底泥脱水调研报告.docx

底泥脱水技术调研报告1.调研背景本课题旨在研究一种经济、高效的疏浚底泥减量化方法，在较短的时间内（36个月），降低底泥含水率，减少疏浚泥浆占用底泥堆场的时间，提高土地利用率，以便于环保疏浚工程顺利地展开，也为后续的疏浚底泥资源化利用创造有利条件。同时也探索出一条经济、合理的处理处置环保疏浚底泥余水的方法，为环保疏浚工程大规模应用提供基础。2.环保疏浚概述2.1环保疏浚的意义河流、湖泊、水库等水体在漫长的演化过程中，由于雨水冲刷沿岸、大气沉降等自然现象，形成了底部沉积物。沉积物分为有机颗粒与无机颗粒，由于沉淀、吸附、累积的富集效应，水体中沉积物的污染物浓度往往高于其上覆水体。底泥与上覆水体之间存在着一种吸收与释放的动态平衡，当水体中的污染物质浓度增大时，底泥对污染物的吸收量就变大；当水体中的污染物质浓度减小时，底泥会向水体中释放污染物，以维持动态平衡。另外，若底泥上覆水体的流速、温度、pH值等条件发生变化，底泥中的污染物质极易重新释放进入水体，造成二次污染，所以底泥是水体中不可忽略的内源污染。随着人们对环境质量要求的不断提高，大批新建的城市及城镇污水处理厂投入使用，污水直排水体的现象得到了初步遏制，进入水体的污染物质得到有效控制。当排入水体的污染物负荷降低时，内污染源成为水质改善的制约因素。因此，针对控制内源污染所采取的技术措施显得尤为重要。控制内源污染的方法，一般采取原位处理与异位处理。原位处理技术是指将受污染底泥留在水体中，切断其与上覆水体的污染物质交换，如原位覆盖技术，将受污染的底泥表面覆盖一层或多层清洁的覆盖物，隔绝底泥与上覆水体的污染物质交换，阻止底泥中的污染物质向水体释放。异位处理是将受污染的底泥通过机械的方法，将其从水体中取出后再加以处理，如环保疏浚。底泥环保疏浚是迄今为止最彻底的去除湖库内源污染的方式。环保疏浚旨在去除湖库水体中的污染底泥，降低污染负荷，并为河流、湖泊水生生态系统的恢复创造条件。2.2环保疏浚所面临的问题以太湖为例，底泥总蓄积量为19.15亿m3，全湖平均底泥厚度为0.82m，参照国内外已实施清淤工程的疏浚深度，平均深度以4050cm为宜，则需要疏浚的原状底泥量超过10亿m3。若采用目前常用的绞吸疏浚方式，则会产生数十亿m3泥浆之巨。从2002年开始的针对太湖湖湾五里湖的疏浚工程，仅一期清淤工程就产生370104m3泥浆。环保疏浚泥浆数量巨大，含水率高，含有大量重金属、氮、磷、有机物、病毒等各种污染物质。疏浚泥浆的土质成分一般以细颗粒粉质粘土居多，在自然条件下不易脱水干化，如遇降水较多的气候，则5-10年后疏浚土都无法达到承载力要求，疏浚堆场无法重复利用，堆场土地被长期占用，导致疏浚工程占地压力较大，严重影响大规模疏浚工程的开展。如何将环保疏浚底泥减量化，即进行快速脱水干化，已成为制约底泥环保疏浚工程广泛开展的关键因素。同时，还需要保证环保疏浚底泥堆场中的余水，在回排水体的过程中，不会造成二次污染。2.3污泥调理污泥具有高亲水性，污泥中水与污泥固体颗粒的结合力很强，如果没有预先的处理，则绝大多数污泥的脱水是非常困难的。污泥调理是改变污泥粒子表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，从而改善污泥脱水性能。污泥调理根据调理机制可分成三类：物理调理、化学调理和生物调理。2.3.1污泥的物理调理污泥的物理调理是指通过外加能量或应力来改变污泥性质，提高污泥脱水性能的方法，如淘洗法、冷冻融化处理、超声波处理、加热处理、高压处理等。淘洗法适用于消化污泥的预处理。污泥淘洗是将污泥与3-4倍污泥量的水混合而进行沉降分离的一种方法。污泥淘洗的目的是降低污泥中的碱度和粘度，以节省混凝剂的用量，降低机械脱水费用。冷冻融化处理是指将污泥慢速冰冻，完全结冰后再将污泥在常温下解冻。此法可以充分破坏污泥絮体结构，污泥脱水性能明显提高。有文献报道，冷冻融化处理使污泥结合水含量大大降低，但其受气候条件的限制很难普遍推广应用。热处理调理是对污泥进行加热，污泥中的细胞被分解破坏，细胞膜中的内部水游离出来，并且使亲水性有机胶体物质水解，提高污泥的脱水性能，对于脱水性能很差的活性污泥特别有效。热处理调理主要分高温加压处理法和低温加压处理法两种工艺。加热处理由于投资运行费用高，操作复杂，其应用并不广泛。超声波调理污泥的作用机理非常复杂，其作用条件如声波强度、作用时间、频率均影响到处理的效果，且它们之间还相互影响，目前对操作条件的优化还没有进行系统的研究。2.3.2污泥的化学调理化学调理是污泥调理中改善污泥脱水性能最常用的方法。污泥的化学调理是向污泥中投加适量的絮凝剂、助凝剂等化学药剂改变悬浮溶液中胶体颗粒表面的物化性质和组分，破坏污泥的胶体结构，减小与水的亲和力，并以搅拌等外力使其相互碰撞，污泥颗粒絮凝成团而发生沉淀，达到去稳定化的效果。(1)无机絮凝剂无机絮凝剂按金属类型可分为铝盐系和铁盐系两大类，按分子量可分为普通无机盐和高分子系两大类。铁盐和铝盐一般单独或联合石灰一起使用，此类方法被广泛应用于污泥的混凝、絮凝过程。石灰作为助凝剂，它除了调节pH外，还可以改变污泥颗粒的结构，为污泥提供多孔网格状的骨架，增强絮体的强度，改善污泥脱水性能。