河湖清淤底泥脱水减容技术研究

肖明 谢晓靓

摘要：

为改进、降低卧螺离心机脱水泥饼含水率、提高尾水水质，首先，通过比较处理后泥浆的物理、化学性质，选择最佳絮凝剂；随后调整最优絮凝剂组合的添加量，采用卧螺离心机进行脱水并比较脱水效果，确定最佳投加量；最后，调整工艺参数，提出了一种卧螺离心机河湖底泥减量化脱水新工艺。研究结果表明：在按照最佳组合添加的絮凝剂及选择合适卧螺离心机运行参数的情况下，脱水后的底泥含水率能降至50%以下，且尾水可直接排放，有效降低了生产成本。

关键词：

河湖清淤； 机械脱水； 含水率； 底泥脱水减容

中图法分类号：TV851

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.017

文章编号：1006-0081（2023）03-0096-05

0 引 言

河湖的清淤疏浚通常都是利用绞吸船将受污染的底泥抽吸上岸，这种底泥含水量极高，成分复杂，含有各种病菌寄生虫和未知重金属元素，并可能富含氮磷等元素［1］，通常无法直接运走或就地掩埋。减容是底泥处理处置中最重要的一环，其主要制约因素就是脱水技术。传统脱水技术可分为机械脱水和自然风干两类。自然风干技术成本低廉、能耗低，但因场地占用面积大、脱水效率低、存在二次污染等问题，目前工程上已较少应用［2］。机械脱水方法是使用机械离心或压榨等物理方法将淤泥中的水分去除。脱水后的泥浆含水率大大降低，容积减小，强度提高，有利于远距离运输和使用［3］。对于清淤底泥而言，若想采用机械脱水技术获得较低含水率（60%以下）的干泥，一般需要向污泥中添加适量的石灰。这会导致尾水pH升高，呈强碱性，无法直接排放，且处理成本高，处置后底泥理化性质显著改变，土质固结、呈碱性、抗水，一般只能采用填埋方式处理，无法资源化利用；若仅使用常规絮凝剂，机械脱水技术产出的泥饼含水率普遍在70%以上，具有流体性质，导致压滤设备高负荷、低产出，增大了处置难度和生产成本。如何在实现清淤底泥资源化利用前提下进行高效脱水减容，已成为清淤疏浚领域亟待解决的技术难题。本研究以改进、降低卧螺离心机脱水泥饼含水率、提高余水水质为目的，通过实验确定在污水中投入的调理剂种类及与絮凝剂的最优组合方式，再利用卧螺离心机进行机械脱水。相较于当前传统的机械脱水技术，利用该技术得到的泥饼含水率进一步降低，且尾水能够直接排放，大大降低了处理成本。

1 底泥高效脱水减容技术

针对传统脱水方法的不足，采用水力旋流器和添加调理剂、絮凝剂的组合方式进行脱水减容技术研究。

水力旋流器是一种通用分离设备，具有占地面积小、处理能力大、分离效率高和无运动部件等优点［4］，主要用于分离去除污水中较重的粗颗粒泥沙等物质，有时也用于泥浆脱水。已有相关实验证明水力旋流器能够对疏浚泥浆进行高效快速的固液分离［5-6］。絮凝剂的高分子特性具有强烈吸附桥架作用，可改善絮凝体的结构，使细小松散的絮凝体变成紧密的絮团，提高絮凝效果［7］。调理剂具有强大的物理化学吸附能力和离子交换容量，能促进泥水快速絮凝分离和吸附，阻止臭味外溢；同时，调理剂能够络合捕捉重金属，使其形成稳定矿化物，降低底泥中重金属的迁移性和生物有效性。

