CN109778784A - 一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置及其施工方法。该装置将传统挖泥船中的一个泥仓增加为三个泥仓，并在泥仓之间增加微生物处理设备，包括CaCl2溶液制备装置，微生物培养及储备装置，尿素溶液制备装置及搅拌罐。从海中抽取的钙质砂依次与CaCl2溶液、微生物培养液及尿素溶液混合，利用微生物促进尿素水解产生CO2，CO2遇水生成CO3 2+，CO3 2+与胶结溶液中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀来胶结泥沙。此外，沙土吹填后，微生物会继续促使海水中的Ca2+沉淀，来达到持续加固边坡的效果。本发明能够增强吹填钙质砂的胶结程度，提高吹填沙土的强度，进而提高岸坡稳定性及防冲刷能力。且该方法施工简单，实施方便，对环境影响较小，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置。
背景技术
南海海域是中国领土重要的组成部分，拥有丰富的渔业资源、航道资源和油气资源。开发和利用南海海域的各种资源对我国的经济发展，能源战略方案具有重大意义。此外，南海海域是我国连通海上丝绸之路的重要通道，是加强我国与中南亚国家、非洲国家联系的重要通道。
南海海域面积辽阔，南北纵跨约2000公里，东西横越约1000公里，总面积约250万平方公里。这表明从中国大陆南端到南海最南端距离遥远，这不利于我国对南海的控制，同时也不利于开发利用南海的各种资源。因此，利用南海已有岛屿、岛礁作为中转中心具有重要意义。但是南海各岛礁通常面积有限，且长期处于水面以下，很难直接利用。扩礁造岛对解决这个问题具有重要意义。
吹填技术是扩礁造岛的一种重要方式，它挖取海底泥沙并排放到岛礁附近，将泥沙填垫，抬到岛礁标高并扩大岛礁面积，从而使岛礁具有可利用价值。近年来，中国利用吹填技术陆续完成了南海美济岛、渚碧岛和永暑岛的造陆工程。吹填技术对中国南海造路具有重大意义，吹填工程中的主要泥沙来源是海底钙质砂。但是目前采用的吹填技术在扩礁造岛过程中，直接将钙质砂向浅滩吹填，并未对吹填钙质砂进行处理，一方面使得钙质砂中细小颗粒大量损失，另一方面钙质砂吹填后没有胶结，强度较低，通常会使吹填地基出现大量工程问题，主要有地基稳定性及地基沉降等问题。这使得人工岛的维护费用高昂。
因此，亟需提供一种简便、经济的加固装置及其施工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置及其施工方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，包括挖泥设备和吹填设备，船体上布置有第一泥仓、第二泥仓、第三泥仓和微生物处理设备。
所述第一泥仓中安装有泥水分离装置。所述第一泥仓的入料口与挖泥设备相连。所述挖泥设备吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓中储放。所述第一泥仓出料口与第二泥仓进料口之间连接有螺旋输砂器。
所述螺旋输砂器包括外筒和螺旋杆。所述外筒的内腔围设出输料通道。所述螺旋杆安装在输料通道内。所述螺旋杆上缠绕有螺旋叶片。所述外筒的侧壁上设置有4个入料口。所述4个入料口沿钙质砂输送方向依次为CaCl2溶液入料口、微生物悬浊液入料口Ⅰ、微生物悬浊液入料口Ⅱ和尿素溶液入料口。
所述微生物处理设备包括CaCl2溶液储存罐、微生物悬浊液储存罐和尿素溶液储存罐。所述CaCl2溶液储存罐通过CaCl2溶液入料口与输料通道连通。所述微生物悬浊液储存罐与微生物悬浊液注入主管连接。所述微生物悬浊液注入主管与两个分支管道连接。所述微生物悬浊液储存罐通过两个分支管道分别与微生物悬浊液入料口Ⅰ及微生物悬浊液入料口Ⅱ连通。所述尿素溶液储存罐通过尿素溶液入料口与输料通道连通。
所述第三泥仓的出料口与吹填设备相连。所述第三泥仓的入料口和第二泥仓的出料口之间连接有搅拌罐。
工作时，所述第一泥仓的泥水分离装置将吸取的钙质砂与海水分离。经第一泥仓干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器传输至第二泥仓中。传输过程中，CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液分别注入到输料通道中。待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合。经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐。在搅拌罐中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合。经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓。吹填设备将传输至第三泥仓中的钙质砂吹填到沉积造地施工区域。