无机高分子絮凝剂主要有聚合铝盐和聚合铁盐两大类，主要有聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合氯化铁(PFC)和聚合硫酸铁(PFS)等。这些聚合物在水中水解生成单核配位物，再经聚合生成多核配位物，能有效压缩双电层，降低水体中胶体的甲电位，使颗粒之间的排斥力降低，具有较高的正电荷和比表面积，能迅速吸附水体中带负电的杂质，表现出了很强的吸附能力和净水性能。(2)有机絮凝剂有机高分子絮凝剂均为水溶性聚合物，大分子常会有带电基团，因此被称为聚电解质。随着聚合物工业的发展和污泥脱水设备的成熟，有机絮凝剂逐步取代了无机絮凝剂。在污泥脱水过程中，常用的有机高分子絮凝剂主要有天然高分子改性型和合成型两种。天然高分子改性型絮凝剂包括淀粉、纤维素、甲壳素、多糖类和蛋白质等类别的衍生物。制备方法主要是以天然高分子链为主链，运用各种聚合方法接上丙烯酞胺类物质，然后进行改性，引入阳离子基团。这类絮凝剂的研究开发为天然资源的利用和生产无毒絮凝剂开辟了新的途径，有利于原材料的充分利用，价格低廉，生物降解性和产品絮凝性良好，是一种理想的絮凝剂。合成型高分子絮凝剂按其离解基团的电荷类型可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性型。目前，在生活污水处理领域中的合成类调理剂中，以聚丙烯酞胺(PAM)及其改性为代表，其中，阳离子型聚丙烯酞胺(CPAM)应用最为广泛。这是因为污泥是由带负电的污泥颗粒组成，阳离子絮凝剂可以起到中和电荷的作用，使其絮凝脱水。现有的化学调理方法也存在许多不足，如无机药剂投加量较高，增加了污泥的干重，减少了污泥的热值；有机高分子絮凝剂价格昂贵，有些单体有毒性，危害人类生存环境。而且经研究发现，絮凝剂调理只能增加污泥过滤速度和沉降速度，不能提高污泥的可脱水程度。(3)复合絮凝剂由若干无机、有机絮凝剂制备或复配而成的絮凝剂称为复合絮凝剂。目前常用的复合絮凝剂有无机/无机、无机/有机等复合絮凝剂。复合型絮凝剂是最近几年才开始研制的新型絮凝剂，它能综合单一絮凝剂的各自不同的优点，克服某些性能上的不足。如复合絮凝剂适应范围广，pH使用范围大，对各种浓度水质或有色废水等均有良好净化效果，污泥脱水性能好等诸多优点，在水处理领域得到越来越广泛的研究与应用。目前，以无机/有机复合絮凝剂的研究应用较多。曾德芳等以粘土矿物累托石和奸蟹壳为主要原料，将累托石进行改性，奸蟹壳与氯氧化钠制成天然高分子材料，配置成复合絮凝剂工作液。在最佳条件下，与聚丙稀醜胺相比，污泥脱水率提高了 5. 47%，污泥沉降时间缩短了 33. 33%，吨污泥单耗絮凝剂成本下降了4%，且处理过程中的二次污染大幅度减小。郭亚萍等将三氯化铁与聚乙烯醇以4:1配合使用，与单独使用三氯化铁、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺三种絮凝剂进行污泥调理效果的比较，发现复合时脱水效果均优于单独使用以上三种絮凝剂。该复合絮凝剂用量为干泥量的1.0%时，污泥含水率由94%下降到71%，其体积可缩小为原体积的2%，且滤液透光率达98%。吴幼权等对天然高分子/有机复合絮凝剂进行了研究。在氮气保护下，以硝酸铈钱为引发剂，采用壳聚糖与有机单体丙烯酷胺接枝共聚制得壳聚糖衍生物(CAM)，再与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)复配，制备了复合絮凝剂CAM-CPAM。考察了该复合絮凝剂对污泥脱水性能的影响。发现经该复合絮凝剂调理的污泥脱水性能明显优于壳聚糖(CST)和阳离子聚丙烯酷胺(CPAM)。当投加量为30mg/L时，污泥脱水率可达90%以上，沉降速率可达0. 55 cm/s，滤液浊度小于8NTU，透光率高于85%。2.3.3污泥的生物调理一般来说，污泥消化是最常用的生物调理方法。污泥消化包括厌氧消化和好氧消化。好氧消化是在对污泥进行长时间曝气的条件下，微生物通过细胞原生质的内源呼吸和自身氧化取得能量的一种方法，在此过程中，细胞物质中有机组分被氧化为二氧化碳、水和氨，氨进一步被氧化为硝酸盐。但好氧消化需添加曝气设备，能量消耗大，因此一般应用较少。厌氧消化是污泥稳定最常用的方法，它是在无氧条件下，利用厌氧菌的作用，使有机物液化、气化而分解为稳定物质，病菌、寄生虫卵被杀灭，污泥达到减量化和无害化的一种方法。2.4污泥脱水2.4.1污泥中水的存在形式污泥中所含水分形态，不同的文献有不同的分类，一般认为有四种形态，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部结合水。(1)表面吸附水表面吸附水是指吸附在污泥颗粒表面的水分。污泥的胶体颗粒小，比表面积大，吸附能力强，胶体颗粒带有相同性质的电荷，相互排斥，妨碍颗粒的聚集而保持相对稳定的状态，因而表面吸附水用普通的浓缩或脱水方法去除比较困难。加入混凝剂后，胶体颗粒表面电荷得到中和，污泥颗粒呈不稳定状态而聚集到一起，颗粒增大后其比表面积减小，表面张力随之降低，表面吸附水也随之从胶体颗粒上脱离。(2)空隙水空隙水是指污泥颗粒之间的水分。它不与污泥颗粒直接结合，较容易去除，只需在污泥浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其分离出来。