一种污染底泥环保疏浚系统及其疏浚方法

技术领域

本发明涉及一种用于河流、湖泊、河流入海口滩涂等自然水体受污染底泥的疏浚系统及其疏浚方法，属于污染底泥的治理修复技术领域。

背景技术

底泥通常是指粘土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物，经过长时间物理、化学及生物等作用及水体传输而沉积于水体底部所形成。底泥能够反映水体演化的历史过程，为河流、湖泊、河流入海口滩涂等自然水体生态系统的重要组成部分。

底泥污染可分为有机污染和无机污染，无机污染又可分为氮、磷等富营养化物质污染和重金属污染。有机物和氮、磷等营养物质会随着水力冲刷、水质变化和气候变化等，重新释放到水体中，造成水体有机污染和富营养化，最终影响水体功能的实现；重金属主要来自于大气降尘、降水、土壤冲刷、地表径流、各类污水、固体垃圾以及农药等，具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，能通过食物链成千百倍地富集，最终危害人体健康。

污染底泥的处理处置已经成为当前环保工作的重要工作，而底泥疏浚也成为污染底泥，特别河流、湖泊、河流入海口滩涂等自然水体污染底泥处理处置的首要环节。

环保疏浚技术作为最直接、最快速清除内源的途径之一得到了广泛运用。如中国专利文献CN2837389公开的一种《双吸口环保疏浚绞刀装置》，主要由绞刀头、防护罩、后封盖、吸泥管、定位轴与泥泵组成，其特征是在绞刀头的后封盖吸泥口的对称位置增设一个与已有吸泥口大小相同的吸泥口；并通过一个三通阀将连接两吸泥口的泥管联接到泥泵。该技术在已有的环保疏浚绞刀装置基础上进行升级，将单吸口更换成双吸口，减少了疏浚底泥扩散，但仍存在底泥疏浚过程中泥沙不断在向外扩散的问题。

CN101787720A公开的《一种生态清淤方法及其清淤装置》，包括如下步骤：步骤一，通过超声波测深装置测定湖底深度；步骤二，根据测定的湖底深度调节吸头埋入淤泥的深度；步骤三，启动高压水泵吸取湖底水，并将其打入吸头使吸头开始工作；步骤四，将吸头吸取的淤泥输送至清淤作业船上的淤泥舱内；步骤五，将淤泥舱内的淤泥输送至污泥压滤机进行压滤。该方法具备环保清淤的优点，能尽量避免对水体扰动，有较高的施工精度，但控制水体扩散效果一般，对疏浚深度不能合理控制，此方法存在一定的缺陷。

CN103643713A公开了一种《河床环保疏浚的方法》按照如下步骤完成：（1）在船体上转动安装螺旋铰刀式疏浚装置，螺旋铰刀式疏浚装置包括电机、减速箱、螺旋铰刀和输送机，筒形机壳的进口端的上部固连有沉箱，螺旋铰刀为头端直径小于尾端的锥形螺旋铰刀，沉箱的右部向下倾斜靠近螺旋铰刀的上表面，沉箱的上方还设有半圆形或盖形的罩子；（2）在圆筒形机壳的出口端安装输送管，该输送管接到泊船或岸边，然后将螺旋铰刀式疏浚装置前部放入河底，泥沙从圆筒形机壳的出口端输送管到达岸边或泊船上。

尽管为了减少疏浚过程中底泥扩散造成的二次污染问题，研发了环保疏浚绞刀、疏浚吸头等较为先进的疏浚装置，但在精确控制和防扩散等方面仍存在不足，易导致悬浮状态的污染物扩散对周围水体造成污染，制约了环保疏浚的应用和推广。因此，亟待开发满足精确控制和低扩散双重要求的污染底泥高效疏浚技术及其吸泥装置。

发明内容

本发明针对目前底泥疏浚过程中泥沙搅动易导致悬浮状态的污染物扩散对周围水体造成污染的问题，提供一种针对性强、自动化程度高，且能够实现精确控制和低扩散的污染底泥环保疏浚系统，以及该系统的疏浚方法。