进一步，所述CaCl2溶液储存罐的入料口通过PVC管与冷却装置相连，出料口通过PVC管与CaCl2溶液入料口相连。所述CaCl2溶液搅拌罐一端与冷却装置连接，另一端与抽水泵的出水口相连。所述抽水泵的抽水管伸入至海水中。抽水泵抽取的海水与CaCl2溶液搅拌罐中的工业CaCl2溶质搅拌均匀形成CaCl2溶液。所述CaCl2溶液输送至CaCl2溶液储存罐中备用。其中，所述CaCl2溶液的浓度为1.0mol/L～2.0mol/L。
进一步，所述分支管道上设置有阀门。
进一步，所述微生物悬浊液储存罐布置在微生物储存室中。所述微生物储存室具有温度调控装置。
进一步，所述微生物悬浊液储存罐通过PVC管与多个微生物培养罐连接。
进一步，所述微生物培养罐布置在微生物培养室中。
进一步，所述尿素溶液储存罐的进料口通过PVC管与尿素溶液搅拌罐相连，出料口通过PVC管与尿素溶液入料口相连。所述尿素溶液搅拌罐与抽水泵的出水口相连。所述抽水泵的抽水管伸入至海水中。抽水泵抽取的海水与尿素溶液搅拌罐中的工业尿素溶质搅拌均匀形成尿素溶液。所述尿素溶液输送至尿素溶液储存罐中备用。其中，所述尿素溶液的浓度为1.0mol/L～2.0mol/L。
本发明还公开一种关于上述远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置的施工方法，包括以下步骤：
1)将远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置布置就位，抛设边锚将船位固定好。
2)下放挖泥设备至海底。
3)开挖、吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓中储放。直至该区域取砂土结束。
4)移至下一区域，重新固定船位，重复步骤3)。
5)第一泥仓将吸取的钙质砂与海水分离。
6)取第一泥仓干燥处理的待混合钙质砂，测试钙质砂的比重Gs、平均堆积密度ρ和平均含水量w，并计算钙质砂的平均孔隙率n。
7)经第一泥仓干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器传输至第二泥仓中。传输过程中，待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合。CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液的注入量由螺旋输砂器的传输量Q控制。每个入料口注入溶液体积相同。
8)经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐。在搅拌罐中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合。经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓。
9)吹填设备将传输至第三泥仓中的钙质砂分层、分区域吹填到沉积造地施工区域。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可增强远海吹填钙质砂的胶结程度，从而提高钙质砂的强度和钙质砂表面抗侵蚀能力；
B.施工方法简便，需要的人工投入较少，工人培养周期短，施工成本较低；
C.用于配制CaCl2溶液和尿素溶液的溶剂直接就地取材，减少了淡水需求量，成本较低，适用于海洋环境；
D.在海洋环境下，钙质砂吹填后，微生物可以继续促进海水中的阳离子与CO3 2-结合，可持续胶结吹填钙质砂，特别适用于海洋环境。
附图说明
图1为装置结构示意图；
图2为螺旋输砂器结构示意图；
图3为装置工作示意图。
图中：船体1、第一泥仓2、第二泥仓3、第三泥仓4、螺旋输砂器5、外筒501、螺旋杆502、输料通道503、螺旋叶片504、CaCl2溶液入料口505、微生物悬浊液入料口Ⅰ506、微生物悬浊液入料口Ⅱ507、尿素溶液入料口508、CaCl2溶液储存罐6、CaCl2溶液搅拌罐7、抽水泵8、抽水管10、尿素溶液储存罐11、尿素溶液搅拌罐12、微生物培养室13、微生物培养罐14、微生物储存室15、微生物培养液储存罐16、微生物培养液注入主管17、阀门20、搅拌罐21、冷却装置22。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
