楊合舉 王佳琦

摘 要：本文以深圳市光明區(qū)市政管網(wǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)雨污管道中淤泥堆積嚴(yán)重問(wèn)題，采取機(jī)械清淤和人工清淤結(jié)合的辦法進(jìn)行管道清淤。同時(shí)針對(duì)工程情況建設(shè)淤泥處理場(chǎng)并設(shè)計(jì)以帶式壓濾機(jī)為主的淤泥處理流程，并采用響應(yīng)曲面法確定影響因素對(duì)壓濾機(jī)工作效率的影響顯著順序和相互作用以及最佳工作參數(shù)，為以后類似工程提供了參考和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道清淤;淤泥固化;帶式壓濾機(jī);參數(shù)優(yōu)化

1 前言

本文以深圳市光明區(qū)干支管網(wǎng)管道清淤工程為切入點(diǎn)，闡述了管道清淤的治理思路、施工工藝及管道淤泥的后續(xù)處理工作。并通過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化帶式壓濾機(jī)的最佳工作參數(shù)，為以后城市管道清淤及淤泥的脫水固化處理工程提供參考和理論依據(jù)。

2 管道清淤工程概述

2.1 深圳市光明區(qū)管道情況

本次管道清淤工程位于深圳市光明區(qū)，施工面積114.75平方公里，管網(wǎng)總長(zhǎng)820km，清淤方量總計(jì)14.89萬(wàn)m³，其中雨水管網(wǎng)中淤泥為4.23萬(wàn)m³，污水管網(wǎng)中淤泥為10.66萬(wàn)m³。光僑路、觀光路等城區(qū)主干路雨水管多數(shù)為800～1200mm大管徑混凝土管道，在非降雨天氣管內(nèi)情況清晰可見(jiàn)，管道整體淤積很少，淤泥多集中在茶林路、科林路、科泰路等城邊次干路中，這些道路均呈兩邊高中間低的地勢(shì)，附近多為山丘地帶，降雨天氣，雨水摻雜山上沙土流進(jìn)雨水管網(wǎng)中，常年累積，在管道中形成淤泥。污水管網(wǎng)中淤泥厚度普遍在1/4管徑以上，嚴(yán)重管段存在半管，甚至滿管的情況。

2.2 管道清淤施工工藝

針對(duì)光明區(qū)市政管網(wǎng)淤泥分布不均，主干路淤泥較少，次干路淤泥較多的特點(diǎn)，采用機(jī)械清淤和人工清淤相結(jié)合的方法。清淤后使用QV管道潛望鏡或CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行觀測(cè)，潔凈可視度要求達(dá)95%以上。

2.2.1 機(jī)械清淤

本管道清淤工程主要采用水利清通的方式，設(shè)備選取東風(fēng)天龍牌270型號(hào)沖吸一體式工作車，該車罐體容量21m³，隨車配備高壓水槍及吸排系統(tǒng)。清淤時(shí)，將高壓水槍伸入管道中進(jìn)行管道沖洗，沖洗下來(lái)的淤泥與水混合成泥漿后順流至下游檢查井井室中，再通過(guò)吸排系統(tǒng)將泥漿吸入車內(nèi)。

2.2.2 人工清淤

在清淤管道的兩端檢查井設(shè)置絞盤，用鋼絲繩帶刮板的方式在管內(nèi)反復(fù)拖拉，將管內(nèi)聚集狀淤泥刮散，再使用沖吸一體式工作車將泥漿處理干凈。在管徑大于800mm的雨水管道中，也可安排專業(yè)清淤人員下井清淤。

3 淤泥處理

3.1 淤泥處理場(chǎng)建設(shè)

由于管道淤泥具有體量大、含水量高、易腐敗發(fā)臭等特性，流體狀淤泥不便于運(yùn)輸和處置，為此，需建設(shè)淤泥處理場(chǎng)對(duì)淤泥進(jìn)行固化處理，以降低淤泥運(yùn)輸成本，且固化后的淤泥可用于建筑保溫層填充、陶瓷磚石的原料及玻璃制造等。

淤泥處理場(chǎng)位于光明區(qū)逕口社區(qū)，占地面積7200m²。場(chǎng)內(nèi)建有泥漿沉淀池4個(gè)，配備淤泥脫水設(shè)備1套、智慧系統(tǒng)1套。