空隙水一般占污泥中总含水量的65%-85%，这部分水是污泥浓缩的主要对象。(3)毛细结合水将一根直径细小的管子插入水中，在表面张力的作用下，水在管内上升使水面达到一定高度，这一现象称为毛细现象。水在管内上升的高度与管子半径成反比，就是说管子半径越小，毛细力越大，上升高度越高，毛细结合水就越多。污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在颗粒接触表面上，由于毛细力的作用，形成毛细结合水，毛细结合水约占污泥中总含水量的15%-25%。毛细水和污泥颗粒之间的结合力较强，浓缩作用很难将毛细结合水分离，需借助较高的机械作用力和能量才能去除这部分水分。(4)内部结合水内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分，它的含量与污泥中微生物细胞体所占的比例有关。内部结合水与固体结合很紧密，一般不能通过机械脱水去除。要去除这部分水分，必须破坏细胞结构，使细胞液渗出，由内部结合水变为外部液体。可以通过好氧菌或厌氧菌的作用进行生物分解，或采用高温加热和冷冻等措施去除内部结合水。内部结合水的含量不多，内部结合水和表面吸附水一起只占污泥中总含水量的10%左右。图2-1 污泥中水的存在形式2.4.2污泥脱水性能评价不同性质的污泥脱水性能差异很大，评价污泥脱水性能的研究通常着眼于污泥过滤的难易和最终可脱水程度。衡量污泥过滤速度快慢一般有两个指标：污泥比阻(Specific Resistance to Filtration，SRF)和毛细吸水时间(Capillary Suction Time，CST)。污泥的最终可脱水程度用脱水后泥饼含水率进行表征。(l)污泥比阻(Specific Resistance to Filtration，SRF)污泥比阻是表征污泥过滤性能的综合性指标，是指在一定压力下，单位过滤面积上滤饼单位干重所受到的阻力，一般用r表示。不同的污泥种类，其比阻差别较大。一般来说，比阻小于1x1011m/kg的污泥易于脱水，大于1x1013m/kg的污泥难于脱水。(2)毛细吸水时间(Capillary Suction Time，CST)毛细吸水时间(CST)等于污泥与滤纸接触时，在毛细管作用下，水分在滤纸上渗透1cm长度的时间，以秒计。CST越大，污泥的脱水性能越差。在一定范围内污泥的毛细吸水时间与其比阻存在一一对应的关系。CST测定设备简单，操作方便快捷，特别适合于调理剂的选择和剂量的确定。2.4.3污泥相关性质与污泥脱水性能之间的关系 (1)污泥颗粒粒径污泥颗粒的大小是影响污泥脱水性能最重要的因素。污泥颗粒越小，颗粒的比表面积就越大，意味着更高的水合程度和过滤的阻力越大。污泥颗粒本身带有负电荷，互相之间排斥，最终形成了一个稳定的分散系统和胶状絮体。当污泥中小颗粒比例增加时，离心分离的固体回收率降低，压滤机的滤饼渗透性变低，过滤性变差，调理剂最优加药量增加。污泥的细小颗粒所占比例跟污泥本身的性质和外界的湍流剪切力有关。研究显示，当含固率增加或湍流剪切力增加时，悬浮液小颗粒比例也增加。污泥含固率对污泥脱水的影响，其实质决定于细小颗粒所占比例。随着污泥固体浓度上升，单位固体浓度对应的浊度和粘度上升，说明细小颗粒增加，单位固体浓度对应的最优加药量增加，同等加药量调理后的污泥比阻值也上升。通常，当污泥经过pH调节、生物降解、不同种类污泥混合和药剂调理时，会改变污泥的脱水性能，其本质都是通过改变颗粒大小分布来优化污泥脱水特性的。 (2)胞外聚合物(Extracellular Polymer Substances，EPS)EPS是一种微生物分泌的，附着于细胞表面的不溶性有机物，EPS占污泥中总有机物的比例约为50%-90%，是生物絮体的主要组成部分，主要由多糖、蛋白质、核酸和腐殖酸组成，其中多糖和蛋白质约占EPS总量的70%-80%。EPS通过连接细胞和其他物质以稳定污泥的絮体结构，为微生物提供最基本的生长条件，形成保护屏障，保护细胞免受外部环境的影响。 (3)金属离子含量研究表明金属离子能影响污泥的沉降和脱水性能，二价离子(尤其是Ca2+)、无机颗粒和EPS的相互作用可导致污泥中絮体的形成和沉降。Ca2+在EPS之间及EPS与细菌之间起吸附架桥作用，形成坚实的骨架结构，在絮体稳定过程中发挥着重要作用。DLvO理论认为，当离子强度增加时，颗粒间的斥力会减少，从而促进了颗粒之间的絮凝作用。因此，金属离子在污泥絮体的形成中起着重要作用。研究证明腐殖土壤能提高污泥的脱水性能，起作用的主要是从土壤中释放出的Ca2+、Mg2+等，过量的单价金属则会破坏絮体结构，降低污泥的沉降和脱水性能。所以污泥中一价金属和二价金属的比值可作为判断污泥脱水性能的一个指标。Neyens等认为阳离子通过吸附EPS上的负电点从而促进絮体粒径的增大，然而二价金属离子可结合蛋白质而非多糖，加入二价金属离子可以改善污泥的沉降和脱水性能，表明蛋白质在絮凝过程中起重要作用。3.国内外研究现状1.2.3.现有的国内外疏浚泥浆脱水干化方法主要包括如下几种类型，分述如下：3.1自然干化环保疏浚工程实施过程中，会有大量的污染底泥产生，传统的环保疏浚工程，对污染底泥的处理方法是寻找大面积的闲置且连片的土地修建泥塘，进行简单的堆存，采用自然干化的方法固结后再利用。