本发明的污染底泥环保疏浚系统，采用以下技术方案：

该系统，主要包括船体和吸泥方箱，船体上设置有综合控制室、船位GPS定位仪、定位桩和卷扬机，卷扬机通过缆索与吸泥方箱连接；吸泥方箱通过吸泥管道与吸泥泵连接，吸泥管道在吸泥方箱内的一端设有过滤网；吸泥方箱的一侧设置有底泥GPS定位仪和水深仪，另一侧设置有水下照明灯和水下摄像机，吸泥方箱内设置有射流装置，吸泥方箱的底部设置有密封装置；吸泥方箱的顶部设置有排气管，排气管上设置有排气阀；船体上的综合控制室内设有控制器，卷扬机、吸泥泵、射流装置、密封装置和排气阀均与该控制器连接。

吸泥方箱内部的射流装置，由高压水泵、布水装置和活动喷嘴组成，高压水泵和布水装置安装在船体上，布水装置由配水主管和连接在配水主管上的配水支管构成，每个配水支管上安装有控制阀门，高压水泵的出水口与布水装置的配水主管连接，箱体内的顶板和四个侧板上均设置有活动喷嘴，每个活动喷嘴通过连接管与一个布水装置的配水支管连接。

吸泥方箱底部的密封装置，包括密封帘卷扬机、拉绳卷扬机、导向辊、密封帘和拉绳，密封帘卷扬机和拉绳卷扬机安装在吸泥方箱的顶端两侧，在吸泥方箱的两个侧面的上下均安装导向辊，密封帘卷扬机上缠绕有密封帘，密封帘的外端连接在拉杆上，拉绳卷扬机上缠绕有拉绳，拉绳与拉杆在吸泥方箱的底部连接在一起。该密封装置可以实现对吸泥方箱底部的无扰动密封，不会搅动污染底泥。

密封装置的另一种结构，包括密封卷扬机、左拉绳、右拉绳、布帘拉绳、密封布帘和导辊；左拉绳、布帘拉绳和右拉绳分别设置在吸泥方箱内部的左侧、中间和右侧；左拉绳和右拉绳的上端穿出吸泥方箱的顶板并穿过设置在吸泥方箱顶板上的导轮缠绕在卷扬机上；左拉绳和右拉绳的下端绕过设置在吸泥方箱左侧板和右侧板底部的导轮以及设置在吸泥方箱内底部前后板之间的导辊分别与密封布帘的两端连接；布帘拉绳的上端穿出吸泥方箱的顶板并穿过设置在吸泥方箱顶板上的一个导轮缠绕在密封卷扬机上，下端通过连接杆与密封布帘的中部连接；左拉绳和右拉绳在密封卷扬机上的缠绕方向一致，布帘拉绳在密封卷扬机上的缠绕方向与左拉绳和右拉绳的缠绕方向相反；密封卷扬机安装在吸泥方箱的顶板上。

上述污染底泥环保疏浚系统进行疏浚的方法，包括以下步骤：

（1）船体就位：利用船位GPS定位仪，按照底泥污染调查情况，将载有一定规格和数量的吸泥方箱的船体驶入指定疏浚区域；

（2）吸泥准备：船体就位之后，通过定位桩、底泥GPS定位仪和水深仪，调整船体和吸泥方箱的位置，使吸泥方箱到达疏浚区域正上方，通过定位桩使船体固定；然后开启卷扬机、水下照明灯和水下摄像机，对吸泥方箱周边水域、地形环境进行实施监测，通过缆索缓慢下放吸泥方箱，下放过程中密封装置和吸泥方箱顶部排气管上的排气阀处于开启状态，到达指定位置和指定深度后，通过控制室的控制器启动吸泥方箱底部的密封装置，关闭箱底，使吸泥方箱密封，同时关闭排气管上的排气阀；重复上述过程，在指定疏浚区域，按照设计阵型，布置一定数量的吸泥方箱，完成全部吸泥准备工作；

（3）环保吸泥：通过控制室的控制器，按照底泥污染现状调查情况，控制吸泥方箱内的射流装置，使各个不同位置的活动喷嘴，按照设计要求和水下底泥实际地质情况，搅动吸泥方箱内不同位置的受污染底泥，使其呈现悬浮状态，同时开启吸泥方箱外部的吸泥泵，将悬浮状态的污染底泥全部吸至指定区域；该过程中，控制吸泥泵的流量大于射流装置的流量，从而保证在射流装置的搅动过程和吸泥泵的吸泥过程中吸泥方箱内整体呈负压状态，最终保证密封装置的密封效果，防止内部悬浮状态底泥溢出吸泥方箱，造成二次污染；