3.2 淤泥固化機(jī)械選型

淤泥脫水固化方法分為自然干化法、熱干化法和機(jī)械脫水干化法。由于深圳市氣候潮濕，無(wú)法采用自然干化法，且熱干化法不適合大規(guī)模淤泥干化處理，針對(duì)本項(xiàng)目的環(huán)境特定及工程特點(diǎn)，本工程淤泥固化采用機(jī)械脫水干化法。

由于本工程淤泥體量大，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)效率要求高，在設(shè)備能連續(xù)性作業(yè)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性、淤泥場(chǎng)地面積、設(shè)備穩(wěn)定性等因素，本次工程采用帶式壓濾機(jī)進(jìn)行淤泥脫水固化作業(yè)。

3.3 淤泥處理工藝

淤泥處理前對(duì)管道內(nèi)淤泥進(jìn)行抽測(cè)取樣，共布置50個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，取樣淤泥采用烘干脫水后，采用HF-HCLO4-HNO3進(jìn)行消解以測(cè)量Zn、Cr、Cu、Ni等重金屬含量，經(jīng)檢測(cè)淤泥內(nèi)重金屬含量均未超標(biāo)，可直接固化，不需要進(jìn)行鈍化處理。

沖吸車將淤泥運(yùn)至淤泥處理場(chǎng)，由車輛吸排系統(tǒng)經(jīng)豬籠篩篩去生活垃圾、石塊等體積較大物品后排入進(jìn)漿池中進(jìn)行沉淀。上清液通過(guò)溢流管溢流至一級(jí)沉淀池、二級(jí)沉淀池、三級(jí)沉淀池沉淀后沿管道排至市政污水管網(wǎng)。進(jìn)漿池中淤泥則通過(guò)泥漿泵抽至帶式壓濾機(jī)，同時(shí)藥劑罐中藥劑通過(guò)螺桿泵作用排至淤泥輸送管道中與淤泥充分混合。藥劑主要成分為丙烯酰胺（PAM）與聚合氯化鋁（PAC），具有絮凝及加速沉降作用。淤泥在帶式壓濾機(jī)上經(jīng)重力脫水及滾軸壓力、剪力脫水后成泥餅狀由履帶傳送至泥餅堆放區(qū)。壓濾出的泥水經(jīng)壓濾機(jī)的斜坡基礎(chǔ)匯至排水溝流入一級(jí)沉淀池中進(jìn)行沉淀。

4 響應(yīng)曲面法對(duì)帶式壓濾機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化研究

為了盡可能提高壓濾機(jī)工作效率，提高產(chǎn)泥量并降低泥餅含水率，本試驗(yàn)采用響應(yīng)曲面法，對(duì)濾布張力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、機(jī)械傾角這三個(gè)因素共同分析，確定這三個(gè)因素對(duì)壓濾機(jī)工作效率的影響顯著順序，評(píng)價(jià)這三個(gè)因素間的相互作用，確定最優(yōu)工作參數(shù)，使壓濾機(jī)工作效率達(dá)到最優(yōu)。

4.1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取濾布張力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、機(jī)械傾角的3個(gè)最佳顯著水平，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，其中-1，0，1分別代表這三因素的低、中、高三個(gè)水平?；贐ox-Behnken響應(yīng)曲面法的影響因子水平及編碼見(jiàn)表3.1。

選取產(chǎn)泥量和泥餅含水率為響應(yīng)值，共進(jìn)行17組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3.2所示。

4.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用Design-Expert（V8.0.6.1）軟件對(duì)表3.2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，建立濾布張力（X1）、運(yùn)轉(zhuǎn)速度（X2）、機(jī)械傾角（X3）3個(gè)因素與產(chǎn)泥量（Y1）和泥餅含水率（Y2）之間的二次多項(xiàng)式模型。

擬合得到Y(jié)1的二次回歸方程如下：

Y1=17.36+0.19X1+1.07X2-0.21X3-0.12X1X2-0.35X1X3-0.32X2X3-0.093X12-0.19X22-0.34X32 （0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10）

對(duì)Y1的二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，如表3.3所示。

對(duì)Y1的方差分析結(jié)果顯示P=0.0003，遠(yuǎn)小于0.05，表明該模型描述濾布張力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、機(jī)械傾角3個(gè)因素與響應(yīng)值產(chǎn)泥量之間的非線性方程關(guān)系是顯著的，回歸效果良好。3個(gè)因素中，運(yùn)轉(zhuǎn)速度對(duì)產(chǎn)泥量的影響最為顯著，3個(gè)影響因子顯著性順序?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)速度（F=150.17）>機(jī)械傾角（F=5.69）>濾布張力（F=4.90）。