疏浚底泥的自然干化堆场如图3-1所示：图3-1 底泥堆场自然干化示意图疏浚泥浆通过泥浆泵，被送入底泥堆场，在自然状态下泥水分离。通过闸门高度的调节，将上清液排入排水沟，剩余的底泥颗粒沉积在堆场中。多次重复上述过程，直至堆场中的泥浆不再排出大量余水，则开始自然干化阶段。传统的疏浚底泥自然干化方法，在堆场上清液排放完成后就进入自然干化状态。自然干化主要通过日照蒸发、风干、自然下渗等途径，干化期需要5至10年甚至更长时间，而且受气候影响很大，如遇降水等天气因素影响，尤其是对于细颗粒为主要成份的粉质粘土，将会大大延长其干化周期。从而长期占用干化堆场，造成土地资源的闲置浪费，不利于土地资源的开发利用和景观修复，直接制约了湖泊治理的进度。若天气持续晴好，则堆场表层的泥浆干化速率较快，但堆场中下部分泥浆由于得不到日光直射和自然风的吹拂，中下部泥层中的水分极难排出，所以疏浚底泥自然干化堆场深度应加以控制，一般不超过3米。另一方面，堆场中的底泥裸露与大气之中，与周围环境直接接触，疏浚底泥中含有大量有机物、有毒重金属元素和病原微生物等，若在自然干化堆场中长时间堆放，易发生腐败现象，散发臭气、释放病原菌、影响美观和卫生，甚至影响人们的身体健康。可见，传统的自然干化方法已不能适应日益增长的疏浚泥浆数量及人们对环境舒适性的要求。因此，对疏浚底泥进行适当的脱水脱臭处理处置显得尤为必要，以达到疏浚泥浆减量化、无害化的目的。3.2主动开沟排水干化开沟主动排水是指在堆场内设置各种形式的排水系统，将雨水顺利排出堆场以提高疏浚底泥自然条件下脱水干化效率的一种方法。开沟方式如图3-2所示。图3-2 主动开沟排水干化法示意图开沟主动排水方法施工时，需进行多次作业。当堆场余水排尽，在日照和自然风的作用下，表层泥层出现龟裂现在之后，开始第一次开沟作业，开沟深度约为20cm；经过10天左右的无降水连续干化，在第一次开沟深度的基础上，加深10-15cm；再经过10天左右的无降水连续干化，继续加深排水沟深度，直至形成有效的排水系统。研究显示，对于太湖等粉质粘土类的疏浚底泥堆场，其脱水干化效果受降水影响尤为严重。开沟主动排水，开挖间距为5m和10m的排水沟，堆场中底泥干化情况受降雨影响较小，特别是间距为5m的排水沟，含水率能快速降低到25%左右，而且之后基本没有很大的变化，只有在雨水特别充足的情况下才略有升高。而间距在40m时，在降水充足的条件下，含水率有明显上升的趋势。但是如果构建了较好的排水设施，堆场底泥含水率上升到一定高度后不再升高，也能将雨水及时排出，但是开沟主动排水不能在短时间内排除粘土中的孔隙水，无法有效解决堆场中下部分泥层中的水分不能快速排出的问题，相对于自然干化方法而言，对疏浚泥浆脱水干化效率的提高作用有限。在第一次开沟作业之前，需要排尽堆场表面的余水，且要求堆场表面泥层出现硬壳，如遇到连绵不断的阴雨天气，仅达到开沟作业条件就需要相当长的时间，所以开沟主动排水方法是一种提高疏浚底泥堆场脱水干化效率的辅助措施。3.3机械脱水方法主要包括离心脱水和板框压滤脱水两大类。3.3.1离心法离心机脱水原理如图3-3所示。图3-3 离心机工作原理图主要由转载和带空心转轴的螺旋输送器组成，底泥由空心转轴送入转筒后，在高速旋转产生的离心力作用下，立即被甩入转毂腔内。底泥颗粒比重较大，因而产生的离心力也较大，被甩贴在转毂内壁上，形成固体层；水密度小，离心力也小，只在固体层内侧产生液体层。固体层的底泥在螺旋输送器的缓慢推动下，被输送到转载的锥端，经转载周围的出口连续排出，液体则由堰四溢流排至转载外，汇集后排出脱水机。研究显示，采用水力吸泥-离心脱水工艺进行疏浚，不仅可有效地清除此部分底泥，而且能在现场使疏浚泥浆颗粒中的大部分固态化为泥饼，泥饼的污染水平可远低于原状底泥，从量与质两方面均可有效地减轻疏浚物料的后续处置压力。一般情况下，在进泥最大含水率为97%的条件下，离心脱水机可将污泥含水率降低至70%，通过调整设备运行参数和增加絮凝剂用量可将含水率降低至60%。但是采用离心方法脱水的疏浚底泥工程运行成本较高，在目前还难以大规模推广应用。何品晶等在对上海市杨浦区北部的随塘河进行水力吸泥-离心脱水疏浚组合工艺试验中发现，离心泥饼的平均含固率为71%，即含水率低至29%，有效减少了需处置的疏浚泥浆量，但与此同时，有机物质量分数高的颗粒、氨氮、重金属等污染物质，均易富集于上清液中，如果上清液得不到适当的处理处置就回排水体，会造成二次污染。3.3.2板框压滤法板框压滤机脱水原理如图3-4所示。图3-4 板框压滤机原理图板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽，其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔，组装后构成完整的通道，能通入悬浮液、洗涤水和引出滤液。板、框两侧各有把手支托在横梁上，由压紧装置压紧板、框。板、框之间的滤布起密封垫片的作用。由供料泵将悬浮液压入滤室，在滤布上形成滤渣，直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道，集中排出。过滤完毕，可通入清水洗涤滤渣。洗涤后，有时还通入压缩空气，除去剩余的洗涤液。随后打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧板、框，开始下一工作循环。