河湖清淤底泥脫水減容技術(shù)研究

肖明 謝曉靚

摘要：

為改進(jìn)、降低臥螺離心機(jī)脫水泥餅含水率、提高尾水水質(zhì)，首先，通過(guò)比較處理后泥漿的物理、化學(xué)性質(zhì)，選擇最佳絮凝劑；隨后調(diào)整最優(yōu)絮凝劑組合的添加量，采用臥螺離心機(jī)進(jìn)行脫水并比較脫水效果，確定最佳投加量；最后，調(diào)整工藝參數(shù)，提出了一種臥螺離心機(jī)河湖底泥減量化脫水新工藝。研究結(jié)果表明：在按照最佳組合添加的絮凝劑及選擇合適臥螺離心機(jī)運(yùn)行參數(shù)的情況下，脫水后的底泥含水率能降至50%以下，且尾水可直接排放，有效降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：

河湖清淤； 機(jī)械脫水； 含水率； 底泥脫水減容

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.017

文章編號(hào)：1006-0081（2023）03-0096-05

0 引 言

河湖的清淤疏浚通常都是利用絞吸船將受污染的底泥抽吸上岸，這種底泥含水量極高，成分復(fù)雜，含有各種病菌寄生蟲(chóng)和未知重金屬元素，并可能富含氮磷等元素［1］，通常無(wú)法直接運(yùn)走或就地掩埋。減容是底泥處理處置中最重要的一環(huán)，其主要制約因素就是脫水技術(shù)。傳統(tǒng)脫水技術(shù)可分為機(jī)械脫水和自然風(fēng)干兩類(lèi)。自然風(fēng)干技術(shù)成本低廉、能耗低，但因場(chǎng)地占用面積大、脫水效率低、存在二次污染等問(wèn)題，目前工程上已較少應(yīng)用［2］。機(jī)械脫水方法是使用機(jī)械離心或壓榨等物理方法將淤泥中的水分去除。脫水后的泥漿含水率大大降低，容積減小，強(qiáng)度提高，有利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和使用［3］。對(duì)于清淤底泥而言，若想采用機(jī)械脫水技術(shù)獲得較低含水率（60%以下）的干泥，一般需要向污泥中添加適量的石灰。這會(huì)導(dǎo)致尾水pH升高，呈強(qiáng)堿性，無(wú)法直接排放，且處理成本高，處置后底泥理化性質(zhì)顯著改變，土質(zhì)固結(jié)、呈堿性、抗水，一般只能采用填埋方式處理，無(wú)法資源化利用；若僅使用常規(guī)絮凝劑，機(jī)械脫水技術(shù)產(chǎn)出的泥餅含水率普遍在70%以上，具有流體性質(zhì)，導(dǎo)致壓濾設(shè)備高負(fù)荷、低產(chǎn)出，增大了處置難度和生產(chǎn)成本。如何在實(shí)現(xiàn)清淤底泥資源化利用前提下進(jìn)行高效脫水減容，已成為清淤疏浚領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。本研究以改進(jìn)、降低臥螺離心機(jī)脫水泥餅含水率、提高余水水質(zhì)為目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定在污水中投入的調(diào)理劑種類(lèi)及與絮凝劑的最優(yōu)組合方式，再利用臥螺離心機(jī)進(jìn)行機(jī)械脫水。相較于當(dāng)前傳統(tǒng)的機(jī)械脫水技術(shù)，利用該技術(shù)得到的泥餅含水率進(jìn)一步降低，且尾水能夠直接排放，大大降低了處理成本。

1 底泥高效脫水減容技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)脫水方法的不足，采用水力旋流器和添加調(diào)理劑、絮凝劑的組合方式進(jìn)行脫水減容技術(shù)研究。

水力旋流器是一種通用分離設(shè)備，具有占地面積小、處理能力大、分離效率高和無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)［4］，主要用于分離去除污水中較重的粗顆粒泥沙等物質(zhì)，有時(shí)也用于泥漿脫水。已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明水力旋流器能夠?qū)κ杩Ｄ酀{進(jìn)行高效快速的固液分離［5-6］。絮凝劑的高分子特性具有強(qiáng)烈吸附橋架作用，可改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，使細(xì)小松散的絮凝體變成緊密的絮團(tuán)，提高絮凝效果［7］。調(diào)理劑具有強(qiáng)大的物理化學(xué)吸附能力和離子交換容量，能促進(jìn)泥水快速絮凝分離和吸附，阻止臭味外溢；同時(shí)，調(diào)理劑能夠絡(luò)合捕捉重金屬，使其形成穩(wěn)定礦化物，降低底泥中重金屬的遷移性和生物有效性。

