疏浚泥漿在線脫水的工藝設計及試驗

高 揚，楊 棟，倪守高，羅榮彪，王曉英

(1.江蘇東方生態清淤工程有限公司，江蘇 無錫 214125； 2. 中國船舶重工集團公司第七〇二研究所，江蘇 無錫 214083；3.無錫市濱湖區水利局，江蘇 無錫 214123)

淤泥是在靜水或緩慢的流水環境中沉積，并經生物化學作用形成的一種黏性土[1]。一般主要由有機質、淤泥顆粒等組成，表面呈負電荷層，表現為親水性[2]。其組分中的淤泥顆粒以細顆粒土為主，成分主要為次生黏土礦物，在沉積時會吸附水中的氮、磷、重金屬元素及許多大分子官能團[3]，而有機質主要由腐殖質構成，其促成了團粒結構的形成并使土體發生分化，以在土體上部形成一個半懸浮狀的有機膠體層的形式存在，從而實現對金屬離子的交換和吸附。正是由于淤泥沉積物具備的這些特性，經年累月的持續性外源輸入導致其成為水體的巨大營養庫和污染源。

有研究表明，即便外源污染得到有效控制，如不進行內源清除，上覆水環境的變化會促使沉積物中氮、磷的重新釋放，仍有可能導致水體在相當長的時期內維持不良狀態[4]。以減少內源污染負荷為目的的底泥生態疏浚是控制內源污染效果明顯的工程技術措施之一[5]。隨著水環境綜合治理工作的不斷推進，治理要求也日益嚴格。內源污染治理上更強調底泥的安全處置及資源化利用，其前提都需要對泥漿進行無害化、減量化的處理。至此，環境友好程度更高的疏浚泥漿機械化脫水成為了底泥處置的關鍵環節之一[6-7]，并在各地生態清淤工程中得到廣泛應用[8-11]。雖然目前的應用實例較多，但在工程設計和實施上缺乏針對設備種類和工藝特點的量化設計與實施指導，導致疏浚泥漿的機械化脫水效能受限。

本文依托于梁溪河生態清淤工程進行疏浚泥漿的在線脫水工藝設計，并以疏浚泥漿為試驗對象，通過試驗確定藥劑使用種類、投加量和板框壓濾機在實際運行過程中的濾布透氣量和停泵依據，旨在驗證工藝可行性并指導正式施工，以期提高施工過程中的泥漿脫水效率，同時為其他類似泥漿的減量化處理提供思路和參考。

1 疏浚泥漿在線脫水工藝設計及機理

經漿化后的疏浚淤泥一般具有高污染、高含水率等特性，并攜帶有垃圾、礫石等雜質，需對其進行一定的前處理以實現高效脫水。圍繞著雜質去除、泥漿減量、勻質改性調理、淤泥實時脫水的設計思路進行疏浚泥漿在線脫水工藝設計，設計要求泥漿減量率不小于50%、泥餅含固率不小于60%、泥餅厚度不小于25 mm。工藝流程見圖1，場坪布置效果見圖2。

圖1 疏浚泥漿在線脫水工藝流程

圖2 淤泥脫水站場坪布置效果

1.1 機械分選除渣

疏浚泥漿經管道輸送至雜質篩分裝置進行機械分選除渣，通過激振器給予篩網的高頻震蕩，去除泥漿中的垃圾、碎石及根莖腐殖質等大固體雜質。剩余泥漿可通過旋流濃縮和多級配篩網的組合使用分選出中、粗砂，實現部分資源的回收利用。

1.2 泥漿減量濃縮

在泥漿中濕式摻入預先調配好的混凝劑后通過管混進入淤泥濃縮池進行減量化和濃縮處理。混凝劑電離出的游離質點直接捕獲了淤泥顆粒膠體表面所帶的負電荷，發生電性中和作用，降低了淤泥膠體分散系統的Zeta電位，從而徹底破壞了在顆粒表面吸附的水化膜，使各相微粒膠體的電位失穩，加速各相微粒間相互吸引、碰撞，從而使泥漿實現快速的聚合沉降，達到泥漿減量化和濃縮的處理目的。

1.3 料漿調理改性

沉淀濃縮后的淤泥料漿收集至淤泥調理箱，過程中摻入熟化后的有機高分子絮凝液劑。泥漿中初步脫穩的各組分物質與絮凝劑水化形成的有機鏈狀活性基團在庫侖力、分子間相互作用力、配位共價鍵等的作用下，被網捕、橋架、凝聚在一起，發生多組分聚合效應，使淤泥粒徑的級配分布得到優化，從而提高和改善淤泥料漿的脫水性能。

