河道疏浚底泥脫水技術及工藝優化研究進展

李青 熊剛

（中鐵環境科技工程有限公司，湖南 長沙 410100）

1 引言

我國水系發達，近些年我國經濟發展迅速，河道水土流失和水體污染問題引起關注。據相關資料統計，每年大約有上億噸泥沙沉積在自然或人工水體中［1］。另外，伴隨著工業化的迅速發展，工業廢水和生活污水排入河道，泥沙的淤積和進入河流的污染物會使自然水體的自凈功能嚴重減弱，甚至導致水體喪失基本功能［2］，因此河道綜合整治工程已成為環境保護中的研究熱點，其中，污染底泥處理處置工程是重要部分。

近些年來，環保疏浚行業快速發展，使得疏浚底泥大量產生，這些疏浚底泥含有許多動植物殘體，有機物含量高，且污染成分復雜［3-4］。同時，疏浚底泥體積龐大，含水率高，不利于后續儲存、運輸和處置，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研究現狀與劣勢，總結了底泥脫水技術發展過程中脫水調理劑以及脫水設備工藝的優化，以期為底泥脫水技術在我國的實踐與推廣應用提供參考，并針對底泥脫水技術的發展方向提出建設性建議。

2 河道疏浚底泥脫水技術研究現狀

近年來，人們開始關注縮減底泥體積、控制污染物釋放的方法以及如何將底泥在后續資源化利用時產生的環境風險控制在一定范圍內。根據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。原位處理技術即在處理時保持底泥所處位置不變，用數層性質穩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，阻斷兩者間的物質交換，防止污染物向水體釋放［7］。這種簡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。相比較來說，原位處理費用低廉，但是污染底泥原位處理技術暫時沒有成規模的工程經驗，目前還處于實驗室和中試階段，在實地實施過程中存在控制困難和處理效率低下等缺點，使其目前還沒有得到大規模的廣泛應用。

異位處理是通過機械施工的方式將受到污染的底泥從河底提取后再進行處理。目前國內外最常用、最有效的異位處理方法是使用絞吸船、抓斗船、挖掘機等進行疏浚［8］，這是現有科技水平下消除內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，可以有效達到改善水質的目標。與原位處理方式相比，異位處理的方式比較復雜，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，國內的疏浚底泥的含水率往往高達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。當前，國內外常用的對底泥進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用較早，是一種很經典的處理方式。在閑置的空地上堆放通過疏浚清淤得到的底泥，經過一段時間的風吹日曬，底泥中的水分會因為自然下滲、蒸發等而自行降低［10］。操作簡單，處理方便，這是自然干燥法的主要優點，但在實際應用時，受土地、氣候和工期的限制，自然干化無法成為底泥處理處置的主流方法。

2.2 電滲析法

電滲析法是當下一種效果較好的底泥脫水方法，根據它的反應機理，多數研究人員傾向于將常規的處理方式與電化學相結合。帶有正電荷的水分子會在外加直流電場的強制作用下向陰極移動，這樣會使底泥的泥水分離過程更加容易。陳雄峰等［11］利用電滲析法對太湖環保疏浚底泥進行脫水研究，經過240 h 的電滲析法脫水之后，底泥的含水率從開始的38.72%降至32.85%，可見電滲析法可在較短時間內脫去底泥中的水分。

電滲析脫水的效率主要取決于電場強度、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，直接導致其無法大規模應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促使泥水分離，這就是土工管袋的工作原理。脫水過程主要包括3 個環節：（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理劑來提高底泥的脫水效率。（2）過濾。底泥中的水分在壓力的作用下從土工管袋內過濾排出，而底泥因土工管袋阻攔滯留在原地，實現泥水分離。（3）固化處理。泥水分離后，底泥隨同土工管袋一同運輸到指定地點做填埋處理，或選擇合適的手段進行循環利用。

