污染水體中疏浚底泥原位深度分級技術探討

摘""要：底泥疏浚是污染水體治理工作中的重要環節。目前，主流的疏浚底泥處理技術過于粗放，存在產物出路單一、產量巨大、運行成本高、有價資源浪費、土地資源占用、二次污染風險大等一系列缺點。在我國加快經濟社會發展全面綠色轉型，大力推進美麗中國建設的大背景下，亟須開發一種先進的疏浚底泥原位深度分級技術，以實現底泥的源頭減量和有價組分的分質資源化利用。系統分析了疏浚底泥原位深度分級技術的基本思路、工藝路線、顯著優勢及應用場景，并對未來需要深入開展的研究工作進行了歸納和總結，以期為相關科學技術人員提供有價值的參考。

關鍵詞：疏浚底泥""原位""分級""分質""資源化

中圖分類號：X703

Discussion"on"In-Situ"Depth"Grading"Technology"for"Dredged"Sediment"of"Polluted"Water"Bodies

PANG"Zongqiang1""ZHANG"Xiaoxiao2*""ZHAO"Yan3

1."Zhongbing"（Shandong）"Environmental"Engineering"Co."，"Ltd.，"Linyi，"Shandong"Province，"276000"China;"2."Shandong"Century"Sunshine"Paper"Group"Co.，"Ltd.，"Weifang，"Shandong"Province，"262400"China;"3."Shenyang"Academy"of"Environmental"Sciences，"Shenyang，"Liaoning"Province，"110167"China

Abstract："Sediment"dredging"is"an"important"part"of"treatment"work"for"polluted"water"bodies."At"present，"the"mainstream"treatment"technology"for"dredged"sediment"is"too"extensive，"with"a"single"product"outlet，"huge"output，"high"operating"costs，"waste"of"valuable"resources，"occupation"of"land"resources，"and"high"risk"of"secondary"pollution."Under"the"backgroundnbsp;of"accelerating"the"comprehensive"green"transformation"of"China's"economic"and"social"development"and"vigorously"promoting"the"construction"of"a"beautiful"China，"it"is"urgent"to"develop"an"advanced"in-situ"deep"grading"technology"for"dredged"sediment，"which"can"realize"the"source"reduction"of"sediment"and"the"property-classified"utilization"of"valuable"components."This"article"systematically"analyzes"the"basic"ideas，"process"routes，"significant"advantages"and"application"scenarios"of"in-situ"deep"grading"technology"for"dredged"sediment，"and"summarizes"the"future"research"works"which"need"to"be"carried"out"in"depth，"in"order"to"provide"valuable"reference"for"relevant"scientific"and"technical"personnel.

Key"Words："Dredged"sediment;"In-situ;"Grading;"Quality-classified;"Resource"utilization

黑臭水體是直接影響我國居民生活和生產的突出水環境問題。底泥是營養物、重金屬、有機污染物的主要聚積庫，因此是造成水體污染和生態系統破壞的最重要內源[1，2]。相關研究表明，即使在外源得到有效控制的前提下，由于物理和生物等因子的作用，底泥中累積的污染物質仍可能釋放出來，導致水體長期維持富營養化。因此，底泥治理正在受到越來越多的關注[3-5]。

疏浚技術由于能夠將沉積底泥從水體系統中完全去除，避免內源污染物向上覆水體釋放，從而較明顯地改善水質，提升水體的長期安全性，目前得到了越來越廣泛的應用[6，7]。然而，疏浚底泥的處理處置難度較大，存在二次污染風險，限制了此類技術的推廣和發展。傳統的底泥處理處置方式為無差別式統一自然脫水后干化填埋。隨著城鎮經濟的高速發展和居民生活水平的快速提高，底泥中各類污染物的濃度越來越高，傳統處理方式將對堆放場地的土壤和地下水造成較大環境風險；同時，底泥往往散發出異味氣體，造成堆放場地周邊空氣污染，蚊蠅孽生，對人體健康構成損害。此外，填埋的處置方式不僅造成有價組分的浪費，還占用了大量寶貴的土地資源，并非底泥的最佳歸宿。

由于傳統疏浚底泥處理處置技術偏于粗放，對不同粒徑、不同有機質和污染物含量的底泥顆粒采用無差別的處理手段，因此，造成底泥產物的出路單一且產量巨大，從而引起處理能耗提高、可再生資源浪費、土地資源占用、二次污染增加等一系列問題。鑒于上述缺陷，一些研究人員已經提出了基于分級思想的底泥資源化利用方法。已有研究表明，底泥中的有機物及重金屬污染物均主要富集于細小輕質的固相顆粒中，而在結構相對密實的粗大顆粒中含量較低[8]。因此，基于不同粒徑和密度的底泥顆粒，采用分級分質處理的技術策略，能夠減少底泥處理土地占用，降低二次污染風險，為我國黑臭水體的治理帶來一個嶄新而先進的思路。