1.4 在線機械脫水

經過改性后的料漿被連續加壓分配至板框機組的各個濾室，依靠持續保壓使料漿在濾布面上堆積壓縮并形成逐漸增厚的過濾層以截留固相顆粒，實現固液分離，卸壓后再向隔膜板內注入高壓水，利用隔膜變形產生的反壓對淤泥完成進一步壓榨，最后松板卸泥結束一次全周期工作。

2 疏浚泥漿在線脫水工藝試驗及分析

首先利用梁溪河疏浚泥漿進行泥漿沉降柱試驗，確定泥漿減量濃縮工序中混凝劑的投加量和絮凝劑上機試驗中絮凝劑的使用種類及投加量。隨后利用所選藥劑種類及投加量下形成的淤泥絮體進行濾布透氣量選型試驗，確定適應于本工藝機械脫水工序的濾布型號。在濾布透氣量、絮凝劑上機試驗種類及投加量已確定的情況下進行絮凝劑選型上機試驗，確定料漿改性過工序中所使用的絮凝劑種類。最后利用上述試驗結果進行板框機的現場調試運行，確定最佳進料和最佳反壓時間下對應的末期排水量特征值，并以此作為機械脫水工序中的停泵參考。

2.1 泥漿沉降柱試驗

2.1.1混凝劑沉降柱試驗

取一定量的梁溪河疏浚泥漿特征試樣(含固率為8%)，放入8個200 mL量筒中，依次分別加入2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、7 mL、8 mL和9 mL質量比為1%的聚合氯化鋁(poly aluminum chloride簡稱PAC，氧化鋁含量為28%)混凝劑溶液，充分混合均勻后靜置1 h(相當于減量濃縮池的水力停留時間)后測定上清液的濁度和沉降柱體積，測定結果見圖3。由圖3可以看出，PAC投加量為300 mg/L時上清液濁度為12.3 NTU，濁度曲線趨于平緩；沉降柱體積為82.05 mL，沉降柱體積曲線出現拐點。繼續投加PAC，上清液濁度和沉降柱體積可進一步降低，但降低幅度均不大，也沒有出現濁度不降反升的趨勢，該現象顯示還未到達最佳投加量。但此投加量下，泥漿體積已從原來的200 mL降低至82.05 mL，泥漿減量率約為59%，滿足工藝設計中泥漿減量率不小于50%。此外，從工程實施質量和成本上考慮，繼續投加導致的效果提升對比成本增加所帶來的收益明顯降低，故泥漿減量濃縮工序中PAC的參考投加量選擇300 mg/L。

圖3 混凝劑沉降柱試驗結果

2.1.2絮凝劑沉降柱試驗

以PAC投加量為300 mg/L，靜置1 h后去除上清液的沉降泥漿為試樣，每份泥漿試樣取200 mL，依次分別加入0.1%的各型聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)絮凝劑溶液，PAM具體選型規格見表1。其中APAM按45 mg/L、50 mg/L、55 mg/L、60 mg/L、65 mg/L、70 mg/L、75 mg/L、80 mg/L、85 mg/L，CPAM按35 mg/L、40 mg/L、45 mg/L、50 mg/L、55 mg/L、60 mg/L的投加量投加，充分混合均勻后靜置15 min測定上清液的濁度和沉降柱體積，測定結果見圖4。對比各型PAM最佳投加量下的上清液濁度、沉降柱體積和投加成本，結果如圖5所示。

圖4 各型PAM投加量與濁度的關系

圖5 各型PAM最佳投加量下成本、濁度與沉降柱體積的關系

表1 PAM選型規格

由圖4可以看出，各型PAM投加量與濁度的關系曲線表征相似，當達到最佳投加量時上清液濁度最低，繼續投加試樣上清液的濁度沒有進一步降低反而有上升的趨勢。原因可能是絮凝劑過量投加后，未起到作用的絮凝劑分子鏈占據了顆粒表面并形成包裹，使顆粒失去空白鍵位，從而失去橋架的可能，使膠體產生復穩現象，隨著失去的空白鍵位越來越多，導致試樣濁度上升。