現如今，使用土工管袋脫水技術降低底泥含水率已經比較成熟。王琦等［12］使用土工管袋脫水固結技術處理無錫市梅梁湖底泥，通過調整土工管袋的結構，改變調理劑用量，探究影響底泥脫水的因素。其得到的結論是：當陽離子型PAM 的加入量控制在0.6‰～1‰時，使用0.5 mm 管袋材料孔徑可使底泥脫水效率最佳。天津生態城某污泥處理廠選擇使用脫水藥劑來提高底泥的脫水效率，改善土工管袋法的脫水固結效果。

2.4 機械設備脫水

用機械設備來實現底泥的泥水分離是現今一種比較常見的方式。劉宏等［13］對官渡區海河疏浚底泥進行研究試驗，結果表明，對于有機物含量較高的疏浚底泥，分子量為1 500 萬、水解度為14%的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）絮凝效果和濃縮后泥漿板框壓濾脫水效果及出水水質較好，隔膜板框壓濾擠壓時間30 min，泥餅含水率可降至40%以下。汪生杰［14］對武漢龍陽湖疏浚底泥采用離心脫水系統進行干化處理，采用聚丙烯酰胺（PAM）作為調理劑，完成泥漿調理和泥水即時分離，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，通過測量底泥比阻，論證該方法的處理效果。其通過實驗得知，CaO 和PAC 等調理劑，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缺點見表1。

表1 疏浚底泥脫水干化方式優缺點

3 脫水調理劑研究進展

如今單獨使用機械脫水方法已不能滿足實際工作需求，在底泥進行機械脫水之前要對其進行調理以增強脫水效果。要改善底泥的脫水性能，通常需要通過物理、化學或物理化學聯合調理作用來實現。底泥經調理后組織結構會改變，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。

市面上常見的調理劑目前主要可以分成2 類，即有機調理劑和無機調理劑。無機調理劑可以進一步劃分為無機低分子調理劑和無機高分子調理劑2種。最為傳統的無機低分子調理劑包括以硫酸鋁、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。無機高分子調理劑相對而言處理效果更好，價格也較低。無機調理劑通常價廉易得，但需要大量投加，反應完成后會產生較多沉淀，而且需要進一步改進技術來增強其處理效果［20］。

有機調理劑目前主要有2 種，即天然成分和人工合成。有機調理劑均為具有良好水溶性的線型聚合物，其優勢是使用時投加量少、反應迅速、針對性強等，同時能有效降低泥餅含水率。但是有機調理劑價格昂貴，使用過程中會產生可能引起“三致”效應（即致畸、致癌、致突變）的有毒單體，這導致有機調理劑不能廣泛使用。

現如今需要處理的底泥比較復雜，使用單一調理劑已無法達到處理要求，為了充分發揮無機和有機2 種調理劑的優勢，研究者們開始關注復合調理劑。表2 列出了目前在底泥脫水中采用的調理劑及其對脫水過程的優化效果。無機、有機復合調理劑將兩者優勢集于一體，調理效果更加優越，在未來的研究和應用中會有更廣闊的空間。

表2 調理劑作用于底泥脫水的優化效果

4 底泥脫水設備工藝優化研究進展

4.1 帶式壓濾脫水機

底泥進入濾布帶疊加形成的工作空間后，通過滾輪旋轉從外側擠壓濾布來完成底泥的泥水分離，這就是帶式壓濾脫水機的工作原理。其構造通常包括濾布帶、滾輪、張力調整輪、限位器、限速器、沖洗水槍等。國內很早就引進了帶式壓濾機技術，相關產業鏈和技術支持目前已經非常成熟。在底泥日處理量變化波動較大時，適合使用帶式壓濾脫水機。帶式壓濾機工作時不需要繁雜的操作，工作效率高，處理量僅次于板框式壓濾機。帶式壓濾脫水機工作時可連續運行，沒有保壓過程，故得到的成品含水率通常為80%～85%，目前仍然需要做進一步的研究優化。

4.2 離心脫水機

離心式脫水機的核心部件是離心滾筒。螺旋輸送器將泥漿送進離心式脫水機內部后，離心滾筒旋轉運動產生巨大離心力。底泥在離心力作用下被甩至離心滾筒內壁，水受到的離心力小，從底泥中析出暫時停留在泥漿層表面，并因為與底泥之間附著力較弱而逐漸下落流出，這樣就實現了底泥的泥水分離。離心脫水機運行時會產生噪聲污染，且需要消耗大量電能，同時操作人員需要具備一定的專業素質，通過離心脫水，底泥的含水率會下降至75%左右，離心機處理效果滿足不了實際需求，還需要頻繁進行設備維護保養，所以目前國內應用不多。