（4）移位准备：吸泥工作完成后，关闭射流装置，通过水下照明灯和水下摄像机，观察悬浮底泥状态，待其静沉后，开启吸泥方箱底部的密封装置，同时通过水下照明灯和水下摄像机对吸泥装置周边水域、地形环境进行实施监测，然后开启卷扬机，通过缆索逐个提升吸泥方箱，完成移位准备过程；

（5）船体移位：利用船位GPS定位仪，在完成上一疏浚任务后，将船体准确移出已完工疏浚区域，进入下一指定疏浚区域，重新开始上述步骤，直至完成全部疏浚工作任务。

本发明针对性强、自动化程度高，配备定位仪、水深仪、水下照明和摄像设备等，实现了疏浚船只和吸泥方箱的高精确定位，大大提高了疏浚工作的针对性和疏浚精度，减小后续处置压力的同时，有效降低了疏浚成本；各环节设备实现自动联锁控制，有效提高了疏浚效率；高效密封装置的利用，有效避免了悬浮底泥向底部和吸泥方箱外的扩散，解决了底泥疏浚过程中的二次污染问题。

附图说明

图1是本发明污染底泥环保疏浚系统的结构示意图。

图2是本发明中吸泥方箱底部密封装置的结构示意图。

图3是密封装置的另一种结构示意图。

图中：1、船体，2、控制室，3、船位GPS定位仪，4、吸泥方箱，5、定位桩，6、底泥GPS定位仪，7、卷扬机，8、水下照明灯，9、密封装置，10、活动喷嘴， 11、吸泥泵，12、吸泥管过滤网，13、吸泥管道，14、缆索，15、水深仪，16、水下摄像机，17、高压水泵，18、布水装置，19、控制阀门，20、连接软管，21、排气管，22、排气阀，23、导向辊，24、密封帘，25、拉杆，26、拉绳，27、拉绳卷扬机，28、密封帘卷扬机，29、密封卷扬机，30、左拉绳，31、导轮，32、右拉绳，33、布帘拉绳，34、连接杆，35、密封布帘，36、导辊。

具体实施方式

如图1所示，本发明的污染底泥环保疏浚系统主要包括船体1和吸泥方箱4，船体1上设置有综合控制室2、船位GPS定位仪3、定位桩5和卷扬机7，船位GPS定位仪3设置在控制室2内。卷扬机7通过其上的缆索14与吸泥方箱4连接。吸泥方箱4通过吸泥管道13与吸泥泵11连接，吸泥管道13在吸泥方箱4内的一端设有过滤网12。吸泥方箱4为正方体或长方体结构，由不锈钢或其它材质的箱板焊接而成，箱板分为顶板和四个侧板，底部敞口并设置有密封装置9。吸泥方箱4的一侧设置有底泥GPS定位仪6和水深仪15，另一侧设置有水下照明灯8和水下摄像机16。吸泥方箱4的顶板上设置有排气管21，排气管21上设置有排气阀22，在吸泥方箱4下落过程中打开排气阀22，使吸泥方箱4内的空气沿排气管21排出，保证吸泥方箱4进入污染底泥内。

吸泥方箱4内设置有射流装置，该射流装置由高压水泵17、布水装置18和活动喷嘴10组成，高压水泵17和布水装置18安装在船体1上，布水装置18由配水主管和连接在配水主管上的配水支管构成，每个配水支管上均安装有控制阀门19（可采用气动阀门）。高压水泵17的出水口与布水装置18的配水主管连接，箱体内的顶板和四个侧板上均设置有活动喷嘴10，其中顶板四边的中心位置布置的若干个活动喷嘴，主要用于箱体底部泥沙的正面冲刷和吸泥管道口的冲洗；四个侧板上，由上至下1/3侧板高度处向下，每隔20cm设置一个喷嘴，主要用于底泥的侧面冲刷和向上冲刷；所有喷嘴均可根据水下地形情况和底泥的粘度等地质特性调整喷射角度；每个活动喷嘴10通过单独的连接软管20与布水装置18的一个配水支管连接，自动控制射流过程。