1"疏浚底泥原位深度分級技術原理

強化底泥中不同密度顆粒分離的程度，獲得較好的分級效果，需要強化兩個關鍵技術環節：（1）強化不同顆粒之間的密度差異，即通過某些技術手段將固相顆粒中的有機組分與無機組分充分剝離，使固相顆粒大體呈現出輕質有機集合和重質無機集合的兩極分布，減少有機和無機粘連的中間態集合；（2）強化不同密度顆粒的固-液兩相流動特性差異，即通過某些技術手段加強固相顆粒中的輕質有機集合和重質無機集合在液相流體的夾帶下，所呈現出的流動特性之間的差異，從而為二者的深度分離奠定基礎。

超聲空化是在超聲波的正壓期間分子結構形成空虛，射強超聲波于液體中產生溶解氣體或液體蒸氣的氣泡成長而爆烈、消滅的現象。一定強度的超聲波作用于液體介質（底泥漿液）時，介質中會產生大量的空化氣泡，這些氣泡在超聲作用下不斷振動。當聲壓超過閾值時，空化氣泡會出現劇烈的壓縮、膨脹，然后瞬間崩裂，形成瞬間熱點，產生高溫（5"000"K）、高壓（5.0×104"kPa）與強烈的水力剪切力（射流，時速達400"km）。水力剪切對底泥固相顆粒產生強烈的攪拌作用，使一些附著于原生礦物、粘土礦物等密實無機組分表面的生物碎屑、腐殖質、蛋白質、脂肪、多糖、難降解有機污染物等輕質有機組分剝離、脫落，從而促進底泥中不同密度固相物的分離，提高后續水力旋流環節的處理效果。

離心沉降是一種基于混合物中各組分質量差異的分離技術。當夾帶不同密度固相顆粒的漿液通過漸開線、切線或螺旋線的方式以一定速度進入旋流器筒體后，由于受固定筒體壁的約束，漿液中的固相顆粒在筒體內的運動均由切向、軸向和徑向組成。在強大離心力場的作用下，固相顆粒首先沿器壁以螺旋線方式向下運動，形成外旋流。但因旋流器下部為錐體，其斷面面積向下逐漸縮小，流速越來越大，致使底流口無法將全部外旋流排出。沿程中，密度低的顆粒將逐漸脫離外旋流，以螺線渦的形式向內遷移，越接近底流口，內遷的量越大。這部分呈螺線渦形式內遷的低密度顆粒只能調轉方向向上運動，形成內旋流并從上部溢流管排出。最終，高、低密度顆粒分別以外、內旋流的形式從底流口和溢流口排出，達到固相顆粒分級的目的。

因此，利用空化效應、結團絮凝、離心沉降等原理，通過“振動篩分+超聲波振蕩+結團絮凝+兩級水力旋流”的技術路線，預計可以較好地實現疏浚底泥的原位深度分級目標。按照上述流程，底泥在疏浚過程中完成原位多級固-固分離，產生有機質含量不同的3個部分，其中大塊砂石簡單淋洗后直接還河，貧有機質產物（有機物含量約4%～9%）可以作為建材利用，富有機質產物（有機物含量約23%～27%）可以堆肥利用，同時后兩部分產物的重金屬等污染物含量均低于相應的標準限值，例如《城鎮污水處理廠污泥處置"制磚用泥質》（CJ/T"289—2008）和《城鎮污水處理廠污泥處置"園林綠化用泥質》（GB/T"23486—2009），從而實現了疏浚底泥源頭減量、分類運輸、分類處理以及分質資源化利用的有益效果。

2"疏浚底泥原位深度分級工藝路線

想要加深底泥中不同密度顆粒分離的程度，獲得較好的分級效果，需要強化兩個關鍵技術環節：

（1）強化不同顆粒之間的密度差異，即通過某些技術手段將固相顆粒中的有機組分與無機組分充分剝離，使固相顆粒大體呈現出輕質有機集合和重質無機集合的兩極分布，減少有機和無機粘連的中間態集合。

（2）強化不同密度顆粒的固-液兩相流動特性差異，即通過某些技術手段加強固相顆粒中的輕質有機集合和重質無機集合在液相流體的夾帶下，所呈現出的流動特性之間的差異，從而為二者的深度分離奠定基礎。