4.3 壓榨式壓濾機

壓榨式壓濾機工作時主要通過機械壓榨的形式進行泥水分離。壓榨式壓濾機品種繁多，目前廣泛應用的有螺旋式、擰干式、活塞式、壓榨過濾式、沖壓式等。壓榨式壓濾機加壓時間比較長，處理效果卓越，在實際應用時常用于處理標準要求嚴格的污水。壓榨式壓濾機結構比較簡單，維修方便，但由于作用時間較長，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中，旋轉擠壓壓濾機工作效率最高，可以一定程度上解決傳統機型處理速度慢的問題。但該設備對于壓榨底泥的黏度等性質有嚴格要求，為了滿足條件通常需要向泥漿中加入各種調理劑，而且設備對動力要求嚴格，工作時耗電量很大。另外，壓榨式壓濾機日處理量較小，不適合用于完成工程量較大的任務。

4.4 板框式壓濾脫水機

板框式壓濾脫水機的工作原理是先用泥漿充滿濾板之間的過濾空間，外部施加壓力擠壓濾板將水分擠出，在濾布的過濾作用下，實現底泥的泥水分離。常見的板框式壓濾脫水機構造包括支撐架、液壓系統、濾板、進氣系統、濾布反沖系統和限位器等。板框式壓濾脫水機的主要優點是能最大限度降低底泥含水率，處理效果優異［26］。板框式壓濾脫水機日處理量最大，在污水處理廠使用最多。設備集成化與功能模塊化程度高，操作培訓容易，維修保養不復雜。但其進行工作時，需要指定專人看管。

疏浚底泥脫水設備性能優缺點見表3。

表3 疏浚底泥脫水設備性能優缺點

5 結論與展望

綜上所述，底泥含水率過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。本文對底泥脫水的常用技術進行了歸納總結，指出了各種脫水技術的優缺點。常規脫水后底泥的含水率通常在75%～85%，并不能滿足后續一些處理處置措施對污泥含水率的要求。（2）通過添加調理劑，可極大改善和加快底泥脫水的過程，降低底泥的含水率。本文同時對底泥脫水調理劑進行調研，分析比較了有機調理劑和無機調理劑作用于底泥脫水的優化效果，發現單一調理劑作用效果有限，復合調理效果更好。（3）闡述了帶式壓濾機、離心脫水機、壓榨式壓濾機、板框壓濾機的工作機理，比較了不同設備性能的優缺點。發現板框壓濾機脫水處理效率高、脫水效果好，更能適應底泥的深度脫水。

針對目前疏浚底泥脫水技術的研究現狀及運行實踐中面臨的問題，本文對未來研究提出幾點建議：一是加強底泥脫水調理劑的技術攻關，深入研究污泥微生物絮體的性質，篩選出最適合的調理劑，提高脫水效率、降低污泥含水率；優化調理工序控制環節，實現污泥最佳脫水性能。二是疏浚環節對底泥的性質影響較大，需加強對疏浚工序的質量控制，保證底泥具有穩定的物理化學性質。國內底泥成分差異大，容易造成設備磨損和堵塞，需加強對脫水設備關鍵部件的設計，延長設備的使用壽命。三是底泥脫水是疏浚處理工作的一個重要環節，因為脫水可以減少底泥堆放體積，方便儲存和運輸以及后續的處理處置。如何盡量減少底泥對環境的影響，又能高效低耗處置底泥，是黑臭水體治理工作的研究發展方向。底泥含水率高，運輸困難，污染成分不明確，僅依靠機械脫水無法達到國家標準要求，今后以機械脫水為主，結合多種輔助性脫水技術的組合型工藝及設備，將成為河道疏浚底泥脫水的研究發展方向。隨著技術的進展，這種集成脫水技術將得到越來越多的應用。