吸泥方箱4的底部设置有密封装置9。如图2所示，该密封装置9包括密封帘卷扬机28、拉绳卷扬机27、导向辊23、密封帘24、拉杆25和拉绳26，密封帘卷扬机28和拉绳卷扬机27安装在吸泥方箱4的顶端两侧，在吸泥方箱4的两个侧面的上下均安装导向辊23，密封帘卷扬机28上缠绕有密封帘24，密封帘24的外端连接在拉杆25上，拉绳卷扬机27上缠绕有拉绳26，拉绳26与拉杆25在吸泥方箱4的底部连接在一起。启动拉绳卷扬机27，使拉绳26通过拉杆25拉动密封帘24向右移动（以图2所示位置），密封帘24将吸泥方箱4包裹住，实现吸泥方箱4的密封（在吸泥过程中，由于吸泥方箱4内为负压，密封帘24会被压紧在吸泥方箱4底部）。启动密封帘卷扬机28，则会将密封帘24拉回，吸泥方箱4敞开。该密封装置实现了无扰动密封吸泥方箱底部，不会搅动污染底泥。

密封装置9的另一种结构如图3所示，包括密封卷扬机29、左拉绳30、右拉绳32、布帘拉绳33、密封布帘35和导辊36，左拉绳30、布帘拉绳33和右拉绳32分别设置在吸泥方箱4内部的左侧、中间和右侧。左拉绳30的上端穿出吸泥方箱4的顶板并穿过设置在吸泥方箱4顶板上的导轮31缠绕在密封卷扬机29上，左拉绳30的下端绕过设置在吸泥方箱4左侧板底部的导轮和设置在吸泥方箱4内底部前后板之间的导辊36与密封布帘35的一端连接。布帘拉绳33的上端穿出吸泥方箱4的顶板并穿过设置在吸泥方箱4顶板上的一个导轮缠绕在卷扬机29上，下端通过连接杆34与密封布帘35连接。右拉绳32的上端穿出吸泥方箱4的顶板并穿过设置在吸泥方箱4顶板上的一个导轮缠绕在密封卷扬机29上，右拉绳32的下端绕过设置在吸泥方箱4右侧板底部的导轮和设置在吸泥方箱4内底部前后板之间的另一个导辊与密封布帘35的另一端连接。密封布帘35中部固定在连接杆34上，其两端分别与左拉绳30和右拉绳32连接。左拉绳30和右拉绳32在密封卷扬机29上的缠绕方向一致，布帘拉绳33在密封卷扬机29上的缠绕方向与左拉绳30和右拉绳32在密封卷扬机29上的缠绕方向相反。密封卷扬机29安装在吸泥方箱4的顶板上。启动密封卷扬机29，使左拉绳30和右拉绳32在密封卷扬机29上卷绕，拉动密封布帘35向下移动（以图3所示位置），密封布帘35移动至吸泥方箱4底部时，其两端向左右两侧移动，最后密封布帘35将吸泥方箱4底部包裹住，实现吸泥方箱4的密封。启动密封卷扬机29反向运转，布帘拉绳33则带动密封布帘35向上移动，拉回原位，吸泥方箱4的底部敞开。