在处理河湖的底泥中，黎荣等通过对天津大沽河底泥脱水的研究中发现，自然状态下将疏浚底泥含水率从90%降到70%大约需要20d；而机械脱水后采样分析显示脱水后的沉积物含水率平均为72%。高健磊等在投加化学絮凝剂的条件下，通过压滤的方法，将疏浚底泥中的水快速脱除。压滤脱水的方法，压力越大，滤饼含水率越低，污泥脱水效果越好，但是压力过大时，容易造成跑料；压滤时间越长，所得净滤液量体积越大，污泥脱水效果越好，但是压滤时间到达一定长度后，压滤时间进一步延长，脱水效果变化不甚明显；在相同的过滤压力和过滤时间内，随着絮凝剂投加量的增加，污泥脱水速度不断加快，污泥脱水效果也越好。所以在选择机械脱水的方式时，需要通过试验，确定合适的压滤压力和压滤时间，并从经济的角度考虑确定合适的絮凝剂、固化剂投加量。与离心方法脱水效果类似，板框压滤机脱水在脱水高效的同时，具有能耗大、泥浆处理能力有限的缺点。板框压滤机脱水干化法多应用于污水处理厂的污泥脱水车间，并能取得良好且稳定的效果，但在疏浚底泥脱水干化工程及实验中鲜有应用实例，主要原因是疏浚工程产生的泥浆数量非常巨大，经济成本是需要考虑的重要因素。表3-1 四类脱水机械的相关指标比较3.4预压法（真空、堆载）预压法是通过外加压力的方法加快底泥堆场中内部水份的脱除，包括真空预压法和堆载预压法两类方法。3.4.1真空预压法真空预压法属于真空预压排水软土地基加固技术，施工时，是在软地基上铺设工作垫层，铺设砂垫层、设置竖向塑料排水带，铺设水平集水管网，再覆盖薄膜封闭，通过真空设备抽气使膜内排水带、集水管、砂垫层等处于负压状态，促进孔隙水的排出，使土体预先固结以减少地基后期沉降的一种地基处理方法。真空预压施工适用于加固淤泥、淤泥质粘土和其他能够排水固结而且能形成负超静水压力边界条件的软粘土，在加固过程中土体除产生竖向压缩外，还伴随侧向收缩，不会造成侧向挤出，特别适用于超软土地基加固。目前，真空预压加固软土地地基技术已经广泛应用于机场、高速公路、市政工程、人工岛、港口、沿海造地等工程的地基处理，取得良好的工程效果和经济效益。由于环保疏浚底泥颗粒以粉质粘土为主，与软地基土壤成分接近，所以真空预压法在疏浚泥浆脱水干化工程中也逐步得到了应用。有研究显示，真空预压法处理堆场淤泥脱水固结的有效方法之一，其作用原理图如图3-5所示。图3-5 真空预压干化示意图排水系统采用水平管网与垂直塑料排水板组成立体排水结构，加压系统采用水气分离的造压方式，通过管道直接传递负压，利用低位真空系统抽真空，使得泥封层下长期保持80kpa90kpa的真空负压，在真空负压引起的巨大吸力和泥封层引起的附加预压荷载的联合作用下，使淤泥中的大部分孔隙水较迅速地通过塑料排水板、水平滤管网排出，堆场淤泥发生压缩固结，同时，泥封层也逐渐完成自身的固结，达到堆场淤泥脱水固结和抬高地面两大目的。该技术是一种技术指标高、经济效益显著的新型淤泥脱水固结技术，具有高效、节能、环保、低成本、工期短的特点。张选岐等在东钱湖湖泊底泥固结处理试验研究中，通过低位真空预压法，使泥封层下长期保持80kPa的真空负压，试验结果显示，经过低位真空预压法固结70d左右，东钱湖疏浚底泥固结后土体的承载力达到60kPa以上。3.4.2堆载预压法堆载排水预压法通过在软地基土上增加以土料、块石、砂料或建筑物本身（路堤、坝体、房屋等）的预压荷载，对被加固的地基进行预压，使地基土中的孔隙水及空气沿排水板或砂垫层排走，地基土产生压缩沉降，从而提高承载力，减少地基后期沉降。其作用原理图如图3-6所示。图3-6 堆载预压干化法示意图软土地基在此附加荷载作用下，产生正的超静水压力。经过一段时间后，超静水压力逐渐消散，土中有效应力不断增长，地基土得以固结，产生垂直变形，同时强度也得到提高。为了缩短固结时间，加快固结的进程，在地基中打设一定深度的砂井、袋装砂井或塑料排水板一类的竖向排水通道。在湛江地区吹填淤泥软基加固试验中，采用堆载预压法，在总加载量120kPa，预压230天的条件下，淤泥平均固结度可达到83%，含水量降低33%，压缩模量提高了80%，十字板强度提高50%以上，抗剪强度平均值达到38.9kPa。堆载预压法对各类软弱地基均有效，使用材料非常简单，施工操作方便。但堆载预压需要一定的时间，适合工期宽松的项目。对于深厚的饱和软土，堆载预压排水固结所需要的时间很长，且需要大量的堆载材料，在使用上会受到限制。3.4.3真空联合堆载预压法真空-堆载联合预压法是在真空预压法和堆载预压法的基础上发展而来的，两者同属于排水固结法。通过真空负压和堆载压力的叠加，使泥浆土壤颗粒之间的孔隙水受压迫挤出。真空联合堆载预压是在处于真空预压状态的密封膜上，铺设一层编织布、土工布，并以中粗砂或碎石屑作为保护层，再在保护层上方逐级增加荷至设计荷载，是真空预压与堆载预压叠加的互补结合，当需要加大预压载荷荷重时，超出真空预压荷重的部分由堆载预压补足，在叠加荷重作用下，使地基土固结、强度快速提高。真空-堆载联合预压法作用原理如图3-7所示。图3-7 真空-堆载联合预压干化法示意图真空联合堆载预压法适用于加固淤泥质粘土、淤泥、粉质粘土、粉质亚砂土等软性土质，在加固过程中，由于真空荷载的存在，堆场内部会产生侧向收缩变形，同时，由于堆载荷载的存在，堆场内部会产生侧向挤出变形，两者相互抵消，使得土体变形较小。