模型的決定系數(shù)R2=0.9641，說(shuō)明該模型可以解釋96.41%的試驗(yàn)所得生產(chǎn)效率的變化;調(diào)整決定系數(shù)Radj2=0.9180，與R2很接近，R2- Radj2=0.04<0.2，說(shuō)明模型的可信度和精密度較高，產(chǎn)泥量的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間存在較好的相關(guān)性。通過(guò)模型可預(yù)測(cè)每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的產(chǎn)泥量值，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較好的吻合于一條直線。

擬合得到Y(jié)2的二次回歸方程如下：

Y2=57.98-1.29X1+1.01X2-1.13X3+1.18X1X2+0.20X1X3+0.100X2X3+2.22X12+2.32X22+0.80X32（0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10）

對(duì)Y2的二次回歸方程的方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示。

對(duì)Y2的方差分析結(jié)果顯示P=0.0088。3個(gè)因素中，濾布張力對(duì)生產(chǎn)效率的影響最為顯著，3個(gè)影響因子顯著性順序?yàn)闉V布張力（F=9.53）>機(jī)械傾角（F=7.27）>運(yùn)轉(zhuǎn)速度（F=5.89）。

模型的決定系數(shù)R2=0.9002，調(diào)整決定系數(shù)Radj2=0.7719，與R2接近，R2- Radj2=0.12<0.2，模型的可信度和精密度較高，泥餅含水率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間存在較好的相關(guān)性。

分析在某個(gè)因素固定在中心值不變的情況下，其他兩個(gè)因素的交互作用對(duì)產(chǎn)泥量和泥餅含水率的影響。結(jié)果表示，對(duì)產(chǎn)泥量的交互作用：濾布張力和機(jī)械傾角>機(jī)械傾角和運(yùn)轉(zhuǎn)速度>濾布張力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這與方差分析中F值的結(jié)果一致。對(duì)泥餅含水率的交互作用：濾布張力和運(yùn)轉(zhuǎn)速度>濾布張力和機(jī)械傾角>運(yùn)轉(zhuǎn)速度和機(jī)械傾角。

4.3 最佳試驗(yàn)結(jié)果分析和模型驗(yàn)證

綜合考慮確定各因素的約束條件為：0.4≤X1≤0.8;0.08≤X2≤0.12;0≤X3≤10。在該約束條件下對(duì)模型求解得出產(chǎn)泥量值最優(yōu)為17.68m3/h，泥餅含水率值最優(yōu)為58.34%。最佳條件組合為：濾布張力0.66MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)速度0.11m/s，機(jī)械傾角4.92°。在實(shí)際運(yùn)用中，將該反應(yīng)條件參數(shù)修正為濾布張力0.65MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)速度0.11m/s，機(jī)械傾角5°。

為了對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，得到產(chǎn)泥量的平均值為17.47m3/h，含水率值為58.92%，與模型得到的預(yù)測(cè)值偏差分別為1.18%和0.99%，說(shuō)明該模型能較為真實(shí)地反映各因素對(duì)產(chǎn)泥量和泥餅含水率的影響，證明應(yīng)用響應(yīng)曲面法優(yōu)化壓濾機(jī)工作參數(shù)是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 本工程采用機(jī)械清淤和人工清淤結(jié)合的方法，對(duì)淤積不嚴(yán)重的管道采取機(jī)械清淤方式，對(duì)管內(nèi)積淤嚴(yán)重，水利清通無(wú)法使管道疏通的情況，采用人工清淤方式。

5.2 針對(duì)本工程淤泥體量大，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)效率要求高，在設(shè)備能連續(xù)性作業(yè)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性、淤泥場(chǎng)地面積、設(shè)備穩(wěn)定性等因素，采用帶式壓濾機(jī)進(jìn)行淤泥脫水固化作業(yè)。淤泥處理工藝以帶式壓濾機(jī)為主，并配套三級(jí)沉淀池結(jié)構(gòu)以達(dá)到科學(xué)合理、循環(huán)作業(yè)的目的。

5.3 為了能夠盡可能地提高壓濾機(jī)工作效果，采用響應(yīng)曲面法，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，結(jié)果表明，壓濾機(jī)的最佳工作參數(shù)為：0.65MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)速度0.11m/s，機(jī)械傾角5°，在此條件下產(chǎn)泥量和泥餅含水率為17.47m³/h和58.92%，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差為1.18%和0.99%。

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