河道疏浚底泥脱水技术及工艺优化研究进展

李青 熊刚

（中铁环境科技工程有限公司，湖南 长沙 410100）

1 引言

我国水系发达，近些年我国经济发展迅速，河道水土流失和水体污染问题引起关注。据相关资料统计，每年大约有上亿吨泥沙沉积在自然或人工水体中［1］。另外，伴随着工业化的迅速发展，工业废水和生活污水排入河道，泥沙的淤积和进入河流的污染物会使自然水体的自净功能严重减弱，甚至导致水体丧失基本功能［2］，因此河道综合整治工程已成为环境保护中的研究热点，其中，污染底泥处理处置工程是重要部分。

近些年来，环保疏浚行业快速发展，使得疏浚底泥大量产生，这些疏浚底泥含有许多动植物残体，有机物含量高，且污染成分复杂［3-4］。同时，疏浚底泥体积庞大，含水率高，不利于后续储存、运输和处置，因此底泥脱水显得十分重要［5］。脱水是从底泥絮体中去除水，从而减少需要最终处置的底泥量，降低底泥处置成本［6］。本文综述了目前底泥脱水技术研究现状与劣势，总结了底泥脱水技术发展过程中脱水调理剂以及脱水设备工艺的优化，以期为底泥脱水技术在我国的实践与推广应用提供参考，并针对底泥脱水技术的发展方向提出建设性建议。

2 河道疏浚底泥脱水技术研究现状

近年来，人们开始关注缩减底泥体积、控制污染物释放的方法以及如何将底泥在后续资源化利用时产生的环境风险控制在一定范围内。根据处理方法作用位置的不同，河道污染底泥分为原位处理与异位处理2 种方式。原位处理技术即在处理时保持底泥所处位置不变，用数层性质稳定的覆盖材料完全遮盖底泥表面，底泥与上覆水体不直接接触，阻断两者间的物质交换，防止污染物向水体释放［7］。这种简单的处理方法不需要处理底泥，但这种方法只能在一定程度上防止底泥中的污染物释放到水体中，而且底泥也只能留在原地，不能资源化利用。相比较来说，原位处理费用低廉，但是污染底泥原位处理技术暂时没有成规模的工程经验，目前还处于实验室和中试阶段，在实地实施过程中存在控制困难和处理效率低下等缺点，使其目前还没有得到大规模的广泛应用。

异位处理是通过机械施工的方式将受到污染的底泥从河底提取后再进行处理。目前国内外最常用、最有效的异位处理方法是使用绞吸船、抓斗船、挖掘机等进行疏浚［8］，这是现有科技水平下消除内源性污染的最佳途径。使用该方法清除河底表层受污染的底泥，可以有效达到改善水质的目标。与原位处理方式相比，异位处理的方式比较复杂，但是也较为彻底，可清除底泥中污染物，从而杜绝其向上覆水体释放。然而异位处理也有着较大的缺点，国内的疏浚底泥的含水率往往高达95%以上［9］，这使得异位处理的工程量非常大，因此降低底泥的含水率就成为底泥处理的重要研究方向。当前，国内外常用的对底泥进行脱水干化的方法主要包括以下4 种。

2.1 自然干化

自然干化在工程中应用较早，是一种很经典的处理方式。在闲置的空地上堆放通过疏浚清淤得到的底泥，经过一段时间的风吹日晒，底泥中的水分会因为自然下渗、蒸发等而自行降低［10］。操作简单，处理方便，这是自然干燥法的主要优点，但在实际应用时，受土地、气候和工期的限制，自然干化无法成为底泥处理处置的主流方法。

2.2 电渗析法

电渗析法是当下一种效果较好的底泥脱水方法，根据它的反应机理，多数研究人员倾向于将常规的处理方式与电化学相结合。带有正电荷的水分子会在外加直流电场的强制作用下向阴极移动，这样会使底泥的泥水分离过程更加容易。陈雄峰等［11］利用电渗析法对太湖环保疏浚底泥进行脱水研究，经过240 h 的电渗析法脱水之后，底泥的含水率从开始的38.72%降至32.85%，可见电渗析法可在较短时间内脱去底泥中的水分。

电渗析脱水的效率主要取决于电场强度、添加的脱水剂、溶液pH 等。但电渗析法具有高能耗和高成本的缺陷，直接导致其无法大规模应用在底泥处置工程中。

2.3 土工管袋法

在土工管袋中装满疏浚底泥，在管袋外部施加压力来促使泥水分离，这就是土工管袋的工作原理。脱水过程主要包括3 个环节：（1）填充。在土工管袋中装满疏浚底泥，目前通常在土工管袋中加入一定量的调理剂来提高底泥的脱水效率。（2）过滤。底泥中的水分在压力的作用下从土工管袋内过滤排出，而底泥因土工管袋阻拦滞留在原地，实现泥水分离。（3）固化处理。泥水分离后，底泥随同土工管袋一同运输到指定地点做填埋处理，或选择合适的手段进行循环利用。

