河道疏浚底泥脫水技術(shù)及工藝優(yōu)化研究進(jìn)展

李青 熊剛

（中鐵環(huán)境科技工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

1 引言

我國(guó)水系發(fā)達(dá)，近些年我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，河道水土流失和水體污染問(wèn)題引起關(guān)注。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，每年大約有上億噸泥沙沉積在自然或人工水體中［1］。另外，伴隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水排入河道，泥沙的淤積和進(jìn)入河流的污染物會(huì)使自然水體的自凈功能嚴(yán)重減弱，甚至導(dǎo)致水體喪失基本功能［2］，因此河道綜合整治工程已成為環(huán)境保護(hù)中的研究熱點(diǎn)，其中，污染底泥處理處置工程是重要部分。

近些年來(lái)，環(huán)保疏浚行業(yè)快速發(fā)展，使得疏浚底泥大量產(chǎn)生，這些疏浚底泥含有許多動(dòng)植物殘?bào)w，有機(jī)物含量高，且污染成分復(fù)雜［3-4］。同時(shí)，疏浚底泥體積龐大，含水率高，不利于后續(xù)儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處置，因此底泥脫水顯得十分重要［5］。脫水是從底泥絮體中去除水，從而減少需要最終處置的底泥量，降低底泥處置成本［6］。本文綜述了目前底泥脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀與劣勢(shì)，總結(jié)了底泥脫水技術(shù)發(fā)展過(guò)程中脫水調(diào)理劑以及脫水設(shè)備工藝的優(yōu)化，以期為底泥脫水技術(shù)在我國(guó)的實(shí)踐與推廣應(yīng)用提供參考，并針對(duì)底泥脫水技術(shù)的發(fā)展方向提出建設(shè)性建議。

2 河道疏浚底泥脫水技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，人們開(kāi)始關(guān)注縮減底泥體積、控制污染物釋放的方法以及如何將底泥在后續(xù)資源化利用時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)處理方法作用位置的不同，河道污染底泥分為原位處理與異位處理2 種方式。原位處理技術(shù)即在處理時(shí)保持底泥所處位置不變，用數(shù)層性質(zhì)穩(wěn)定的覆蓋材料完全遮蓋底泥表面，底泥與上覆水體不直接接觸，阻斷兩者間的物質(zhì)交換，防止污染物向水體釋放［7］。這種簡(jiǎn)單的處理方法不需要處理底泥，但這種方法只能在一定程度上防止底泥中的污染物釋放到水體中，而且底泥也只能留在原地，不能資源化利用。相比較來(lái)說(shuō)，原位處理費(fèi)用低廉，但是污染底泥原位處理技術(shù)暫時(shí)沒(méi)有成規(guī)模的工程經(jīng)驗(yàn)，目前還處于實(shí)驗(yàn)室和中試階段，在實(shí)地實(shí)施過(guò)程中存在控制困難和處理效率低下等缺點(diǎn)，使其目前還沒(méi)有得到大規(guī)模的廣泛應(yīng)用。

異位處理是通過(guò)機(jī)械施工的方式將受到污染的底泥從河底提取后再進(jìn)行處理。目前國(guó)內(nèi)外最常用、最有效的異位處理方法是使用絞吸船、抓斗船、挖掘機(jī)等進(jìn)行疏浚［8］，這是現(xiàn)有科技水平下消除內(nèi)源性污染的最佳途徑。使用該方法清除河底表層受污染的底泥，可以有效達(dá)到改善水質(zhì)的目標(biāo)。與原位處理方式相比，異位處理的方式比較復(fù)雜，但是也較為徹底，可清除底泥中污染物，從而杜絕其向上覆水體釋放。然而異位處理也有著較大的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的疏浚底泥的含水率往往高達(dá)95%以上［9］，這使得異位處理的工程量非常大，因此降低底泥的含水率就成為底泥處理的重要研究方向。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外常用的對(duì)底泥進(jìn)行脫水干化的方法主要包括以下4 種。

2.1 自然干化

自然干化在工程中應(yīng)用較早，是一種很經(jīng)典的處理方式。在閑置的空地上堆放通過(guò)疏浚清淤得到的底泥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的風(fēng)吹日曬，底泥中的水分會(huì)因?yàn)樽匀幌聺B、蒸發(fā)等而自行降低［10］。操作簡(jiǎn)單，處理方便，這是自然干燥法的主要優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，受土地、氣候和工期的限制，自然干化無(wú)法成為底泥處理處置的主流方法。