南海主要利用钙质砂吹填扩礁造岛。本实施例公开一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，在钙质砂吹填过程中对吹填钙质砂进行初步处理，使钙质砂在吹填过程中产生弱胶结，可以提高吹填钙质砂的强度及其抗侵蚀能力。
参见图1和图3，远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置包括挖泥设备和吹填设备。船体1上布置有第一泥仓2、第二泥仓3、第三泥仓4和微生物处理设备。所述第一泥仓2、第二泥仓3和第三泥仓4分别用来储存不同处理程度的钙质砂。
所述第一泥仓2中安装有泥水分离装置。所述第一泥仓2的入料口与挖泥设备相连。所述挖泥设备吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓2中储放。所述第一泥仓2出料口与第二泥仓3进料口之间连接有螺旋输砂器5。
参见图2，所述螺旋输砂器5包括外筒501和螺旋杆502。所述外筒501的内腔围设出输料通道503。所述螺旋杆502安装在输料通道503内。所述螺旋杆502上缠绕有螺旋叶片504。所述外筒501的侧壁上设置有4个入料口。所述4个入料口沿钙质砂输送方向依次为CaCl2溶液入料口505、微生物悬浊液入料口Ⅰ506、微生物悬浊液入料口Ⅱ507和尿素溶液入料口508。
所述微生物处理设备包括CaCl2溶液储存罐6、微生物悬浊液储存罐16和尿素溶液储存罐11。
所述CaCl2溶液储存罐6通过CaCl2溶液入料口505与输料通道503连通。所述CaCl2溶液储存罐6的进料口与CaCl2溶液搅拌罐7之间有冷却装置22，用来降低新配置的CaCl2溶液的温度。出料口通过PVC管与CaCl2溶液入料口505相连。所述CaCl2溶液搅拌罐7与抽水泵8的出水口相连。所述抽水泵8的抽水管10伸入至海水中。抽水泵8抽取的海水与CaCl2溶液搅拌罐7中的工业CaCl2溶质搅拌均匀形成CaCl2溶液。所述CaCl2溶液输送至CaCl2溶液储存罐6中备用。
所述微生物悬浊液储存罐16的底部与微生物悬浊液注入主管17连接。所述微生物悬浊液注入主管17与两个分支管道连接。所述微生物悬浊液储存罐16通过两个分支管道分别与微生物悬浊液入料口Ⅰ506及微生物悬浊液入料口Ⅱ507连通。所述分支管道上设置有阀门20。
所述微生物悬浊液储存罐16布置在微生物储存室15中。所述微生物储存室15具有温度调控装置，使微生物储存室15保持一个较低温度，减缓微生物新陈代谢速度。所述微生物悬浊液储存罐16通过PVC管与多个微生物培养罐14连接。所述微生物培养罐14布置在微生物培养室13中。
所述尿素溶液储存罐11通过尿素溶液入料口508与输料通道503连通。所述尿素溶液储存罐11的进料口通过PVC管与尿素溶液搅拌罐12相连，出料口通过PVC管与尿素溶液入料口508相连。所述尿素溶液搅拌罐12与抽水泵8的出水口相连。所述抽水泵8的抽水管10伸入至海水中。抽水泵8抽取的海水与尿素溶液搅拌罐12中的工业尿素溶质搅拌均匀形成尿素溶液。所述尿素溶液输送至尿素溶液储存罐11中备用。
所述第三泥仓4的出料口与吹填设备相连。所述第三泥仓4的入料口和第二泥仓3的出料口之间连接有搅拌罐21。
工作时，所述第一泥仓2的泥水分离装置将吸取的钙质砂与海水分离。经第一泥仓2干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器5传输至第二泥仓3中。传输过程中，将CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液分别注入输料通道503中。待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合。首先注入CaCl2溶液可以帮助微生物牢固地吸附在钙质砂颗粒表面。所述CaCl2溶液入料口505与微生物悬浊液入料口Ⅰ506保持一定距离，这样可以保证在微生物悬浊液注入之前，CaCl2溶液能与钙质砂搅拌的比较均匀。所述微生物悬浊液入料口Ⅱ507和尿素溶液入料口508保持一定距离。所述螺旋输砂器5中的钙质砂在与CaCl2溶液和微生物培养液混合之后再与尿素溶液混合，可以防止微生物诱导碳酸钙沉积在螺旋输砂器5中过早发生，防止钙质砂过早胶结，堵塞管道。注入两次微生物培养液可以提高微生物在待处理钙质砂中分布的均匀性，根据需求也可增加或减少微生物培养液注入次数。经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐21。在搅拌罐21中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合，提高微生物及胶结溶液在钙质砂中分布的均匀程度。经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓4。吹填设备将传输至第三泥仓4中的钙质砂吹填到沉积造地施工区域。