现如今，使用土工管袋脱水技术降低底泥含水率已经比较成熟。王琦等［12］使用土工管袋脱水固结技术处理无锡市梅梁湖底泥，通过调整土工管袋的结构，改变调理剂用量，探究影响底泥脱水的因素。其得到的结论是：当阳离子型PAM 的加入量控制在0.6‰～1‰时，使用0.5 mm 管袋材料孔径可使底泥脱水效率最佳。天津生态城某污泥处理厂选择使用脱水药剂来提高底泥的脱水效率，改善土工管袋法的脱水固结效果。

2.4 机械设备脱水

用机械设备来实现底泥的泥水分离是现今一种比较常见的方式。刘宏等［13］对官渡区海河疏浚底泥进行研究试验，结果表明，对于有机物含量较高的疏浚底泥，分子量为1 500 万、水解度为14%的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）絮凝效果和浓缩后泥浆板框压滤脱水效果及出水水质较好，隔膜板框压滤挤压时间30 min，泥饼含水率可降至40%以下。汪生杰［14］对武汉龙阳湖疏浚底泥采用离心脱水系统进行干化处理，采用聚丙烯酰胺（PAM）作为调理剂，完成泥浆调理和泥水即时分离，最终得到了平均含固率约为30%的泥饼。吕斌等［15］在武汉使用板框压滤法治理东湖底泥，通过测量底泥比阻，论证该方法的处理效果。其通过实验得知，CaO 和PAC 等调理剂，能使底泥的脱水性能显著提升。

疏浚底泥各种脱水干化方式优缺点见表1。

表1 疏浚底泥脱水干化方式优缺点

3 脱水调理剂研究进展

如今单独使用机械脱水方法已不能满足实际工作需求，在底泥进行机械脱水之前要对其进行调理以增强脱水效果。要改善底泥的脱水性能，通常需要通过物理、化学或物理化学联合调理作用来实现。底泥经调理后组织结构会改变，黏性降低，不仅脱水压力减小，而且脱水后底泥的含固率明显提高。

市面上常见的调理剂目前主要可以分成2 类，即有机调理剂和无机调理剂。无机调理剂可以进一步划分为无机低分子调理剂和无机高分子调理剂2种。最为传统的无机低分子调理剂包括以硫酸铝、明矾等为代表的铝盐和以三氯化铁、硫酸铁等为代表的铁盐。无机高分子调理剂相对而言处理效果更好，价格也较低。无机调理剂通常价廉易得，但需要大量投加，反应完成后会产生较多沉淀，而且需要进一步改进技术来增强其处理效果［20］。

有机调理剂目前主要有2 种，即天然成分和人工合成。有机调理剂均为具有良好水溶性的线型聚合物，其优势是使用时投加量少、反应迅速、针对性强等，同时能有效降低泥饼含水率。但是有机调理剂价格昂贵，使用过程中会产生可能引起“三致”效应（即致畸、致癌、致突变）的有毒单体，这导致有机调理剂不能广泛使用。

现如今需要处理的底泥比较复杂，使用单一调理剂已无法达到处理要求，为了充分发挥无机和有机2 种调理剂的优势，研究者们开始关注复合调理剂。表2 列出了目前在底泥脱水中采用的调理剂及其对脱水过程的优化效果。无机、有机复合调理剂将两者优势集于一体，调理效果更加优越，在未来的研究和应用中会有更广阔的空间。

表2 调理剂作用于底泥脱水的优化效果

4 底泥脱水设备工艺优化研究进展

4.1 带式压滤脱水机

底泥进入滤布带叠加形成的工作空间后，通过滚轮旋转从外侧挤压滤布来完成底泥的泥水分离，这就是带式压滤脱水机的工作原理。其构造通常包括滤布带、滚轮、张力调整轮、限位器、限速器、冲洗水枪等。国内很早就引进了带式压滤机技术，相关产业链和技术支持目前已经非常成熟。在底泥日处理量变化波动较大时，适合使用带式压滤脱水机。带式压滤机工作时不需要繁杂的操作，工作效率高，处理量仅次于板框式压滤机。带式压滤脱水机工作时可连续运行，没有保压过程，故得到的成品含水率通常为80%～85%，目前仍然需要做进一步的研究优化。