另外，由于真空联合堆载预压法中，真空预压在前，当土体发生固结，强度有所增强之后，再进行堆载预压，所以可以缩短堆载预压周期，且不至于发生失稳破坏。因此，真空联合堆载预压法适用于加固超软土地基。真空-堆载联合预压法在我国应用广泛，在广东省西部沿海高速公路建设工程中，有一段28km长的软基路段，为了缩短预压周期，采用真空联合堆载预压法施工。经过现场试验，真空度稳定在500mmHg以上，固结度达到95%。预压后，土体粘聚力增长了1倍以上，内摩擦角有所减小，通过静力触探显示，经过真空联合堆载预压法加固的土体锥尖阻力提高3倍以上，表明承载力得到了极大的提升。经检测，加固后淤泥的饱和度降低，说明真空度在不断向下传递，使得非饱和带逐渐扩展，收到加固作用的土体范围不断扩大。3.5土工管袋法3.5.1土工管袋脱水工作原理土工管袋是一种由于高强土工织物制成的大型管袋及包裹体，直径可根据需要变化，最大已达10m，长度最大可达200米，具有强度高、过滤性能好、抗紫外线性能强的优点。土工管袋最初应用于围堤造坝工程，现已被广泛应用于环境保护，农业、水利等领域。土工管袋脱水法是将疏浚底泥输送进入土工布袋中，通过加压促使底泥水份脱除的一种技术方法，脱水过程如图3-8所示：图3-8 土工管袋干化示意图土工管袋脱水步骤分为3阶段，分别是充填、脱水、固结阶段。（1）充填：把淤泥或污泥充填到土工管袋中，为加速脱水，必要时可投加絮凝剂促进固体颗粒固结。（2）脱水：清洁的水流从土工管袋中排出，其脱水原理主要是土工管袋材质所具有的过滤结构和袋内液体压力两个动力因素，同时还可以添加脱水药剂促进脱水速率。经脱水后超过99%的固体颗粒被存留在土工管袋中；渗出水可以进行收集并再次在系统中循环利用。（3）固结：存留在管袋中的固体颗粒填满后，可以把土工管袋及其填充物抛弃到垃圾填埋场或者将固结物移走，并在适当的情况下进行利用。3.5.2土工织物包容体的类别与选用土管管袋是土工织物包容体的一种。根据形状与容积，一般将土工织物包容体分为三种基本类型：土工袋(geocontainer)、土工管袋(geotube)、土工包(geobag)。土工袋单体容积通常为100700m3，最大可达1000m3；土工管袋的容积可根据外形尺寸调节，其直径可根据需要变化(110m)，长度最大可达到200m，容积一般在102000m3；土工包形状多为枕形、箱形，容积在0.055m3，其体积较小的特点使得土工管袋可以根据应用布设为不同形状。总体而言，在环保工程中土工管袋由于具备容积调节范围大，运输安装简便，可塑性强的特点应用相对较多。3.5.3应用情况在国内，土工管袋分别在深圳下坪垃圾场污泥坑抢险处置工程和福永淤泥处理场得到应用，取得生态和经济两方面的良好效果。2009年2月，深圳市下坪垃圾场内3号污泥坑发生污泥污水外涌事故，部分污泥和污水的混合物沿着垃圾堆体，流入下游的沉砂池和污水调节池，部分混合物进入大坑水库、布吉河和深圳河。外流的污泥和污水的混合物对下坪垃圾场的安全稳定造成威胁，也加重了河流的水体污染，为了迅速控制污染情况的恶化，采用土工管袋法对外涌的污泥进行固结。通过土工管袋法脱水，将含水率为95%99%的污泥固结后填埋，取得理想的结果。另外，如果在设计中采用土工管袋+脱水药剂的技术，通过投加脱水药剂增加泥浆自身的脱水性能，再充入土工管袋，更能提高土工管袋脱水法的效率。在江苏省太湖无锡段，已经有采用土工管袋+脱水药剂组合技术，吹填太湖底泥修筑围堰的实例。3.6电渗析法目前，对污泥电渗透脱水机理还没有统一的认识，学术界存在着多种数学模型和机理解释，大部分学者都认为，电渗析脱水的原理是电场对双电层的影响。泥浆中包含着底泥颗粒的泥水混合物，由于电离、离子吸附、溶解的原因，底泥颗粒表面带有一定电荷，这些带电的颗粒通过静电力吸引附近溶液中的带有相反电荷的离子，从而形成紧密的电子层。与此同时，由于离子热运动的存在，一部分与颗粒带有相反电荷的离子扩散到颗粒周围，形成扩散层。紧密层和扩散层构成了双电层，两者之间的电势差成为Stern电位。在外加电场的作用下，扩散层中的离子带动水分子向电极移动，达到电渗析脱水的效果。根据电场对双电层的影响理论，电渗析技术利用了外加直流电场增强土料脱水能力的原理，达到脱除毛细管水，降低过湿土含水率的目的。电渗析可除去土中的自由水和部分弱结合水，尤其是对低渗透性的细粒土，电渗析是一种很有效的脱水方法。由于粘土质土壤颗粒一般带负电荷，根据电荷平衡原理，粘土中的水分子带正电荷，当在泥浆中插入电极时，电流从阳极流向阴极，粘土颗粒向阳极移动，带有极性的水分子向阴极流动，这种现象称为电渗析。其作用原理如图3-9所示：图3-9 电渗析法示意图电渗析脱水的过程受到电场强度、pH、絮凝剂、电极材料、电极形状、滤布等因素的影响，如果两个电极的脱水速率不同，将会导致两极端电阻率不同，最终导致电渗析无法彻底进行。研究显示，电渗析法由于其独特的排水机理，排水效果不受颗粒粒径大小影响，在环保疏浚底泥脱水的工程应用上，特别适用于处理粘土质等自然条件下不易快速脱水且易受降水影响干化效果的土类。电渗析法作为一种能够应用于各类土质的脱水方法，由于其能耗较高，往往在常规脱水方法无法取得预期效果或者堆场局部有积水的情况下采用。3.7底部排水法疏浚底泥堆场纵向深度可达5m以上，在底泥脱水干化初级阶段主要是底泥颗粒的沉降和压缩，自由水在这个过程中被底泥颗粒逐渐挤压出来，形成上覆余水。