2.2 電滲析法

電滲析法是當(dāng)下一種效果較好的底泥脫水方法，根據(jù)它的反應(yīng)機(jī)理，多數(shù)研究人員傾向于將常規(guī)的處理方式與電化學(xué)相結(jié)合。帶有正電荷的水分子會(huì)在外加直流電場(chǎng)的強(qiáng)制作用下向陰極移動(dòng)，這樣會(huì)使底泥的泥水分離過(guò)程更加容易。陳雄峰等［11］利用電滲析法對(duì)太湖環(huán)保疏浚底泥進(jìn)行脫水研究，經(jīng)過(guò)240 h 的電滲析法脫水之后，底泥的含水率從開(kāi)始的38.72%降至32.85%，可見(jiàn)電滲析法可在較短時(shí)間內(nèi)脫去底泥中的水分。

電滲析脫水的效率主要取決于電場(chǎng)強(qiáng)度、添加的脫水劑、溶液pH 等。但電滲析法具有高能耗和高成本的缺陷，直接導(dǎo)致其無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用在底泥處置工程中。

2.3 土工管袋法

在土工管袋中裝滿疏浚底泥，在管袋外部施加壓力來(lái)促使泥水分離，這就是土工管袋的工作原理。脫水過(guò)程主要包括3 個(gè)環(huán)節(jié)：（1）填充。在土工管袋中裝滿疏浚底泥，目前通常在土工管袋中加入一定量的調(diào)理劑來(lái)提高底泥的脫水效率。（2）過(guò)濾。底泥中的水分在壓力的作用下從土工管袋內(nèi)過(guò)濾排出，而底泥因土工管袋阻攔滯留在原地，實(shí)現(xiàn)泥水分離。（3）固化處理。泥水分離后，底泥隨同土工管袋一同運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)做填埋處理，或選擇合適的手段進(jìn)行循環(huán)利用。

現(xiàn)如今，使用土工管袋脫水技術(shù)降低底泥含水率已經(jīng)比較成熟。王琦等［12］使用土工管袋脫水固結(jié)技術(shù)處理無(wú)錫市梅梁湖底泥，通過(guò)調(diào)整土工管袋的結(jié)構(gòu)，改變調(diào)理劑用量，探究影響底泥脫水的因素。其得到的結(jié)論是：當(dāng)陽(yáng)離子型PAM 的加入量控制在0.6‰～1‰時(shí)，使用0.5 mm 管袋材料孔徑可使底泥脫水效率最佳。天津生態(tài)城某污泥處理廠選擇使用脫水藥劑來(lái)提高底泥的脫水效率，改善土工管袋法的脫水固結(jié)效果。

2.4 機(jī)械設(shè)備脫水

用機(jī)械設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)底泥的泥水分離是現(xiàn)今一種比較常見(jiàn)的方式。劉宏等［13］對(duì)官渡區(qū)海河疏浚底泥進(jìn)行研究試驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)于有機(jī)物含量較高的疏浚底泥，分子量為1 500 萬(wàn)、水解度為14%的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）絮凝效果和濃縮后泥漿板框壓濾脫水效果及出水水質(zhì)較好，隔膜板框壓濾擠壓時(shí)間30 min，泥餅含水率可降至40%以下。汪生杰［14］對(duì)武漢龍陽(yáng)湖疏浚底泥采用離心脫水系統(tǒng)進(jìn)行干化處理，采用聚丙烯酰胺（PAM）作為調(diào)理劑，完成泥漿調(diào)理和泥水即時(shí)分離，最終得到了平均含固率約為30%的泥餅。呂斌等［15］在武漢使用板框壓濾法治理東湖底泥，通過(guò)測(cè)量底泥比阻，論證該方法的處理效果。其通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，CaO 和PAC 等調(diào)理劑，能使底泥的脫水性能顯著提升。

疏浚底泥各種脫水干化方式優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 疏浚底泥脫水干化方式優(yōu)缺點(diǎn)

3 脫水調(diào)理劑研究進(jìn)展

如今單獨(dú)使用機(jī)械脫水方法已不能滿足實(shí)際工作需求，在底泥進(jìn)行機(jī)械脫水之前要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理以增強(qiáng)脫水效果。要改善底泥的脫水性能，通常需要通過(guò)物理、化學(xué)或物理化學(xué)聯(lián)合調(diào)理作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。底泥經(jīng)調(diào)理后組織結(jié)構(gòu)會(huì)改變，黏性降低，不僅脫水壓力減小，而且脫水后底泥的含固率明顯提高。