4.2 离心脱水机

离心式脱水机的核心部件是离心滚筒。螺旋输送器将泥浆送进离心式脱水机内部后，离心滚筒旋转运动产生巨大离心力。底泥在离心力作用下被甩至离心滚筒内壁，水受到的离心力小，从底泥中析出暂时停留在泥浆层表面，并因为与底泥之间附着力较弱而逐渐下落流出，这样就实现了底泥的泥水分离。离心脱水机运行时会产生噪声污染，且需要消耗大量电能，同时操作人员需要具备一定的专业素质，通过离心脱水，底泥的含水率会下降至75%左右，离心机处理效果满足不了实际需求，还需要频繁进行设备维护保养，所以目前国内应用不多。

4.3 压榨式压滤机

压榨式压滤机工作时主要通过机械压榨的形式进行泥水分离。压榨式压滤机品种繁多，目前广泛应用的有螺旋式、拧干式、活塞式、压榨过滤式、冲压式等。压榨式压滤机加压时间比较长，处理效果卓越，在实际应用时常用于处理标准要求严格的污水。压榨式压滤机结构比较简单，维修方便，但由于作用时间较长，容易影响工期，并不适合用于处理城市底泥。在各种压榨式压滤机中，旋转挤压压滤机工作效率最高，可以一定程度上解决传统机型处理速度慢的问题。但该设备对于压榨底泥的黏度等性质有严格要求，为了满足条件通常需要向泥浆中加入各种调理剂，而且设备对动力要求严格，工作时耗电量很大。另外，压榨式压滤机日处理量较小，不适合用于完成工程量较大的任务。

4.4 板框式压滤脱水机

板框式压滤脱水机的工作原理是先用泥浆充满滤板之间的过滤空间，外部施加压力挤压滤板将水分挤出，在滤布的过滤作用下，实现底泥的泥水分离。常见的板框式压滤脱水机构造包括支撑架、液压系统、滤板、进气系统、滤布反冲系统和限位器等。板框式压滤脱水机的主要优点是能最大限度降低底泥含水率，处理效果优异［26］。板框式压滤脱水机日处理量最大，在污水处理厂使用最多。设备集成化与功能模块化程度高，操作培训容易，维修保养不复杂。但其进行工作时，需要指定专人看管。

疏浚底泥脱水设备性能优缺点见表3。

表3 疏浚底泥脱水设备性能优缺点

5 结论与展望

综上所述，底泥含水率过高已成为底泥处理处置的瓶颈。（1）目前底泥主要采用异位处理方法，常用的底泥脱水技术有自然干化、离心法、电渗析法、土工管袋法、板框压滤法。本文对底泥脱水的常用技术进行了归纳总结，指出了各种脱水技术的优缺点。常规脱水后底泥的含水率通常在75%～85%，并不能满足后续一些处理处置措施对污泥含水率的要求。（2）通过添加调理剂，可极大改善和加快底泥脱水的过程，降低底泥的含水率。本文同时对底泥脱水调理剂进行调研，分析比较了有机调理剂和无机调理剂作用于底泥脱水的优化效果，发现单一调理剂作用效果有限，复合调理效果更好。（3）阐述了带式压滤机、离心脱水机、压榨式压滤机、板框压滤机的工作机理，比较了不同设备性能的优缺点。发现板框压滤机脱水处理效率高、脱水效果好，更能适应底泥的深度脱水。

针对目前疏浚底泥脱水技术的研究现状及运行实践中面临的问题，本文对未来研究提出几点建议：一是加强底泥脱水调理剂的技术攻关，深入研究污泥微生物絮体的性质，筛选出最适合的调理剂，提高脱水效率、降低污泥含水率；优化调理工序控制环节，实现污泥最佳脱水性能。二是疏浚环节对底泥的性质影响较大，需加强对疏浚工序的质量控制，保证底泥具有稳定的物理化学性质。国内底泥成分差异大，容易造成设备磨损和堵塞，需加强对脱水设备关键部件的设计，延长设备的使用寿命。三是底泥脱水是疏浚处理工作的一个重要环节，因为脱水可以减少底泥堆放体积，方便储存和运输以及后续的处理处置。如何尽量减少底泥对环境的影响，又能高效低耗处置底泥，是黑臭水体治理工作的研究发展方向。底泥含水率高，运输困难，污染成分不明确，仅依靠机械脱水无法达到国家标准要求，今后以机械脱水为主，结合多种辅助性脱水技术的组合型工艺及设备，将成为河道疏浚底泥脱水的研究发展方向。随着技术的进展，这种集成脱水技术将得到越来越多的应用。