因此，利用空化效應、結團絮凝、離心沉降等原理，通過“振動篩分+超聲波振蕩+結團絮凝+兩級水力旋流”的技術路線，預計可較好地實現疏浚底泥的原位深度分級目標。按照上述流程，底泥在疏浚過程中完成原位多級固-固分離，產生有機質含量不同的三個部分，其中大塊砂石簡單淋洗后直接還河，貧有機質產物（有機物含量約4%～9%）可作建材利用，富有機質產物（有機物含量約23%～27%）可堆肥利用，同時后兩部分產物的重金屬等污染物含量均低于相應的標準限值（如GB/T"23486-2009和CJ/T"289-2008），從而實現了疏浚底泥源頭減量、分類運輸、分類處理以及分質資源化利用的有益效果。

超聲波振蕩環節的工作原理是空化效應。一定強度的超聲波作用于液體介質（底泥漿液）時，介質中會產生大量的空化氣泡，這些氣泡在超聲作用下不斷振動，當聲壓超過閾值時空化氣泡會出現劇烈的壓縮、膨脹，然后瞬間崩裂，形成瞬間熱點，產生高溫（5000K）、高壓（5.0×104"kPa）以及強烈的水力剪切力（射流，時速達400"km）。水力剪切對底泥固相顆粒產生強烈的攪拌作用，使一些附著于原生礦物、粘土礦物等密實無機組分表面的生物碎屑、腐殖質、蛋白質、脂肪、多糖、難降解有機污染物等輕質有機組分剝離、脫落，從而促進底泥中不同密度固相物的分離，提高后續水力旋流環節的處理效果。

底泥深度分級的核心裝備是水力旋流器，其工作原理是離心沉降。當夾帶不同密度固相顆粒的漿液通過漸開線、切線或螺旋線的方式，以一定速度進入旋流器筒體后，由于受固定筒體壁的約束，漿液中的固相顆粒在筒體內的運動均由切向、軸向和徑向組成。在強大離心力場的作用下，固相顆粒首先沿器壁以螺旋線方式向下運動，形成外旋流。但因旋流器下部為錐體，其斷面面積向下逐漸縮小，流速越來越大，致使底流口無法將全部外旋流排出。沿程中，密度低的顆粒將逐漸脫離外旋流，以螺線渦的形式向內遷移，越接近底流口內遷的量越大。這部分呈螺線渦形式內遷的低密度顆粒，只能調轉方向向上運動，形成內旋流并從上部溢流管排出。最終，高、低密度顆粒分別以外、內旋流的形式從底流口和溢流口排出，達到固相顆粒分級的目的。

根據上述基本技術思路，筆者設計了一套污染水體疏浚底泥原位深度分級工藝系統[9]，其流程如圖1所示。整個原位分級系統分為3個基本功能模塊，分別為底泥輸送模塊、深度分級模塊以及機械脫水模塊。底泥輸送模塊的作用是實現疏浚工作區域與周圍水體的隔離，完成底泥含水率的調節、泥漿均質化以及向系統的輸送進料。該模塊由疏浚圍堰、底泥攪拌機及潛水吸泥泵3個關鍵設施或設備組成。深度分級模塊是工藝系統的核心，其功能是完成底泥的超聲振蕩、絮凝調質、多級分離，實現單一來源的底泥在疏浚過程中的動態分級，同時向后續模塊輸出有機質含量不同的三部分產物。該模塊由高頻振動篩、一級振蕩調整池、一級旋流器、1#二級調整池、2#二級調整池、1#二級旋流器、2#二級旋流器及三級調整池等關鍵設備組成。機械脫水模塊的作用是完成由深度分級模塊輸入的三部分產物的脫水減量及尾水凈化。該模塊由高頻脫水篩、底流沉淀池、溢流沉淀池、穩定劑溶藥裝置、絮凝劑溶藥裝置、1#高壓壓濾設備、2#高壓壓濾設備及尾水處理設備組成。