由圖5可以看出，在最佳投加量下，各型CPAM在投加量、上清液濁度和沉降柱體積上的表現普遍優于各型APAM，并且離子度越高的CPAM所形成的沉降柱體積越小越密實，投加量也越小，其中CPAM(4)以最佳投加量45 mg/L、上清液濁度15.7 NTU、沉降柱體積79.7 mL表現最優；APAM方面，分子量越高的APAM產品投加量越小，而水解度的變化對試驗結果無明顯影響，其中APAM(2)以最佳投加量65 mg/L、上清液濁度18.7 NTU、沉降柱體積95.3 mL在APAM中表現最優，效果最接近CPAM。造成上述試驗結果的原因可能是由于泥漿試樣中的PAC并非最佳投加，導致淤泥顆粒表面的負電荷未被完全中和，而CAPM電離出的正電荷離子中和了泥漿試樣中的負電荷斥力，促使顆粒間相互吸引，發生沉聚壓縮，形成更為緊密的絮體結構；APAM水解形成的RCOO-則無法發生電性中和反應，僅發生橋架作用導致投加量相對較大，上清液濁度相對稍高。綜上考慮，各型CPAM的表現雖然差異不大，但市場價格存在較大不同，其中以CPAM(2)的投加成本最低為115 元/m3。雖然投加APAM(2)的效果略差，但其成本僅為97元/m3，故選擇CPAM(2)和APAM(2)進行后續上機試驗。

2.2 濾布透氣量選型試驗

選擇適應疏浚泥漿連續脫水工況特點、過濾效率高、卸渣時間短、耐久性好的錦綸單絲濾布進行試驗，濾布透氣量選型規格見表2。試驗過程中取一定量經CPAM(2)和APAM(2)改性后的料漿，選擇不同透氣量的濾布按保壓壓力(0.8 MPa)、保壓時間(90 min)分別進行試驗室小型樣機試驗，測定不同藥劑及透氣量下的泥餅含固率和穿濾時間，結果見圖6。由圖6可以看出，在本試驗透氣量選值區間內，兩款藥劑在泥餅含固率和濾布穿濾時間上的表現相似：濾布透氣量越大，穿濾時間越長，所形成的泥餅含固率越大。透氣量在大于949.28 L/(m2·s)后，泥餅含固率上升幅度趨于平緩，這可能是因為濾布透氣量已滿足保壓下濾餅層中濾水通道的最大排水值；透氣量在大于734.00 L/(m2·s)后，穿濾時間出現拐點，呈逐步遞增的趨勢，顯示此時已有部分小直徑以上的淤泥顆粒未被濾布截留。

表2 錦綸單絲濾布透氣量選型規格

圖6 濾布透氣量選型試驗結果

雖然濾布透氣量為1 292.60 L/(m2·s)時的泥餅含固率最高，但此時由于孔徑增大導致的穿濾時間明顯增長較多，而透氣量為734.00 L/(m2·s)時的泥餅含固率偏低且存在較大提升空間，故選擇透氣量為949.28 L/(m2·s)的濾布3作為機械脫水工序的濾布選擇。

2.3 絮凝劑選型上機試驗

將減量濃縮池中同時吸取的料漿分配至兩個調理箱，過程中分別摻入熟化后的CPAM(2)和APAM(2)溶液，并以彼此的最佳投加量進行料漿改性，改性后的料漿再分別輸送至2臺600 m2的板框壓濾機，在相同的進料流量(80 m3/h)、保壓壓力(0.8 MPa)、保壓時間(90 min)、反壓壓力(1.2 MPa)和反壓時間(30 min)下進行全周期壓榨，并重復進行4組平行試驗，測定最終的泥餅含固率、卸料時間和穿濾時間，結果見表3。由表3可以看出，相較于APAM(2)，使用CPAM(2)所形成的泥餅含固率較高，卸泥時間較短，而濾布的穿濾時間則較長。原因可能是CPAM(2)依靠電性中和和橋架作用所形成的絮體更為緊密，而APAM(2)在依靠長鏈橋架凝聚的過程中網捕到了膠體穩定態下更多的游離水，導致泥餅含固率偏低；同時CPAM(2)相對較小的分子量導致其形成的泥餅在過濾初期抗剪和搭橋能力不如APAM(2)，造成穿濾時間較長，這也是其所形成的泥餅黏度較小，脫落性較好的原因。

表3 不同PAM的上機試驗結果

雖然CPAM(2)在穿濾時間上略高于APAM(2)，但其在泥餅含固率及卸泥時間上的表現相比于APAM(2)具有顯著優勢，泥餅含固率的降低可減少泥餅的體積，減少后續的轉運費用，卸泥時間的減少可縮短板框壓榨全周期的工作時間，提高淤泥處理效率，故料漿改性工序的絮凝劑選擇使用CPAM(2)。