进行脱水工作时，清淤底泥与调理剂首先在搅拌桶中充分搅拌混合，然后依靠泥泵压力由水力旋流器上部沿切线进入，在离心力作用下，粗重颗粒物质被抛向器壁并旋转向下和形成的浓液一起排出，较小的颗粒物质旋转到一定程度后随二次上旋涡流排出。由此，泥浆在进入下一步的机械脱水工序前，能够进行初步的脱水减容，有效降低了后续压滤设备的负荷。从旋流器上部溢流口流出的清淤底泥在添加絮凝剂后进入卧螺离心机中进行压滤脱水，最后可得到含水率为50%左右的干泥和可直接排放的尾水。

2 脱水减容实验

本文利用武汉“东湖水环境提升工程”项目对上述脱水减容技术的实用效果进行了验证。实验场地位于武汉市东湖新技术开发区青王路项目部，所用污泥为后湖清淤底泥，泥浆含固率介于8%～10%之间。

2.1 东湖水质概况

根据《东湖水环境提升工程可行性研究报告》，近些年来，虽然东湖治理一直在持续，但是由于之前长期接纳周边生活和生产污水，直接造成水体富营养化，湖底淤泥污染严重，湖底高程年年增高，湖容不断缩减。据调查分析，东湖流域现状COD、NH3-N、TN和TP的入湖负荷分别为9 506.05，301.94，1 079.63 t/a和94.82 t/a。现阶段东湖湖底受污染淤泥平均厚度已达40 cm，局部区域甚至超过60 cm，且严重富营养化，如果进一步发展，东湖将形成更为严重的湖泊内污染循环。为了有效改善东湖水环境状况，有必要对受污染区域底泥进行清淤。

2.2 烧杯调理实验

2.2.1 实验设备与药剂

本实验主要仪器和设备如表1所示。針对东湖清淤底泥特性，本实验实施过程中拟添加调理剂和絮凝剂，其中调理剂为韩国合川环境综合技术研究所研发的净魔方改性矿物质粉末材料，絮凝剂为聚丙烯酰胺（PAM），两种试剂主要规格如表2所示。根据两种试剂的不同配比，观察其对清淤底泥的最终脱水效果。

2.2.2 实验步骤

本实验添加调理剂为净魔方改性矿物质粉末材料，该材料在过往实验和工程中展现出优异的水体污染物凝聚、沉淀能力。实验针对卧螺离心机产出泥饼含水率偏高，尾水SS较高的缺点，在投加聚丙烯酰胺（PAM）前增加净魔方粉末材料投加步骤，以找出净魔方粉末材料最佳的投加量。可分为以下3个阶段。

（1） 配方筛选。基于实验和工程经验，选择3种不同类型的净魔方粉末材料（TYP-A、TYP-B、TYP-C）与阳离子型PAM（分子量：800万～1 000万，离子度：30%～35%）进行对比实验。调整不同净魔方材料配比，观察底泥絮凝状态，并检测上清液水质，选定两种较优材料配方，进入下一阶段实验。

（2） 最优用量确定。根据前述实验结果，调整两种配方的单位投加量，通过观察上清液浑浊情况和底泥状况，确定材料最优用量。

（3） PAM选型。根据（1）和（2）实验中的结果，将选定的两种净魔方材料配方与5种不同类型的PAM相结合，净魔方材料用量固定为实验（2）中的最优用量，通过观察上清液浑浊情况和底泥状况，选择3种PAM进行后续卧螺离心机脱水实验。

2.2.3 实验结果与分析

2.2.3.1 配方筛选

以下实验中，净魔方材料单位投加量均为800 g/m3，即500 L泥水混合物投加0.4 g。另进行两组阳离子PAM实验，分别向500 mL泥水混合物中加入10 mL和15 mL浓度为0.1%的阳离子PAM溶液。

实验共使用3种净魔方材料，分别为TYP-A、TYP-B和TYP-C，实验所用材料种类和比例以及结果见表3。

经调理后得到的泥水在进入离心机脱水实验前，若泥水中的絮体越大，减容层度越高，则经离心机脱水后越容易得到含水率低的底泥；若絮体过小则易被水流搅动，难以在离心机中进行有效脱水。根据上述配方筛选实验结果中底泥的絮凝状态，并结合工程脱水工艺，确定选择A∶C=1∶2，B∶C=1∶1，PAM进入下一阶段实验。此外，上述实验结果显示，采用PAM时，上清液均是部分水质指标满足余水排放要求，而采用净魔方材料作为污泥调理剂时，上清液各项水质指标均满足余水排放要求。