市面上常見(jiàn)的調(diào)理劑目前主要可以分成2 類，即有機(jī)調(diào)理劑和無(wú)機(jī)調(diào)理劑。無(wú)機(jī)調(diào)理劑可以進(jìn)一步劃分為無(wú)機(jī)低分子調(diào)理劑和無(wú)機(jī)高分子調(diào)理劑2種。最為傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)低分子調(diào)理劑包括以硫酸鋁、明礬等為代表的鋁鹽和以三氯化鐵、硫酸鐵等為代表的鐵鹽。無(wú)機(jī)高分子調(diào)理劑相對(duì)而言處理效果更好，價(jià)格也較低。無(wú)機(jī)調(diào)理劑通常價(jià)廉易得，但需要大量投加，反應(yīng)完成后會(huì)產(chǎn)生較多沉淀，而且需要進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)其處理效果［20］。

有機(jī)調(diào)理劑目前主要有2 種，即天然成分和人工合成。有機(jī)調(diào)理劑均為具有良好水溶性的線型聚合物，其優(yōu)勢(shì)是使用時(shí)投加量少、反應(yīng)迅速、針對(duì)性強(qiáng)等，同時(shí)能有效降低泥餅含水率。但是有機(jī)調(diào)理劑價(jià)格昂貴，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生可能引起“三致”效應(yīng)（即致畸、致癌、致突變）的有毒單體，這導(dǎo)致有機(jī)調(diào)理劑不能廣泛使用。

現(xiàn)如今需要處理的底泥比較復(fù)雜，使用單一調(diào)理劑已無(wú)法達(dá)到處理要求，為了充分發(fā)揮無(wú)機(jī)和有機(jī)2 種調(diào)理劑的優(yōu)勢(shì)，研究者們開(kāi)始關(guān)注復(fù)合調(diào)理劑。表2 列出了目前在底泥脫水中采用的調(diào)理劑及其對(duì)脫水過(guò)程的優(yōu)化效果。無(wú)機(jī)、有機(jī)復(fù)合調(diào)理劑將兩者優(yōu)勢(shì)集于一體，調(diào)理效果更加優(yōu)越，在未來(lái)的研究和應(yīng)用中會(huì)有更廣闊的空間。

表2 調(diào)理劑作用于底泥脫水的優(yōu)化效果

4 底泥脫水設(shè)備工藝優(yōu)化研究進(jìn)展

4.1 帶式壓濾脫水機(jī)

底泥進(jìn)入濾布帶疊加形成的工作空間后，通過(guò)滾輪旋轉(zhuǎn)從外側(cè)擠壓濾布來(lái)完成底泥的泥水分離，這就是帶式壓濾脫水機(jī)的工作原理。其構(gòu)造通常包括濾布帶、滾輪、張力調(diào)整輪、限位器、限速器、沖洗水槍等。國(guó)內(nèi)很早就引進(jìn)了帶式壓濾機(jī)技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)支持目前已經(jīng)非常成熟。在底泥日處理量變化波動(dòng)較大時(shí)，適合使用帶式壓濾脫水機(jī)。帶式壓濾機(jī)工作時(shí)不需要繁雜的操作，工作效率高，處理量?jī)H次于板框式壓濾機(jī)。帶式壓濾脫水機(jī)工作時(shí)可連續(xù)運(yùn)行，沒(méi)有保壓過(guò)程，故得到的成品含水率通常為80%～85%，目前仍然需要做進(jìn)一步的研究?jī)?yōu)化。

4.2 離心脫水機(jī)

離心式脫水機(jī)的核心部件是離心滾筒。螺旋輸送器將泥漿送進(jìn)離心式脫水機(jī)內(nèi)部后，離心滾筒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生巨大離心力。底泥在離心力作用下被甩至離心滾筒內(nèi)壁，水受到的離心力小，從底泥中析出暫時(shí)停留在泥漿層表面，并因?yàn)榕c底泥之間附著力較弱而逐漸下落流出，這樣就實(shí)現(xiàn)了底泥的泥水分離。離心脫水機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，且需要消耗大量電能，同時(shí)操作人員需要具備一定的專業(yè)素質(zhì)，通過(guò)離心脫水，底泥的含水率會(huì)下降至75%左右，離心機(jī)處理效果滿足不了實(shí)際需求，還需要頻繁進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，所以目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多。

4.3 壓榨式壓濾機(jī)

壓榨式壓濾機(jī)工作時(shí)主要通過(guò)機(jī)械壓榨的形式進(jìn)行泥水分離。壓榨式壓濾機(jī)品種繁多，目前廣泛應(yīng)用的有螺旋式、擰干式、活塞式、壓榨過(guò)濾式、沖壓式等。壓榨式壓濾機(jī)加壓時(shí)間比較長(zhǎng)，處理效果卓越，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常用于處理標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的污水。壓榨式壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，維修方便，但由于作用時(shí)間較長(zhǎng)，容易影響工期，并不適合用于處理城市底泥。在各種壓榨式壓濾機(jī)中，旋轉(zhuǎn)擠壓壓濾機(jī)工作效率最高，可以一定程度上解決傳統(tǒng)機(jī)型處理速度慢的問(wèn)題。但該設(shè)備對(duì)于壓榨底泥的黏度等性質(zhì)有嚴(yán)格要求，為了滿足條件通常需要向泥漿中加入各種調(diào)理劑，而且設(shè)備對(duì)動(dòng)力要求嚴(yán)格，工作時(shí)耗電量很大。另外，壓榨式壓濾機(jī)日處理量較小，不適合用于完成工程量較大的任務(wù)。

