湖库环保疏浚底泥的脱水干化技术研究进展
戴鼎立，何圣兵，陈雪初，杨峰峰
（上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240）
摘要：污染湖库环保疏浚过程中产生的大量污染底泥堆放在底泥堆场，污染底泥含水率高，在自然条件下难以快速脱水干化，尤其是在雨水充足的地区，会长时间占用堆场土地资源，不利于疏浚底泥后续的处理和资源化利用，并由此导致湖库底泥环保疏浚工作难以大规模地开展。该文在总结分析国内外环保疏浚底泥脱水干化技术的基础上，系统地介绍了不同底泥干化技术及其应用现状，并分析了各自存在的问题，探讨了今后大规模环保疏浚工程中底泥脱水干化技术的发展方向。
关键词：环保疏浚、湖库污染底泥、脱水干化
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，并为湖泊水生生态系统的恢复创造条件[1-2]。环保疏浚泥浆含水率高，含有大量重金属、氮、磷、有机物等各种污染物质。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。能否将疏浚底泥进行快速脱水干化，已成为制约底泥环保疏浚工程广泛开展的关键因素。
现有的疏浚泥浆脱水干化方法主要包括如下几种类型，分述如下：
1.1 自然干化
疏浚底泥的自然干化过程如图1 所示：
图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。
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5～10 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，并且会带来一定的安全隐患。由于堆场中下部分泥浆中的
水分极难排出，所以疏浚底泥自然干化堆场深度一般不超过3 m。
1.2 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2 所示。
图2 主动开沟排水干化法示意图
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5 m 和10 m 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5 m 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40 m 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[3]。
1.3 机械方法（离心、压滤）
机械脱水方法主要包括离心脱水和板框压滤脱水两大类。
1.3.1 离心法
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[4]。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60 %[5]。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。
1.3.2 板框压滤法
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20 d；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 %[6]。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[7]。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[8-11]。
1.4 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。
1.4.1 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，是处理堆场淤泥脱水固结的有效方法之一[12]，其作用原理图如图3 所示。
图3 真空预压干化法示意图
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80~90 kPa 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[13-14]。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。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80 kPa 的真空负压，试验结果显示，经过低位真空预压法固结70 d 左右，东钱湖疏浚底泥固结后土体的承载力达到60 kPa 以上[15]。
1.4.2 堆载预压法
堆载排水预压法以土料、块石、砂料或建筑物本身（路堤、坝体、房屋等）作为荷载，对被加固的地基进行预压，其作用原理图如图4 所示。
图4 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[16]。
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120 kPa，预压230 d 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38.9 kPa[17]。
1.5 土工管袋法
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5 所示：
图5 土工管袋干化法示意图
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[18-20]。
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。
1.6 电渗析法
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[20]，达到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[21]。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6 所示：
图6 电渗析法示意图
研究显示[22]，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。
1.7 底部排水法
疏浚底泥堆场纵向深度可达5 m 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1 m 左右，堆场上层1 m 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（见图7）。
图7 底部排水法示意图
有资料显示[23]，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 h，2 个月后，堆场顶层地面整体下沉15 mm 左右，此时地基承载力经检测可以达到30 kPa，满足泥土外运要求。
1.8 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[24]，处理流程如图8 所示：
加入固化材料
↓
挖泥→解泥→混合、搅拌→出料→堆放→压实填筑
图8 固化脱水法流程示意图
研究表明[25-26]，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[27]。
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，即进入了干化期，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20～30 cm 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。
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（郭恩泽编辑整理）
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