥船作业过程中搅动河道淤泥，底泥扰动造成淤泥清理过程二次污染，令水体的富营养化程度加深，且船只无法经过暗涵，该方法无法适用于城市暗涵淤泥清理。城市暗涵淤泥问题为城市带来巨大隐患，直接影响城市水环境治理效果。

暗涵淤泥清理的淤泥如何处理同样是水环境治理的重要问题，以往通常采用将淤泥堆放于堆场的指定位置令其自然干燥，但该方法用时较长，且占用大量土地资源，堆场周围环境也容易由于堆放的淤泥造成二次污染。采用合适的淤泥处理方法，令淤泥快速脱水，降低其体积以及处理成本[1- 3]，将处理后的淤泥用于合适场所，是城市水环境治理的重要部分。

近年来随着科技与经济不断发展，城市生态污染问题已成为环境治理领域极为重视部分，水环境污染是生态污染的主要问题，城市中存在大量暗涵淤泥是造成水环境污染的重要组成部分，生态系统不断破坏使水环境问题直接威胁人类健康影响人类生活。近年来各地政府已渐渐重视城市暗涵淤泥问题以及由其带来的水环境治理问题，城市河道中存在的暗涵是水环境治理的难点，城市河道中的暗涵直接影响城市河道水质，大量聚集淤泥引起巨大恶臭，直接影响城市整体环境质量，研究城市暗涵淤泥清理以及水环境治理技术已成为目前急切需要解决的问题。

2 城市暗涵淤泥清理与水环境治理技术

2.1 总体结构

以往的暗涵淤泥清理通过人工与机械结合的方式，而暗涵内淤泥通常沉积多年，经过工具搅动后散发有毒气体对人体造成极大伤害，采用高效率、低风险的暗涵淤泥清理技术为水环境治理带来极大帮助。

随着科技发展，机械自动化水平不断提升，将智能清淤设备应用于暗涵淤泥清理中已成为科技发展的必然趋势。水下清淤机器人作为智能化暗涵淤泥清理设备已被应用于众多城市河道淤泥清理中，采用近年来新型研究的蓝德W1300A暗涵清淤机器人实现城市暗涵淤泥清理，城市暗涵淤泥具有清理难度大，淤泥多的特点，采用清淤机器人可高效实现城市暗涵淤泥清理[4- 6]，为水污染治理提供基础。

城市暗涵淤泥清理与水环境治理技术总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

通过图1可以看出，城市暗涵淤泥清理与水环境治理技术清淤前需要足够的施工准备，机器人清淤后将清水排回河道，淤泥运送至指定地点，通过板框式压滤机脱水处理后运送至指定堆场留作建筑用土等用途。

2.2 暗涵清淤机器人

蓝德W1300A暗涵清淤机器人由深圳市蓝德智能机器人有限公司研发，暗涵清淤机器人整体结构为履带式结构，利用电力驱动液压实现机器人的驱动，机器人周围设置可查看周围环境以及辅助照亮周围环境的摄像系统以及照明系统，并且增设声呐传感器，机器人运行过程中水体较浑无法看清周围状况时，利用声呐传感器通过声波勘探机器人周围环境[7- 9]，为避免与周围墙体等物体发生碰撞，机器人可实时显示机器人与周围物体的间距。

该暗涵清淤机器人可轻松进入城市暗涵内部实现高效淤泥清理作业，机器人共包括泥水分离系统、排泥装置、排水装置、监控系统、控制系统以及机器人本体6部分。暗涵清淤机器人由地面上控制人员实现机器人暗涵内行走淤泥清理控制。

暗涵清淤机器人工作原理如图2所示。

图2 暗涵清淤机器人工作原理

暗涵内间隔50～150m需设置检查井或者暗涵顶板开孔，便于排水管泥浆管接入通道，暗涵清淤机器人最大工作半径为150m。暗涵清淤机器人实时将暗涵内的淤泥清除情况通过摄像探头传输至显示设备，由控制人员发出行走或作业命令，利用控制指令实现远程无线控制，直至暗涵内全部目的区域淤泥清除完成。

暗涵清淤机器人实物图如图3所示。

图3 暗涵清淤机器人实物图

暗涵清淤机器人主要工作部位为机械部分、监控部分以及行走部分，由传动部分、机械本体以及清淤斗组成了机器人机械部分，机器人运行过程中启动、制动、控制以及动力源均通过机械本体提供，机械本体是暗涵清淤机器人运行核心。

暗涵清淤机器人机箱周围备有摄像头以及声呐传感器等监控设备，监控设备需要高于清淤斗，摄像头等监控设备具有夜视功能且设置防水设施，可适应城市暗涵恶劣的工作环境。地面指挥系统可实时监测机器人工作状态，便于管理者依据机器人工作状态以及工作环境做出下步命令。

暗涵清淤机器人通过履带式方式行走于城市暗涵中，城市暗涵中淤泥含有建筑垃圾、生活垃圾等众多垃圾，且淤泥深浅不一，机器人采用履带式行走方式具有容易越过障碍物，爬坡能力强的优势[10- 12]，履带式行走方式可实现复杂环境平稳行走，且结构简单，可适用于城市中的不同种类暗涵淤泥处理。

2.3 淤泥快速处置

通过板框式压滤机对采用清淤机器人排除的淤泥实施机械脱水，城市暗涵中包含淤泥众多，而通常并不具有大面积临时堆场，采用压滤机实时处理排除的淤泥，淤泥实时处理是水环境治理的重要部分。