圖1""污染水體疏浚底泥原位深度分級工藝流程圖

該工藝系統的工作過程如下：（1）對待處理底泥進行取樣和基本特性測試，掌握粒徑分布、不同粒徑有機質和重金屬含量等基本信息，據此完成水力旋流器設計或選型；（2）確定疏浚工作區域，構筑疏浚圍堰，將工作區域與四周水體隔離；（3）在疏浚圍堰內進行抽水作業，之后開啟底泥攪拌機，使圍堰內形成含固率為3%～8%的底泥泥漿；（4）開啟潛水吸泥泵，將底泥泥漿抽吸至高頻振動篩，篩出粒徑在1"mm以上的大塊砂石，經穩定劑簡單淋洗后進入高頻脫水篩，脫水后直接還河；（5）剩余泥漿進入一級振蕩調整池，在適當的聲能密度和振蕩時間下處理，之后加入適量的絮凝藥劑（即PAC和PAM）進行調理，最后以合適的流量（5～30"m3/h）加壓輸送至一級旋流器，初步分離為低有機質的一級底流和高有機質的一級溢流；（6）一級底流經過1#二級調整池調節均一穩定后，加壓輸送至1#二級旋流器，進一步分離為二級底流（有機質含量更低）和二級溢流（有機質含量接近一級溢流），分別進入底流沉淀池和溢流沉淀池；（7）一級溢流經過2#二級調整池調節均一穩定后，加壓輸送至2#二級旋流器，進一步分離為二級溢流（有機質含量更高）和二級底流（有機質含量接近原始底泥泥漿），分別進入溢流沉淀池和三級調整池；（8）三級調整池的泥漿回流至疏浚圍堰內，再次進入處理系統實現循環分離；（9）底流/溢流沉淀池的泥漿，其固相顆粒經過脫穩、破膠、結團、混凝和沉淀過程，實現脫水性能的顯著提高和初步固液分離；（10）上述兩池內的濃縮泥漿分別加壓輸送至1#高壓壓濾設備和2#高壓壓濾設備，完成機械脫水后，由封閉運輸車外運，以不同路徑開展資源化利用（即建材和堆肥原料）；（11）高頻脫水篩的出水、底流/溢流沉淀池的上層水以及1#和2#高壓壓濾設備的濾液均送入尾水處理設備，凈化處理后一部分返回1#二級調整池，剩余則回排至水體。

本套疏浚底泥原位深度分級工藝首次同時引入兩級水力旋流、超聲波振蕩技術，并首次利用第二級旋流器同時對第一級旋流器的溢流和底流進行二次分離，與現有技術相比，具有以下優勢。

（1）能夠將污染水體原始底泥在疏浚過程中深度分離為有機質含量不同的3個部分，并分質進行差異化處理或資源化利用，有效實現了底泥處理的減量化，降低了總體運行成本，并且充分回收了各種有價組分，經濟和社會效益顯著提高。

（2）獲得的貧有機質產物的無機質含量更高，脫水性能更好，壓濾泥餅含水率可以直接滿足制磚用泥質要求。

（3）獲得的富有機質產物的有機質含量更高，堆肥性能更好，堆肥產物可以直接滿足園林綠化用泥質要求，從而實現底泥的大規模土地利用。

（4）系統產生的脫水泥餅穩定性高且含水率低，可以直接外運，節約了大量的土地資源，同時尾水得到有效凈化，顯著降低了二次污染風險。

3"疏浚底泥原位深度分級應用場景

根據疏浚底泥原位深度分級技術的特點，其具體應用場景主要為有機類污染占主導的中小型水體，如水面寬度不超過50"m、水深不超過2"m、原始底泥有機質含量在11%以上的城鎮黑臭水體。同時，水體堤岸應具備足夠的平整堅實場地，以保障系統設備和運輸車輛進出、停靠、安裝和作業的基本空間。

4"結論與建議

疏浚底泥原位深度分級作為一種潛力巨大，優勢顯著的底泥處理技術，具有十分廣闊的市場空間。然而，想要提高此項技術對國內污染水體底泥的適用性，目前仍存在一些關鍵科學和技術環節有待改進。筆者認為，未來需要在實驗研究方面開展以下4項工作。

（1）國內典型黑臭水體底泥基本特性及污染物調查。開展實地踏勘、采樣及分析，了解各種典型底泥的pH、粒徑分布、密度、含砂率、含泥率、有機質含量、重金屬含量等基本數據，建立底泥基本特性及污染物含量數據庫，為開展針對性小試實驗及工程設備選型奠定基礎。（2）超聲波振蕩預處理關鍵技術研究。探索超聲波振蕩對底泥固相顆粒輕質有機組分沖擊、剝離的作用機理和影響規律，明確針對各種典型底泥的超聲波振蕩最優工藝參數。（3）水力旋流器型式及結構優化研究。針對不同特性底泥，充分利用計算流體力學軟件開展數值模擬研究，探究底泥特性、入口條件以及旋流器結構和型式對深度分級效果的影響規律，為工程應用中核心裝備的設計、選型及工況設定提供理論依據。（4）模塊化集成裝備設計研發。基于模塊化設計方法，圍繞以功能為出發點的設計理念，通過空間布局模塊化功能分析，利用三維建模和模型渲染等手段完成虛擬空間布局，設計研發撬裝式和移動式集成裝備，進一步壓縮工藝系統的作業空間需求，拓寬原位深度分級技術的應用場景。

參考文獻

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