值得说明的是，在螺旋输砂器5和搅拌罐21中，微生物促进尿素水解产生CO2，CO2遇水生成CO3 2+，CO3 2+与胶结溶液中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀来胶结钙质砂。钙质砂吹填后，微生物会继续促使海水中的Ca2+沉淀，来达到持续加固边坡的效果。本实施例增强了吹填钙质砂的胶结程度，提高吹填钙质砂的强度，进而提高岸坡稳定性及防冲刷能力。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置的施工方法，包括以下步骤：
1)将远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置布置就位，抛设边锚将船位固定好。
2)下放挖泥设备至海底。
3)开挖、吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓2中储放。直至该区域取砂土结束。
4)移至下一区域，重新固定船位，重复步骤3)。
5)第一泥仓2将吸取的钙质砂与海水分离。
6)取第一泥仓2干燥处理的待混合钙质砂，测试钙质砂的比重Gs、平均堆积密度ρ和平均含水量w，计算钙质砂的平均孔隙率n。
7)经第一泥仓2干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器5传输至第二泥仓3中。传输过程中，待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合。CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液的注入量由螺旋输砂器5的传输量Q控制。每个入料口注入溶液体积相同，注入体积由公式n*Q/ρ计算。
8)经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐21。在搅拌罐21中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合。经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓4。
9)吹填设备将传输至第三泥仓4中的钙质砂分层、分区域吹填到沉积造地施工区域。
Claims (8)
1.一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，包括挖泥设备和吹填设备，其特征在于：船体(1)上布置有第一泥仓(2)、第二泥仓(3)、第三泥仓(4)和微生物处理设备；
所述第一泥仓(2)中安装有泥水分离装置；所述第一泥仓(2)的入料口与挖泥设备相连；所述挖泥设备吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓(2)中储放。所述第一泥仓(2)出料口与第二泥仓(3)进料口之间连接有螺旋输砂器(5)；
所述螺旋输砂器(5)包括外筒(501)和螺旋杆(502)；所述外筒(501)的内腔围设出输料通道(503)；所述螺旋杆(502)安装在输料通道(503)内；所述螺旋杆(502)上缠绕有螺旋叶片(504)；所述外筒(501)的侧壁上设置有4个入料口；所述4个入料口沿钙质砂输送方向依次为CaCl2溶液入料口(505)、微生物悬浊液入料口Ⅰ(506)、微生物悬浊液入料口Ⅱ(507)和尿素溶液入料口(508)；
所述微生物处理设备包括CaCl2溶液储存罐(6)、微生物悬浊液储存罐(16)和尿素溶液储存罐(11)；所述CaCl2溶液储存罐(6)通过CaCl2溶液入料口(505)与输料通道(503)连通；所述微生物悬浊液储存罐(16)与微生物悬浊液注入主管(17)连接；所述微生物悬浊液注入主管(17)与两个分支管道连接；所述微生物悬浊液储存罐(16)通过两个分支管道分别与微生物悬浊液入料口Ⅰ(506)及微生物悬浊液入料口Ⅱ(507)连通；所述尿素溶液储存罐(11)通过尿素溶液入料口(508)与输料通道(503)连通；
所述第三泥仓(4)的出料口与吹填设备相连；所述第三泥仓(4)的入料口和第二泥仓(3)的出料口之间连接有搅拌罐(21)；