船体上的综合控制室内设有PLC控制器，卷扬机7、吸泥泵11、射流装置、密封装置和排气阀22等电动部件均与该PLC控制器连接，实现以下功能：   

（1）采集疏浚各工段的工艺过程参数、电气参数，监视疏浚工艺设备和电气设备的运行状态信息，发出调度指令。

（2）实现操作人员和控制系统的交互，通过计算机画面手动操作现场设备。

（3）计算机控制系统根据各种当前值和历史数据的对比及时发现工艺系统运行故障。

（4）建立健全计量数据、运行参数和故障记录等信息库，获得最佳运行规律。

（5）显示水下底泥污染现状图、工艺流程图、各工段分流程图，记录趋势曲线，打印报表。

上述疏浚系统确保疏浚过程精确控制的同时，有效避免了取泥过程中泥沙扩散所引起的二次污染问题，对污染底泥的环保疏浚过程如下所述：

1、船体就位：利用控制室2配备的船位GPS定位仪3，按照前期完成的底泥污染调查情况，将载有一定规格和数量吸泥方箱4的船体1准确驶入指定疏浚区域。

2、吸泥准备：船体1就位之后，通过定位桩5、底泥GPS定位仪6和水深仪15，调整船体1和吸泥方箱4的位置，使吸泥方箱4到达疏浚区域正上方，通过定位桩5使船体1固定住；然后开启卷扬机7、水下照明灯8和水下摄像机16，对吸泥方箱4周边水域、地形环境进行实施监测，通过缆索14缓慢下放吸泥方箱4，下放过程中密封装置9处于开启状态，吸泥方箱4顶部排气管21上的排气阀22打开；到达指定位置和指定深度后，确保其位置和深度满足设计要求，最后启动吸泥方箱4底部的密封装置9，关闭箱底（具体过程参见上面对密封装置的叙述），使吸泥方箱4密封，同时关闭排气管21上的排气阀22；这样完成吸泥方箱4的放置，关闭卷扬机7。重复上述过程，在指定疏浚区域，按照设计阵型，布置一定数量的吸泥方箱4，完成全部吸泥准备工作；

3、环保吸泥：在吸泥准备过程完成之后，按照预定的底泥疏浚深度，启动吸泥方箱4内相应位置的射流装置，按照设计要求和水下底泥实际地质情况，搅动吸泥方箱4内受污染的底泥，使其呈现悬浮状态，然后开启吸泥方箱4外部的吸泥泵11，将悬浮状态的污染底泥全部吸至指定区域进行后续处理。吸泥方箱4内吸泥管道13的吸泥端口设置的过滤网12，可以阻挡大颗粒物如卵石、树枝等进入吸泥管道13，不会对吸泥泵造成损害。

该过程中，控制吸泥泵11的流量大于射流装置的流量，从而保证在射流装置的搅动过程和吸泥泵11的吸泥过程中吸泥方箱4内整体呈负压状态，最终保证密封装置9的密封效果，防止内部悬浮状态底泥溢出吸泥方箱4，造成二次污染。

4、移位准备：上述吸泥工作完成后，关闭射流装置，通过水下照明灯8和水下摄像机16，观察悬浮底泥状态，待其静沉后，开启吸泥方箱底部4的密封装置，同时通过水下照明灯8和水下摄像机16对吸泥装置周边水域、地形环境进行实施监测，然后开启卷扬机7，通过缆索14逐个提升吸泥方箱4，完成移位准备过程；

 5、船体移位：利用控制室2配备的船位GPS定位仪3，在完成上一疏浚任务后，将船体1准确移出已完工疏浚区域，进入下一指定疏浚区域，重新开始上述步骤，直至完成全部疏浚工作任务。

本发明的污染底泥环保疏浚系统，针对性强、自动化程度高，确保疏浚过程精确控制的同时，有效避免了取泥过程中泥沙扩散所引起的二次污染问题，具有以下特点：

1．配备了GPS、探深仪、水下照明和摄像仪等先进设备，实现了疏浚船只和吸泥装置的高精确定位，大大提高了疏浚工作的针对性和疏浚精度，减小后续处置压力的同时，有效降低了疏浚成本；

2．实现了卷扬机7、吸泥方箱4底部密封装置9、射流装置和吸泥泵11等设备的自动联锁控制，有效提高了疏浚效率；

3．配备的射流装置除了可以起到打碎泥块的作用外，还可起到水力冲刷作用，一定程度上实现了泥沙分离，将吸泥对象锁定在污染较重的细小颗粒组分上，提高了疏浚工作的针对性；其上倾喷射作用提升了悬浮底泥的向上冲量，避免了悬浮底泥向底部和装置外的扩散，从而减小了底泥向外扩散引起的二次污染；

4．吸泥方箱4外形为正方形或矩形，排列组合简单，可用钢板焊接而成，制作工艺和规格调整简单，可有效降低工程设备投资，有效减小疏浚盲区，提高疏浚工作效率。

5、高效密封装置9的利用，有效避免了悬浮底泥向底部和吸泥方箱4外的扩散，解决了底泥疏浚过程中的二次污染问题。