余水通过水门直接排入受纳水体或者以蒸发的形式进入大气，同时沉降的底泥则形成越来越密实的泥层。堆场在上层余水排尽以后，疏浚底泥能够受蒸发作用继续干化的泥层仅1m左右，堆场上层1m以下部分的底泥由于排水水头的限制，依然呈流态，承载力不能达到运输要求，故从底部排出堆场中下层底泥中所含的水分，成为提高疏浚底泥脱水干化效率的一种途径。底部排水法作用原理如图3-10所示。图3-10 底部排水法示意图有资料显示，在堆场底部间隔开设若干平行排水沟，排水沟中敷设排水管，排水管以0.5%的坡度坡向排水口，在排水沟中排水管的外围放置渗水砾石，以避免底泥与排水管直接接触而造成排水管的堵塞，在每根排水管的中间位置处设置竖向导管，所有竖向导管通过堆场顶面的汇总管道合并起来与外部真空系统相连接，并通过外部真空系统使排水管处于负压状态。底部的排水系统可以在疏浚工程进行的后期及完成后的一段时间内，加速堆场内部底泥中游离水分的脱除，提高堆场底泥的脱水干化速度。通过将真空抽吸系统引入堆场下部排水系统，可以提高排水管道中的真空度，增加排水水头，提高排水效率，缩短底泥干化周期。在对上海市闵行区某黑臭河道开展底泥疏浚工作中，在河道底泥疏浚工作完成后，开始启动真空系统，保持堆场底部排水管道处于负压状态，每天运行8小时，2个月后，堆场顶层地面整体下沉15mm左右，此时地基承载力经检测可以达到30kPa，满足泥土外运要求。3.8投加固化剂投加固化剂对泥浆进行脱水的方法目前主要应用在处理城市污水处理厂的污泥中。目前普遍采用的以脱水为目的的固化剂为生石灰和粉煤灰等，处理流程如图3-11所示：图3-11 固化脱水法流程示意图研究表明，单独投加粉煤灰和生石灰均能使污泥脱水性能得到较大的改善。生石灰在降低比阻值效果方面更好，细粉煤灰对于降低脱水泥饼的含水率效果更佳。联合投加生石灰和粉煤灰在降低比阻值方面，效果要好于单独投加生石灰或粉煤灰；但是从脱水后泥饼含水率来看，联合投加效果略次于单独投加粉煤灰，与单独投加生石灰效果相当。环保疏浚底泥颗粒相对于污水处理厂污泥来说，有机质含量更低，但粘土等细颗粒含量较高，疏浚堆场垂直和水平方向的透水性都很差。投加生石灰或者粉煤灰的主要目的是开辟过水通道，使不受表层蒸发作用影响的泥层中的自由水能够顺畅地通向堆场底部排水系统。张春雷、朱伟等通过在无锡五里湖对200万m3疏浚泥的固化处理和工程应用实践，探讨了疏浚泥固化处理的施工技术，证实了淤泥固化技术可以快速将疏浚污染底泥转化为土材料，可以解决疏浚泥的堆放占地和环境污染问题。经检测，疏浚底泥经固化处理后在强度上能够满足一般填土地基的承载力要求，且污染物的溶出率大大降低，再加上固化淤泥的渗透系数很低，可以认为污染物被稳定在固化体中，有效地降低了淤泥利用中的二次污染风险。4.有疏浚底泥干化技术的特点分析及其发展趋向4.1有疏浚底泥干化技术的特点分析及其发展趋向剖析底泥的脱水干化过程，可以分成脱水和干化两个过程，在脱水环节，需要快速地将底泥颗粒周围的游离水分脱除，由于底泥颗粒一般带有负电性，具有动力学稳定性，所以通过投加絮凝剂的方法，可以压缩底泥颗粒的双电层，加速底泥颗粒的脱稳过程，在缩短底泥颗粒沉降脱水的时间外，还可以提升脱除的余水水质。疏浚泥浆在堆场中完成沉淀脱水后，即进人了干化期，此时，堆场上部底泥层由于受到太阳的直射和自然风的干燥，加速了底泥的干化过程，经过1个月左右的时间，表层的2030cm厚度层会干燥龟裂，含水率急剧降低，承载力大幅上升。而对于堆场中部和底部底泥而言，由于得不到日光直射和自然风的干燥，水分的蒸腾作用极为有限，另外，堆场上部底泥对中部和底部底泥作用的压力非常有限，也不利于中下部底泥中的水分往上部迁移，由此致使堆场中下部底泥中的水分，无法通过向堆场上部大气环境中排出的方法脱除；此外，由于堆场底泥中存在的水份基本为毛细水和结合水，重力对于底泥中水分的下向迁移作用非常微弱，使得堆场中部和底部的水分也无法有效地下渗至底部排出。综合上述原因分析，疏浚底泥堆场中部和底部底泥中的水分无法快速排出，底泥长期处于饱水状态，含水率始终维持在较高水平，承载力无法大幅提高，无法及时外运，疏浚底泥长期占用堆场。现有的疏浚底泥脱水干化方法中，机械脱水法处理疏浚底泥效果良好，但是由于能耗巨大，相应的处理成本很高，应用范围有限，仅适用于经济发达地区，且在疏浚工程附近没有可利用土地资源的条件下才有可能被使用；开沟主动排水成本较低，但其堆场高度受限，需要较大面积的疏浚底泥堆场且干化周期受底泥性质影响很大；真空预压法和堆载预压法是目前处理软地基工程的主要方法，有着比较成熟的工程应用经验，但是由于受污染水体疏浚底泥量十分巨大，所需的工程投资依然难以承受；土工管袋法效果良好，但由于其工艺特点和偏高的处理费用，再加上疏浚底泥中细颗粒所占的比例较大，容易造成管袋堵塞，降低脱水干化效果，使得土工管袋法的应用范围有所限制；电渗法虽然具有快速脱水的能力，但是高昂的运行费用限制了它的规模化应用；底部排水法需要提前在堆场中布设排水设施，且底部排水作用能力有限，堆场的高度受到限制；投加固化剂法则由于固化剂投加量大，增加了最终产生的底泥体积，并且固化后底泥的最终处置也是需要事先解决的问题。综合分析现有的疏浚底泥脱水干化技术，发现疏浚底泥脱水主要是利用物理脱水法，脱水原理多为利用外力，将泥浆颗粒周围的毛细水和结合水排出，或者是从疏浚底泥堆场的结构改进出发，为水分的排出创造通道。