工作时，所述第一泥仓(2)的泥水分离装置将吸取的钙质砂与海水分离；经第一泥仓(2)干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器(5)传输至第二泥仓(3)中；传输过程中，CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液分别注入到输料通道(503)中；待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合；经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐(21)；在搅拌罐(21)中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合；经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓(4)；吹填设备将传输至第三泥仓(4)中的钙质砂吹填到沉积造地施工区域。
2.根据权利要求1所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述CaCl2溶液储存罐(6)的入料口通过PVC管与冷却装置(22)相连，出料口通过PVC管与CaCl2溶液入料口(505)相连；所述CaCl2溶液搅拌罐(7)一端与冷却装置(22)连接，另一端与抽水泵(8)的出水口相连；所述抽水泵(8)的抽水管(10)伸入至海水中；抽水泵(8)抽取的海水与CaCl2溶液搅拌罐(7)中的工业CaCl2溶质搅拌均匀形成CaCl2溶液；所述CaCl2溶液输送至CaCl2溶液储存罐(6)中备用；其中，所述CaCl2溶液的浓度为1.0mol/L～2.0mol/L。
3.根据权利要求1或2所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述分支管道上设置有阀门(20)。
4.根据权利要求1或3所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述微生物悬浊液储存罐(16)布置在微生物储存室(15)中；所述微生物储存室(15)具有温度调控装置。
5.根据权利要求1或3所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述微生物悬浊液储存罐(16)通过PVC管与多个微生物培养罐(14)连接。
6.根据权利要求5所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述微生物培养罐(14)布置在微生物培养室(13)中。
7.根据权利要求1所述的一种远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置，其特征在于：所述尿素溶液储存罐(11)的进料口通过PVC管与尿素溶液搅拌罐(12)相连，出料口通过PVC管与尿素溶液入料口(508)相连；所述尿素溶液搅拌罐(12)与抽水泵(8)的出水口相连；所述抽水泵(8)的抽水管(10)伸入至海水中；抽水泵(8)抽取的海水与尿素溶液搅拌罐(12)中的工业尿素溶质搅拌均匀形成尿素溶液；所述尿素溶液输送至尿素溶液储存罐(11)中备用；其中，所述尿素溶液的浓度为1.0mol/L～2.0mol/L。
8.一种关于权利要求1所述远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将远海钙质砂吹填微生物弱胶结装置布置就位，抛设边锚将船位固定好；
2)下放挖泥设备至海底；
3)开挖、吸取海底钙质砂，并输送至第一泥仓(2)中储放；直至该区域取砂土结束；
4)移至下一区域，重新固定船位，重复步骤3)；
5)第一泥仓(2)将吸取的钙质砂与海水分离；
6)取第一泥仓(2)干燥处理的待混合钙质砂，测试钙质砂的比重Gs、平均堆积密度ρ和平均含水量w，并计算钙质砂的平均孔隙率n；
7)经第一泥仓(2)干燥处理的待混合钙质砂通过螺旋输砂器(5)传输至第二泥仓(3)中；传输过程中，待混合钙质砂在混流中依次与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液初步搅拌混合；CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液的注入量由螺旋输砂器(5)的传输量Q控制；每个入料口注入溶液体积相同；
8)经初步搅拌混合的钙质砂传输至搅拌罐(21)；在搅拌罐(21)中钙质砂与CaCl2溶液、微生物悬浊液和尿素溶液充分搅拌混合；经充分搅拌混合的钙质砂传输至第三泥仓(4)；
9)吹填设备将传输至第三泥仓(4)中的钙质砂分层、分区域吹填到沉积造地施工区域。
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