板框式压滤机包括滤布、滤板、滤框、压紧机构等部分，板框式压滤机处理暗涵淤泥的工艺流程如图4所示。

图4 板框式压滤机工艺流程

板框式压滤机的自动格栅机将暗涵清淤机器人排除的淤泥依据杂物、粗颗粒、细颗粒分选，将漂浮杂物运送至指定堆场，粗颗粒与细颗粒分别送入沉淀池沉淀以及传送至浓缩池，利用自动加药系统加入絮凝剂于泥浆中，选取PAM(聚丙烯酰胺)作为淤泥处理絮凝剂，絮凝剂加入浓度为15～25mg/L，泥浆沉淀于浓缩池底时，通过加压泥泵装备将池底泥浆抽取，利用自动化加药装备以及管道混合器混合添加剂以及泥浆，混合后泥浆传送至物料池，并通过搅拌机搅拌、调和和均化后，通过加压泥泵装备将完成处理的泥浆抽吸并发送至板框式压滤机实施压滤脱水[13- 15]。

完成压滤脱水后的干化土，通过装载机以及输送机发送至指定堆场，并需要检测干化土含水率，干化土需要符合脱水要求[16]。采用板框式压滤机脱水的干化土含水率可低至30%～45%，可应用于建筑等领域中。

淤泥快速处理时需要严格避免二次污染，因此压滤脱水后形成的余水需要如下处理：浓缩池上部溢流水净化后排放至余水处理池，脱水车间内剩余的水上部与下部分别排送至余水处理池以及利用管道回排至浓缩池。

脱水后获取的干化土依据营养成分、有机物成分以及重金属成分选取合适的资源化利用途径，由于机械脱水过程中通过添加剂实现处置，因此获取的干化土尽量避免农业用途，采用机械脱水处置后的干化土可作为场地回填、制造陶粒、砖等建筑材料中，实现土壤可循环利用，并实现水环境污染治理目的。

3 实验分析

为检测本文研究城市暗涵淤泥清理与水环境治理技术对于城市暗涵淤泥的治理以及水环境治理有效性，选取北京凉水部分河道的暗涵进行试验，检测该方法城市暗涵淤泥清理与水环境治理有效性。实验地点周围含有大量污水处理厂，降雨以及污水处理厂形成地面径流，直接排入该暗涵中，该河道还具有生活污水排放口，因此暗涵中具有大量淤泥以及生活垃圾，水质极差，且含有大量有机物质。该河道的暗涵属于并排双涵洞，暗涵长度为4.5m，暗涵宽共为3.8m，该暗涵水下淤积量为23m3。

实验进行于2018年10月6日下午15时，通过长臂吊机将蓝德W1300A暗涵清淤机器人顺利进入该河道暗涵内。

经过机器人55min运作后，该暗涵淤泥清理结束，通过实验前后测试泥面高程，利用河道相邻断面长度与平均面积获取本次淤泥清理总方量为22.92m3，实验结果符合淤泥清理要求。

通过实验结果可以看出，该机器人的淤泥清理效率高达25m3/h，采用机器人清理城市暗涵淤泥的效率相比以往的人工暗涵淤泥清理效率提高了20%，且节省人工成本约40%，采用机器人清理城市暗涵淤泥获取了预期效果，验证该机器人清除城市暗涵淤泥有效性。

统计该暗涵淤泥处理前后水质变化，统计结果见表1。

表1 暗涵淤泥处理前后水质对比

通过表1统计结果可以看出，采用暗涵清淤机器人清理淤泥后，该河段的水质有了明显改善，实验结果可以验证，采用暗涵清淤机器人清理淤泥对水环境治理的作用。

统计采用板框式压滤机处理淤泥连续十天出水以及出泥的悬浮物含量以及淤泥含固率，对比结果见表2。

通过表2统计结果可以看出，经过板框式压滤机处理淤泥后出水悬浮物含量以及出泥含固率分别小于150mg/L以及大于55%，符合淤泥处理国家标准，验证本文方法处理淤泥有效性。

表2 脱水前后对比

统计实验前后暗涵不同深度的含水率，对比结果如图5所示。

图5 实验前后暗涵含水量

通过图5实验结果可以看出，采用本文方法清理城市暗涵淤泥，该暗涵2.4m深度的含水率由31%提升至77%，实验结果再次验证，本文方法清理暗涵淤泥是有效的。

将本文方法应用于该暗涵淤泥的长期治理中，清理时间为每30天一次，检测该方法长期治理水环境效果。统计2018年10月—2019年9月的水质检测结果见表3。

通过表3实验结果可以看出，采用本文方法治理后，该暗涵所在河道水质各项指标均符合河道排放标准，采用该方法清理城市暗涵淤泥可有效提升城市河道水质，实验结果有效验证采用该方法清理暗涵淤泥以及治理水环境有效性。

4 结论

城市暗涵中淤泥是水环境治理问题的重点与难点，选取蓝德W1300A暗涵清淤机器人实现城市暗涵淤泥清理，该机器人具有不断流作业、高效、高自动化、安全性高的优势，将该方法代替传统人工清淤方式已成为科技发展的必然趋势。随着城市快速发展，城市水环境治理极为重要，将清淤机器人应用于城市暗涵淤泥清理中，加速城市水环境治理以及河道治理智能化与自动化，清淤机器人具有的高安全性能使安全清淤不再是难题。将清淤机器人所排出淤泥采用板框式压滤机快速脱水，脱水后干化土可作为建筑用土，实现良好的社会经济效益，具有广阔的应用前景。

表3 水质检测结果 单位：mg/L