投加絮凝可以从改变疏浚底泥颗粒粒径、增加沉淀速度和改善堆场通透性的角度来加快疏浚底泥的脱水干化速度，由于其良好的脱水效果和低廉的成本，得到了越来越广泛的应用。但是单独投加化学絮凝剂不能解决疏浚底泥的干化环节，需要与物理排水方法相结合，投加絮凝剂能够增加底泥颗粒的粒径，改善了堆场中的底泥排水通道，在外加较低压力的情况下，就能够将堆场中下部的水分有效挤出，加速堆场干化速率。化学絮凝脱水、低能耗物理脱水相结合的方式综合了絮凝剂投资低廉和物理法干化效果良好的优势，在取得预期脱水干化效果的同时，又能最大限度地降低运行成本，对于城市湖库的环保疏浚工程而言，是一种性价比非常高的方法，也是今后大规模环保疏浚工程底泥脱水干化工程的应用发展方向。4.2国内外研究所存在的问题目前常用的处理处置环保疏浚底泥方法，一般为自然干化。既在待疏浚水体沿岸的空地上建设底泥堆场，吹填疏浚泥浆，自然条件下进行脱水干化。由于疏浚泥浆含水率高、颗粒细小、带有负电性、富含氮磷等营养物质，部分受严重污染的疏浚底泥含有重金属及各种难降解的有机物，自然状态下疏浚泥浆不易泥水分离，所需干化时间长达510年。在漫长的干化周期里，如遇上降水气候，不但会减慢疏浚底泥干化速度，更会由雨水的冲刷、浸泡等带来二次污染。在经济发达地区，土地资源极为宝贵，自然干化所需的时间过长，严重制约了环保疏浚工程的展开。因此，开发能够加快环保疏浚底泥脱水干化速率的方法，对于缩短疏浚泥浆占用堆场的时间，提高堆场土地利用率有着重要的经济价值和现实意义。对于环保疏浚工程而言，当务之急是要找到一种经济、合理的能够快速提高疏浚底泥堆场承载力的脱水干化方法，使环保疏浚底泥在较短时间内满足外运条件，为后续的底泥资源化利用创造基本条件，同时，底泥脱水干化过程中产生的余水，须满足回排水体的要求。5. 专业案例5.1太湖疏浚工程底泥堆场示范工程两段式投药组合真空、通气方法进行疏浚底泥脱水干化研究(1)研究内容1)研发疏浚底泥安全、快速的投药法脱水干化与余水达标技术，包括脱水干化药剂筛选、复配、用量研究、投加工艺流程研究、投加装置研制及与脱水干化配套的底泥排水设施研究等；2)提出疏浚底泥快速脱水干化技术方案，完成相关技术的工程示范和技术示范。通过国内外资料调研，技术方案设计、实验室研究、现场小试研究及技术示范工程等过程，逐步深入对疏浚底泥快速脱水干化技术的研究工作，开发适用于疏浚底泥的快速脱水干化技术、疏浚底泥余水达标处理技术。(2) 关键问题: 疏浚底泥快速脱水干化及余水达标排放的关键问题主要有以下几个方面：1)底泥自身性质的不同，对其脱水干化性能有着决定性因素。因此，需对底泥进行成分分析，自身特性的测定；2)脱水剂种类的筛选和投加量的确定，需要从底泥颗粒性质、脱水效率、经济性、余水水质四方面综合考虑；3)针对疏浚底泥性质选择合理的脱水剂和改良剂，确定合适的投加量；4)经过对常规疏浚底泥自然干化堆场结构的研究，提出经济、合理的改进方法；5)针对脱水干化性能较差的底泥，寻求一条技术上可行，经济上合理的强化脱水干化效率路线。(3) 本示范工程处理疏浚底泥（以原状泥计）示范区面积约为400m*500m，达20万m2，疏浚工程完成后120d后要求底泥承载力达到30kPa，余水达到污水综合排放标准（GB8978-1996）二级标准。5.1.1示范工程实施内容5.1.1.1快速脱水系统构建工程在底泥堆场一侧，构建快速脱水成套设备系统，并连接绞吸船排泥管道，绞吸船收集的疏浚底泥经过排泥管道输入快速脱水系统之中，经该系统处理之后排入底泥堆场。所构建的疏浚底泥（以原状泥计）的快速脱水成套设备系统。其中包括：脱水药剂投加及溶药设备2套，改良药剂投加及溶药设备2套，混合反应设备2套。示范工程脱水干化装置的平面布置情况如下图。现场装置布置情况如图5-1至5-2所示。图 5-1 现场脱水干化投药系统 a图 5-2 现场脱水干化投药系统 b排水体系构建排水体系分为排水口和底部排水系统，堆场平面图如图5-3所示。堆场深度3m，总面积为1200m2。在堆场底部，每隔一段距离设置一条排水沟，排水沟中敷设排水管，堆场排水体系布置图如图5-4所示。在管道和排水沟之间填充砾石，在砾石层上部敷设无纺布，防止泥浆进入排水管造成堵塞。在堆场中部按一定距离构筑排水井，内设潜水泵，收集底部排水沟中的余水汇入排水井。待疏浚底泥吹填结束，进入干化期，启动潜水泵，使得堆场中排水管道中的余水顺利排出堆场。图5-3 堆场工程平面图图5-4 堆场排水体系布置图5.1.1.2现场调试及运行情况 现场示范工程污染底泥取自竺山湾周铁镇湾浜村附近湖区，由疏浚管道传运至加药系统中的高效混合器；在加药池中按试验室小试和现场小试的结果，调制好特定浓度的铁系脱水剂和脱水助剂；通过阀门及流量计调控适宜流量，与疏浚底泥在高效混合器中快速混合后，一起吹入堆场。连续吹填一段时间，即吹填高度为3m左右时，停止吹填；待底泥静沉一段时间之后（初期为1d，之后逐渐延长），开放排水口处的水门，排放上清余水，排干后进行下一次吹填。第一次吹填作业完成堆场状况堆场表面旁侧开沟排水第二次吹填作业完成10天后堆场状况第三次吹填作业完成后堆场状况图5-5 示范工程吹填状况图吹填完成后，进行自然干化约1个月，之后进行负压直排装置的