2.2.3.2 最优用量确定

本阶段实验重点优化A∶C=1∶2，B∶C=1∶1的最佳投加量，同样在500 mL烧杯中进行，烧杯中预先装入500 mL泥水混合物，加入材料前需将泥水混合物搅拌均匀，实验结果见表4及图1。

根据上述结果，可判定两种配方单位投加量为800 g/m3及1 000 g/m3时处理效果差别不大，且明显优于单位投加量为600 g/m3时。考虑到技术实际应用过程中的经济性，确定两种配方的最优投加量均为800 g/m3，此时泥水可快速彻底分离，絮体松散不密集，上清液澄清。

2.2.3.3 PAM选型

本阶段实验进行PAM选型，使用净魔方配方A∶C=1∶2和B∶C=1∶1，单位投加量均为800 g/m3，所用5种PAM均配制浓度为0.1%的溶液，絮凝剂用量为5 mL PAM溶液∶500 mL泥浆。实验在500 mL烧杯中进行，烧杯中预先装入500 mL泥水混合物，加入材料前需将泥水混合物搅拌均匀，实验结果见表5。

根据上述结果，可得出净魔方配方A∶C=1∶2时，投加同种PAM絮凝剂，其絮凝效果较配方B∶C=1∶1好；且5种PAM中最优的为阳离子型（分子量：800万～1 000万，离子度：30%～35%），较优的为非离子型（分子量：1 200万）和阴离子型（分子量：1 500万～1 800万，水解度：25%～30%）。因此，选定上述3种PAM进行离心机中试实验。

2.3 卧螺离心机脱水实验

2.3.1 實验设备

本实验主要仪器和设备如表6所示，实验现场见图2。

2.3.2 实验步骤

实验所用水力旋流器FX250要求进料压力为0.06～0.3 MPa，分离粒度为40～100 μm，利用安装在旋流器进料管前的隔膜压力表和蝶阀，调节泥浆进口压力。卧螺离心机进料要求泥浆含固率小于10%，处理能力为0.5～2.0 m3/h，沉渣生产量约为0.4 m3/h。离心机转速、进料速度和加药速度均通过简易电控柜控制，为变频调控模式。实验中，卧螺离心机系统参数根据厂家建议设置，进料量恒定为0.5 m3/h左右，主机和副机差速约5 Hz。

基于烧杯调理实验结果，实验中选择两种净魔方粉末材料配方，并配合两类配方的最佳单位投加量，与筛选出的3种PAM混合使用。实验中，根据离心机排出尾水的颜色和浑浊状态，调节PAM溶液加药量，加药量可通过电磁流量计测定。净魔方材料投加量为固定值800 g/m3。

离心机系统进料泥浆来自项目部沉淀池，未投加任何污泥调理剂，含固率约8%～10%。泥浆经管道流入均质桶，均质桶内设置搅拌机，净魔方粉末在此步骤加入，搅拌5 min后开启均质桶阀门，泥浆通过泵抽至水力旋流器。泥浆中较重颗粒从旋流器底流口流出，较细颗粒随泥浆从顶部溢流口溢出，再通过进料螺杆泵进入离心机进料管道。PAM溶液通过加药泵与泥浆在管道中混合后，进入离心机。实验中所用PAM溶液浓度均为0.1%，使用前需连续搅拌2 h以上。

当离心机排放尾水澄清、无泡沫时，记录PAM用量。干泥和尾水由离心机下方排出，取水样和干泥进行水质和泥饼含水率测定。

2.3.3 实验结果与分析

对于含固率8%～10%的河湖清淤底泥，在使用净魔方改性矿物质材料调理后进入水力旋流器，能先分离出部分较大粒径颗粒的底泥，达到初步减容目的，从而减少后续处理负荷。再通过添加PAM经卧螺离心机脱水后，可得到较好的脱水结果。泥饼不仅能达到外运要求，同时解决了尾水浑浊、水质较差问题，滤出尾水可以不经处理、直接排放。尾水水质检测结果及泥饼含水率检测结果如表7～8所示。