進(jìn)行脫水工作時(shí)，清淤底泥與調(diào)理劑首先在攪拌桶中充分?jǐn)嚢杌旌希缓笠揽磕啾脡毫τ伤π髌魃喜垦厍芯€進(jìn)入，在離心力作用下，粗重顆粒物質(zhì)被拋向器壁并旋轉(zhuǎn)向下和形成的濃液一起排出，較小的顆粒物質(zhì)旋轉(zhuǎn)到一定程度后隨二次上旋渦流排出。由此，泥漿在進(jìn)入下一步的機(jī)械脫水工序前，能夠進(jìn)行初步的脫水減容，有效降低了后續(xù)壓濾設(shè)備的負(fù)荷。從旋流器上部溢流口流出的清淤底泥在添加絮凝劑后進(jìn)入臥螺離心機(jī)中進(jìn)行壓濾脫水，最后可得到含水率為50%左右的干泥和可直接排放的尾水。

2 脫水減容實(shí)驗(yàn)

本文利用武漢“東湖水環(huán)境提升工程”項(xiàng)目對(duì)上述脫水減容技術(shù)的實(shí)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于武漢市東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)青王路項(xiàng)目部，所用污泥為后湖清淤底泥，泥漿含固率介于8%～10%之間。

2.1 東湖水質(zhì)概況

根據(jù)《東湖水環(huán)境提升工程可行性研究報(bào)告》，近些年來(lái)，雖然東湖治理一直在持續(xù)，但是由于之前長(zhǎng)期接納周邊生活和生產(chǎn)污水，直接造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，湖底淤泥污染嚴(yán)重，湖底高程年年增高，湖容不斷縮減。據(jù)調(diào)查分析，東湖流域現(xiàn)狀COD、NH3-N、TN和TP的入湖負(fù)荷分別為9 506.05，301.94，1 079.63 t/a和94.82 t/a。現(xiàn)階段東湖湖底受污染淤泥平均厚度已達(dá)40 cm，局部區(qū)域甚至超過(guò)60 cm，且嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化，如果進(jìn)一步發(fā)展，東湖將形成更為嚴(yán)重的湖泊內(nèi)污染循環(huán)。為了有效改善東湖水環(huán)境狀況，有必要對(duì)受污染區(qū)域底泥進(jìn)行清淤。

2.2 燒杯調(diào)理實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與藥劑

本實(shí)驗(yàn)主要儀器和設(shè)備如表1所示。針對(duì)東湖清淤底泥特性，本實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中擬添加調(diào)理劑和絮凝劑，其中調(diào)理劑為韓國(guó)合川環(huán)境綜合技術(shù)研究所研發(fā)的凈魔方改性礦物質(zhì)粉末材料，絮凝劑為聚丙烯酰胺（PAM），兩種試劑主要規(guī)格如表2所示。根據(jù)兩種試劑的不同配比，觀察其對(duì)清淤底泥的最終脫水效果。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)添加調(diào)理劑為凈魔方改性礦物質(zhì)粉末材料，該材料在過(guò)往實(shí)驗(yàn)和工程中展現(xiàn)出優(yōu)異的水體污染物凝聚、沉淀能力。實(shí)驗(yàn)針對(duì)臥螺離心機(jī)產(chǎn)出泥餅含水率偏高，尾水SS較高的缺點(diǎn)，在投加聚丙烯酰胺（PAM）前增加凈魔方粉末材料投加步驟，以找出凈魔方粉末材料最佳的投加量。可分為以下3個(gè)階段。