2.4 板框機現場調試

2.4.1進料運行調試

將淤泥調理箱中的改性泥漿分別以80 min、90 min、100 min、110 min、120 min為進料時間輸送至5臺600 m2的板框壓濾機，并以相同的進料流量(80 m3/h)、保壓壓力(0.8 MPa)、反壓壓力(1.2 MPa)和反壓時間(30 min)進行壓榨的過程控制，記錄各壓濾機進料過程末期的排水量和最終獲得的泥餅厚度及含固率，結果見圖7。由圖7可以看出，隨著進料時間的加長，末期排水量值不斷減小，泥餅厚度和含固率均不斷增大。當進料時間超過100 min后，泥餅含固率和厚度的增長幅度明顯減緩，這可能是因為此時板框機各濾室內的空間已趨近于被固相填滿，脫水效率逐漸降低，當進料時間達到110 min后，排水量進一步減小，三項參數變化幅度均趨于穩定，是較為理想的停泵(進料泵)狀態。但從施工角度看，進料時間為100 min時，泥餅含固率為63.5%，厚度為26.5 mm，已滿足本工藝設計要求，且縮短的進料時間有利于減少板框的全周期工作時間，間接提高泥漿脫水效率，故選擇100 min為最佳進料時間，并以此時對應的末期排水量14.25 m3/h作為停泵(進料泵)參考指導后續施工。

圖7 進料運行調試結果

2.4.2反壓運行調試

按進料運行調試方法，在進料時間為100 min下進行5組反壓時間分別為20 min、25 min、30 min、35 min和40 min的平行試驗。記錄各壓濾機反壓過程末期的排水量和最終獲得的泥餅厚度及含固率，結果見圖8。由圖8可以看出，隨著反壓時間的加長，其末期排水量和泥餅厚度不斷減小，含固率則不斷增大，當反壓時間達到35 min時泥餅含固率增長幅度減緩，是較為理想的停泵(反壓水泵)時間。但從施工角度看，反壓時間為25 min時其對應的泥餅含固率為61.24%，泥餅厚度為26.7 mm，已滿足本工藝設計要求，且縮短的反壓時間有利于減少板框的全周期工作時間，間接提高泥漿脫水效率，故選擇25 min為最佳反壓時間，并以此時對應的末期排水量5.14 m3/h作為停泵(反壓水泵)參考指導后續施工。

圖8 反壓運行調試結果

3 工藝應用評價

本工藝已在無錫市濱湖區2017年度河道環境綜合整治—梁溪河清淤項目中成功應用，完成了285 020 m3河道淤泥的在線機械脫水施工。工程實踐證明，疏浚泥漿的在線脫水處理過程連續、穩定、高效，工藝具備可行性，工藝設計要求具備可達性。其中機械分選除渣工序有效清除了疏浚泥漿中的大顆粒固體雜質，減少了雜質對后道工藝中各級泵體的損傷，提高了工藝穩定性；泥漿減量濃縮工序極大地縮小了待處理泥漿的體積，減少了運行成本，提高了泥漿處理效率，施工過程中PAC的實際投加量為300～400 mg/L，稍高于試驗數據，這是由于現場工況下疏浚泥漿的濃度存在的波動所導致；料漿改性工序使泥漿體積得到進一步減小并有效改善了泥漿的脫水性能，同時起到均質作用，縮小了料漿濃度變化的區間，提高了工藝穩定性；機械脫水工序通過板框機組的分組切換運行實現工藝的穩定和連續，實際施工過程中板框機組全周期工作時間為135～150 min，以試驗所得的進料、反壓末期的排水量特征值作為停泵參考可實現泥餅含固率不小于60%、泥餅厚度≥25 mm的設計要求。

4 結 論

a.混凝劑沉降柱試驗結果表明PAC投加量為300 mg/L時泥漿減量率約為59%，達到設計要求且經濟性較好；絮凝劑沉降柱及選型上機試驗表明絮凝劑種類及投加量的不同在上清液濁度、沉降柱體積、泥餅含固率、卸泥時間和穿濾時間的表現上存在差異，其中CPAM(2)的投加量為50 mg/L時綜合表現最好，優于其他各型絮凝劑。

b.選擇合適透氣量的濾布對疏浚泥漿的脫水具有增益效果，試驗結果表明透氣量選擇為949.28 L/(m2·s)時泥餅具有相對較高的含固率且濾布的穿濾時間不會過長導致二次處理成本增加。

c.將板框機最佳進料和反壓時間下對應的排水量特征值作為停泵參考對疏浚泥漿的在線脫水具有指導意義。對現場調試結果進行對比分析，結果顯示最佳進料和反壓時間分別為100 min和25 min，此時獲得的泥餅含固率和厚度分別為61.24%和26.7 mm，對應的末期排水量特征值分別為14.25 m3/h和5.14 m3/h。

d.工程實踐表明，本文所得結論可用于指導施工，疏浚泥漿在線脫水處理過程連續、穩定、高效，工藝具備可行性，工藝設計要求具備可達性。