单独使用3种PAM时，泥饼含水率均在65%以上。PAM作为目前污淤泥脱水最常用的絮凝剂，种类众多，絮凝效果明显。但因其高分子絮凝剂的特性，投加量偏大时，絮体中的结合水压出难度较大，导致生产的泥饼含水量较高。根据本次实验结果，泥饼含水率几乎不可能降至60%以下。另

外，单独采用PAM时，虽然余水SS不高，但氨氮浓度偏高，均大于5 mg/L，排放前需净化处理，而余水量大，会大幅增加综合运行成本。

采用净魔方材料+PAM时，1～6号6个组合泥饼含水率均可达到60%以下，其中最低的为样品1，即第一步泥水分离加入800 g/m3配方为A∶C=1∶2的材料，第二步使用阳离子型PAM（分子量：800万～1 000万，离子度：30%～35%），溶液浓度0.1%，PAM加药量为2.22 g（此处指1 kg绝干污泥量所添加的PAM用量，下同）。，此时泥饼含水率为48.67%。若采用材料B和材料C比例为1∶1的配方，则4号样品含水率最低，即第一步泥水分离加入800 g/m3配方为B∶C=1∶1的材料，第二步使用阳离子型PAM（分子量：800万～1 000万，离子度：30%～35%），溶液浓度0.1%，PAM加药量为2.22 g，此时泥饼含水率为53.66%。

总体来说，采用净魔方材料调理+PAM时，两种不同净魔方材料配方产生余水水质相差不大，氨氮介于3.14～4.16 mg/L之间，溶液接近中性，SS最低可达5.221 mg/L，即配方为A∶C=1∶2+阳离子型PAM。单独使用PAM时，余水氨氮浓度上升约20%，介于5.92～6.82 mg/L之间。A∶C=1∶2，B∶C=1∶1和对照组这3组实验中，余水水质基本呈现阳离子型＞非离子型＞阴离子型的变化趋势，泥饼含水率均为阳离子型最低。

综上实验结果，本次实验最优工艺为配方A∶C=1∶2的净魔方调理剂+PAM用量2.22 g阳离子型PAM（分子量：800万～1 000万，离子度：30%～35%）+卧螺离心机脱水（参数设置：主机35.48 Hz，副机30.23 Hz，进料泵11.96 Hz，加药泵10.32 Hz）。该工艺产生的泥饼含水率为50%以下，可达到外运要求，同时解决尾水不能直接排放问题，极大地节约了尾水处理的设备投入和运行费用。

3 结 语

利用本文提出的技术进行清淤底泥脱水产生的泥饼含水率较低，满足外运要求，而且可进行资源化利用。滤出尾水水质较好，能够直接排放，适用于对环保要求较高的工程项目中。但该技术验证实验处理的清淤底泥规模较小，在实际工程大规模应用中的效果还有待观察。后续研究中应逐渐扩大应用规模，不断完善工艺参数，最终形成可成熟化应用的清淤底泥脱水减容新工艺。

参考文献：

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［5］ 翟自芹，赵琢，王华，等.工业水力旋流器预处理疏浚含泥海水模拟试验研究［J］.盐科学与化工，2021，50（9）：37-39.

［6］ 聂小保，徐超，易青明，等.水力旋流器原位处理疏浚泥水研究［J］.中国给水排水，2018，34（11）：66-72.

［7］ 向浩，孟建军，明玮，等.大东湖生态水网构建工程引水絮凝处理实验研究［J］.2014，45（16）：7-11.

（编辑：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

作者簡介：

肖 明，男，工程师，硕士，主要从事河湖疏浚底泥处理技术研究。E-mail：1145431857@qq.com