（1） 配方篩選。基于實(shí)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，選擇3種不同類(lèi)型的凈魔方粉末材料（TYP-A、TYP-B、TYP-C）與陽(yáng)離子型PAM（分子量：800萬(wàn)～1 000萬(wàn)，離子度：30%～35%）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。調(diào)整不同凈魔方材料配比，觀察底泥絮凝狀態(tài)，并檢測(cè)上清液水質(zhì)，選定兩種較優(yōu)材料配方，進(jìn)入下一階段實(shí)驗(yàn)。

（2） 最優(yōu)用量確定。根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整兩種配方的單位投加量，通過(guò)觀察上清液渾濁情況和底泥狀況，確定材料最優(yōu)用量。

（3） PAM選型。根據(jù)（1）和（2）實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果，將選定的兩種凈魔方材料配方與5種不同類(lèi)型的PAM相結(jié)合，凈魔方材料用量固定為實(shí)驗(yàn)（2）中的最優(yōu)用量，通過(guò)觀察上清液渾濁情況和底泥狀況，選擇3種PAM進(jìn)行后續(xù)臥螺離心機(jī)脫水實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.3.1 配方篩選

以下實(shí)驗(yàn)中，凈魔方材料單位投加量均為800 g/m3，即500 L泥水混合物投加0.4 g。另進(jìn)行兩組陽(yáng)離子PAM實(shí)驗(yàn)，分別向500 mL泥水混合物中加入10 mL和15 mL濃度為0.1%的陽(yáng)離子PAM溶液。

實(shí)驗(yàn)共使用3種凈魔方材料，分別為T(mén)YP-A、TYP-B和TYP-C，實(shí)驗(yàn)所用材料種類(lèi)和比例以及結(jié)果見(jiàn)表3。

經(jīng)調(diào)理后得到的泥水在進(jìn)入離心機(jī)脫水實(shí)驗(yàn)前，若泥水中的絮體越大，減容層度越高，則經(jīng)離心機(jī)脫水后越容易得到含水率低的底泥；若絮體過(guò)小則易被水流攪動(dòng)，難以在離心機(jī)中進(jìn)行有效脫水。根據(jù)上述配方篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果中底泥的絮凝狀態(tài)，并結(jié)合工程脫水工藝，確定選擇A∶C=1∶2，B∶C=1∶1，PAM進(jìn)入下一階段實(shí)驗(yàn)。此外，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用PAM時(shí)，上清液均是部分水質(zhì)指標(biāo)滿足余水排放要求，而采用凈魔方材料作為污泥調(diào)理劑時(shí)，上清液各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均滿足余水排放要求。

2.2.3.2 最優(yōu)用量確定

本階段實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)優(yōu)化A∶C=1∶2，B∶C=1∶1的最佳投加量，同樣在500 mL燒杯中進(jìn)行，燒杯中預(yù)先裝入500 mL泥水混合物，加入材料前需將泥水混合物攪拌均勻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4及圖1。

根據(jù)上述結(jié)果，可判定兩種配方單位投加量為800 g/m3及1 000 g/m3時(shí)處理效果差別不大，且明顯優(yōu)于單位投加量為600 g/m3時(shí)。考慮到技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性，確定兩種配方的最優(yōu)投加量均為800 g/m3，此時(shí)泥水可快速?gòu)氐追蛛x，絮體松散不密集，上清液澄清。

2.2.3.3 PAM選型

本階段實(shí)驗(yàn)進(jìn)行PAM選型，使用凈魔方配方A∶C=1∶2和B∶C=1∶1，單位投加量均為800 g/m3，所用5種PAM均配制濃度為0.1%的溶液，絮凝劑用量為5 mL PAM溶液∶500 mL泥漿。實(shí)驗(yàn)在500 mL燒杯中進(jìn)行，燒杯中預(yù)先裝入500 mL泥水混合物，加入材料前需將泥水混合物攪拌均勻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)上述結(jié)果，可得出凈魔方配方A∶C=1∶2時(shí)，投加同種PAM絮凝劑，其絮凝效果較配方B∶C=1∶1好；且5種PAM中最優(yōu)的為陽(yáng)離子型（分子量：800萬(wàn)～1 000萬(wàn)，離子度：30%～35%），較優(yōu)的為非離子型（分子量：1 200萬(wàn)）和陰離子型（分子量：1 500萬(wàn)～1 800萬(wàn)，水解度：25%～30%）。因此，選定上述3種PAM進(jìn)行離心機(jī)中試實(shí)驗(yàn)。