4.4 板框式壓濾脫水機(jī)

板框式壓濾脫水機(jī)的工作原理是先用泥漿充滿濾板之間的過(guò)濾空間，外部施加壓力擠壓濾板將水分?jǐn)D出，在濾布的過(guò)濾作用下，實(shí)現(xiàn)底泥的泥水分離。常見(jiàn)的板框式壓濾脫水機(jī)構(gòu)造包括支撐架、液壓系統(tǒng)、濾板、進(jìn)氣系統(tǒng)、濾布反沖系統(tǒng)和限位器等。板框式壓濾脫水機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是能最大限度降低底泥含水率，處理效果優(yōu)異［26］。板框式壓濾脫水機(jī)日處理量最大，在污水處理廠使用最多。設(shè)備集成化與功能模塊化程度高，操作培訓(xùn)容易，維修保養(yǎng)不復(fù)雜。但其進(jìn)行工作時(shí)，需要指定專人看管。

疏浚底泥脫水設(shè)備性能優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 疏浚底泥脫水設(shè)備性能優(yōu)缺點(diǎn)

5 結(jié)論與展望

綜上所述，底泥含水率過(guò)高已成為底泥處理處置的瓶頸。（1）目前底泥主要采用異位處理方法，常用的底泥脫水技術(shù)有自然干化、離心法、電滲析法、土工管袋法、板框壓濾法。本文對(duì)底泥脫水的常用技術(shù)進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出了各種脫水技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。常規(guī)脫水后底泥的含水率通常在75%～85%，并不能滿足后續(xù)一些處理處置措施對(duì)污泥含水率的要求。（2）通過(guò)添加調(diào)理劑，可極大改善和加快底泥脫水的過(guò)程，降低底泥的含水率。本文同時(shí)對(duì)底泥脫水調(diào)理劑進(jìn)行調(diào)研，分析比較了有機(jī)調(diào)理劑和無(wú)機(jī)調(diào)理劑作用于底泥脫水的優(yōu)化效果，發(fā)現(xiàn)單一調(diào)理劑作用效果有限，復(fù)合調(diào)理效果更好。（3）闡述了帶式壓濾機(jī)、離心脫水機(jī)、壓榨式壓濾機(jī)、板框壓濾機(jī)的工作機(jī)理，比較了不同設(shè)備性能的優(yōu)缺點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)板框壓濾機(jī)脫水處理效率高、脫水效果好，更能適應(yīng)底泥的深度脫水。

針對(duì)目前疏浚底泥脫水技術(shù)的研究現(xiàn)狀及運(yùn)行實(shí)踐中面臨的問(wèn)題，本文對(duì)未來(lái)研究提出幾點(diǎn)建議：一是加強(qiáng)底泥脫水調(diào)理劑的技術(shù)攻關(guān)，深入研究污泥微生物絮體的性質(zhì)，篩選出最適合的調(diào)理劑，提高脫水效率、降低污泥含水率；優(yōu)化調(diào)理工序控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)污泥最佳脫水性能。二是疏浚環(huán)節(jié)對(duì)底泥的性質(zhì)影響較大，需加強(qiáng)對(duì)疏浚工序的質(zhì)量控制，保證底泥具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。國(guó)內(nèi)底泥成分差異大，容易造成設(shè)備磨損和堵塞，需加強(qiáng)對(duì)脫水設(shè)備關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。三是底泥脫水是疏浚處理工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)槊撍梢詼p少底泥堆放體積，方便儲(chǔ)存和運(yùn)輸以及后續(xù)的處理處置。如何盡量減少底泥對(duì)環(huán)境的影響，又能高效低耗處置底泥，是黑臭水體治理工作的研究發(fā)展方向。底泥含水率高，運(yùn)輸困難，污染成分不明確，僅依靠機(jī)械脫水無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，今后以機(jī)械脫水為主，結(jié)合多種輔助性脫水技術(shù)的組合型工藝及設(shè)備，將成為河道疏浚底泥脫水的研究發(fā)展方向。隨著技術(shù)的進(jìn)展，這種集成脫水技術(shù)將得到越來(lái)越多的應(yīng)用。