2.3 臥螺離心機(jī)脫水實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)主要儀器和設(shè)備如表6所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)所用水力旋流器FX250要求進(jìn)料壓力為0.06～0.3 MPa，分離粒度為40～100 μm，利用安裝在旋流器進(jìn)料管前的隔膜壓力表和蝶閥，調(diào)節(jié)泥漿進(jìn)口壓力。臥螺離心機(jī)進(jìn)料要求泥漿含固率小于10%，處理能力為0.5～2.0 m3/h，沉渣生產(chǎn)量約為0.4 m3/h。離心機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)料速度和加藥速度均通過(guò)簡(jiǎn)易電控柜控制，為變頻調(diào)控模式。實(shí)驗(yàn)中，臥螺離心機(jī)系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)廠家建議設(shè)置，進(jìn)料量恒定為0.5 m3/h左右，主機(jī)和副機(jī)差速約5 Hz。

基于燒杯調(diào)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中選擇兩種凈魔方粉末材料配方，并配合兩類(lèi)配方的最佳單位投加量，與篩選出的3種PAM混合使用。實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)離心機(jī)排出尾水的顏色和渾濁狀態(tài)，調(diào)節(jié)PAM溶液加藥量，加藥量可通過(guò)電磁流量計(jì)測(cè)定。凈魔方材料投加量為固定值800 g/m3。

離心機(jī)系統(tǒng)進(jìn)料泥漿來(lái)自項(xiàng)目部沉淀池，未投加任何污泥調(diào)理劑，含固率約8%～10%。泥漿經(jīng)管道流入均質(zhì)桶，均質(zhì)桶內(nèi)設(shè)置攪拌機(jī)，凈魔方粉末在此步驟加入，攪拌5 min后開(kāi)啟均質(zhì)桶閥門(mén)，泥漿通過(guò)泵抽至水力旋流器。泥漿中較重顆粒從旋流器底流口流出，較細(xì)顆粒隨泥漿從頂部溢流口溢出，再通過(guò)進(jìn)料螺桿泵進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)料管道。PAM溶液通過(guò)加藥泵與泥漿在管道中混合后，進(jìn)入離心機(jī)。實(shí)驗(yàn)中所用PAM溶液濃度均為0.1%，使用前需連續(xù)攪拌2 h以上。

當(dāng)離心機(jī)排放尾水澄清、無(wú)泡沫時(shí)，記錄PAM用量。干泥和尾水由離心機(jī)下方排出，取水樣和干泥進(jìn)行水質(zhì)和泥餅含水率測(cè)定。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于含固率8%～10%的河湖清淤底泥，在使用凈魔方改性礦物質(zhì)材料調(diào)理后進(jìn)入水力旋流器，能先分離出部分較大粒徑顆粒的底泥，達(dá)到初步減容目的，從而減少后續(xù)處理負(fù)荷。再通過(guò)添加PAM經(jīng)臥螺離心機(jī)脫水后，可得到較好的脫水結(jié)果。泥餅不僅能達(dá)到外運(yùn)要求，同時(shí)解決了尾水渾濁、水質(zhì)較差問(wèn)題，濾出尾水可以不經(jīng)處理、直接排放。尾水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及泥餅含水率檢測(cè)結(jié)果如表7～8所示。

單獨(dú)使用3種PAM時(shí)，泥餅含水率均在65%以上。PAM作為目前污淤泥脫水最常用的絮凝劑，種類(lèi)眾多，絮凝效果明顯。但因其高分子絮凝劑的特性，投加量偏大時(shí)，絮體中的結(jié)合水壓出難度較大，導(dǎo)致生產(chǎn)的泥餅含水量較高。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泥餅含水率幾乎不可能降至60%以下。另

外，單獨(dú)采用PAM時(shí)，雖然余水SS不高，但氨氮濃度偏高，均大于5 mg/L，排放前需凈化處理，而余水量大，會(huì)大幅增加綜合運(yùn)行成本。

采用凈魔方材料+PAM時(shí)，1～6號(hào)6個(gè)組合泥餅含水率均可達(dá)到60%以下，其中最低的為樣品1，即第一步泥水分離加入800 g/m3配方為A∶C=1∶2的材料，第二步使用陽(yáng)離子型PAM（分子量：800萬(wàn)～1 000萬(wàn)，離子度：30%～35%），溶液濃度0.1%，PAM加藥量為2.22 g（此處指1 kg絕干污泥量所添加的PAM用量，下同）。，此時(shí)泥餅含水率為48.67%。若采用材料B和材料C比例為1∶1的配方，則4號(hào)樣品含水率最低，即第一步泥水分離加入800 g/m3配方為B∶C=1∶1的材料，第二步使用陽(yáng)離子型PAM（分子量：800萬(wàn)～1 000萬(wàn)，離子度：30%～35%），溶液濃度0.1%，PAM加藥量為2.22 g，此時(shí)泥餅含水率為53.66%。

總體來(lái)說(shuō)，采用凈魔方材料調(diào)理+PAM時(shí)，兩種不同凈魔方材料配方產(chǎn)生余水水質(zhì)相差不大，氨氮介于3.14～4.16 mg/L之間，溶液接近中性，SS最低可達(dá)5.221 mg/L，即配方為A∶C=1∶2+陽(yáng)離子型PAM。單獨(dú)使用PAM時(shí)，余水氨氮濃度上升約20%，介于5.92～6.82 mg/L之間。A∶C=1∶2，B∶C=1∶1和對(duì)照組這3組實(shí)驗(yàn)中，余水水質(zhì)基本呈現(xiàn)陽(yáng)離子型＞非離子型＞陰離子型的變化趨勢(shì)，泥餅含水率均為陽(yáng)離子型最低。

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本次實(shí)驗(yàn)最優(yōu)工藝為配方A∶C=1∶2的凈魔方調(diào)理劑+PAM用量2.22 g陽(yáng)離子型PAM（分子量：800萬(wàn)～1 000萬(wàn)，離子度：30%～35%）+臥螺離心機(jī)脫水（參數(shù)設(shè)置：主機(jī)35.48 Hz，副機(jī)30.23 Hz，進(jìn)料泵11.96 Hz，加藥泵10.32 Hz）。該工藝產(chǎn)生的泥餅含水率為50%以下，可達(dá)到外運(yùn)要求，同時(shí)解決尾水不能直接排放問(wèn)題，極大地節(jié)約了尾水處理的設(shè)備投入和運(yùn)行費(fèi)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用本文提出的技術(shù)進(jìn)行清淤底泥脫水產(chǎn)生的泥餅含水率較低，滿足外運(yùn)要求，而且可進(jìn)行資源化利用。濾出尾水水質(zhì)較好，能夠直接排放，適用于對(duì)環(huán)保要求較高的工程項(xiàng)目中。但該技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)處理的清淤底泥規(guī)模較小，在實(shí)際工程大規(guī)模應(yīng)用中的效果還有待觀察。后續(xù)研究中應(yīng)逐漸擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，不斷完善工藝參數(shù)，最終形成可成熟化應(yīng)用的清淤底泥脫水減容新工藝。

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（編輯：李 晗）

Study on dewatering and volume reduction technology of sediment removal from rivers and lakes

XIAO Ming1，XIE Xiaoliang2

（1.River and Lake Protection and Construction Operation Safety Center，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）Abstract：

In order to reduce the moisture content of mud cake and to improve the quality of tail water from horizontal screw centrifuge，the best flocculant was selected by comparing the physical and chemical properties of the treated mud firstly；The dosage of the optimal flocculant combination was adjusted，and the horizontal screw centrifuge was used for dehydration.By comparing the dehydration effect of the horizontal screw centrifuge，the optimal dosage was determined；By adjusting the process parameters，a new process of water reduction and dewatering of river and lake bottom mud by horizontal screw centrifuge was developed.The results showed that with optimized dosage of flocculant，the water content of the dewatered sediment can be reduced to less than 50%，and the tailwater can be discharged directly，which effectively reducing the production cost.

Key words：

desilting of rivers and lakes； mechanical dewatering； moisture content； sediment dehydration volume reduction

收稿日期：

2022-04-22

作者簡(jiǎn)介：

肖 明，男，工程師，碩士，主要從事河湖疏浚底泥處理技術(shù)研究。E-mail：1145431857@qq.com