高 揚(yáng)，楊 棟，倪守高，羅榮彪，王曉英

(1.江蘇東方生態(tài)清淤工程有限公司，江蘇 無錫 214125； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所，江蘇 無錫 214083；3.無錫市濱湖區(qū)水利局，江蘇 無錫 214123)

淤泥是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成的一種黏性土[1]。一般主要由有機(jī)質(zhì)、淤泥顆粒等組成，表面呈負(fù)電荷層，表現(xiàn)為親水性[2]。其組分中的淤泥顆粒以細(xì)顆粒土為主，成分主要為次生黏土礦物，在沉積時(shí)會(huì)吸附水中的氮、磷、重金屬元素及許多大分子官能團(tuán)[3]，而有機(jī)質(zhì)主要由腐殖質(zhì)構(gòu)成，其促成了團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成并使土體發(fā)生分化，以在土體上部形成一個(gè)半懸浮狀的有機(jī)膠體層的形式存在，從而實(shí)現(xiàn)對金屬離子的交換和吸附。正是由于淤泥沉積物具備的這些特性，經(jīng)年累月的持續(xù)性外源輸入導(dǎo)致其成為水體的巨大營養(yǎng)庫和污染源。

有研究表明，即便外源污染得到有效控制，如不進(jìn)行內(nèi)源清除，上覆水環(huán)境的變化會(huì)促使沉積物中氮、磷的重新釋放，仍有可能導(dǎo)致水體在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)維持不良狀態(tài)[4]。以減少內(nèi)源污染負(fù)荷為目的的底泥生態(tài)疏浚是控制內(nèi)源污染效果明顯的工程技術(shù)措施之一[5]。隨著水環(huán)境綜合治理工作的不斷推進(jìn)，治理要求也日益嚴(yán)格。內(nèi)源污染治理上更強(qiáng)調(diào)底泥的安全處置及資源化利用，其前提都需要對泥漿進(jìn)行無害化、減量化的處理。至此，環(huán)境友好程度更高的疏浚泥漿機(jī)械化脫水成為了底泥處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[6-7]，并在各地生態(tài)清淤工程中得到廣泛應(yīng)用[8-11]。雖然目前的應(yīng)用實(shí)例較多，但在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施上缺乏針對設(shè)備種類和工藝特點(diǎn)的量化設(shè)計(jì)與實(shí)施指導(dǎo)，導(dǎo)致疏浚泥漿的機(jī)械化脫水效能受限。

本文依托于梁溪河生態(tài)清淤工程進(jìn)行疏浚泥漿的在線脫水工藝設(shè)計(jì)，并以疏浚泥漿為試驗(yàn)對象，通過試驗(yàn)確定藥劑使用種類、投加量和板框壓濾機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的濾布透氣量和停泵依據(jù)，旨在驗(yàn)證工藝可行性并指導(dǎo)正式施工，以期提高施工過程中的泥漿脫水效率，同時(shí)為其他類似泥漿的減量化處理提供思路和參考。

1 疏浚泥漿在線脫水工藝設(shè)計(jì)及機(jī)理

經(jīng)漿化后的疏浚淤泥一般具有高污染、高含水率等特性，并攜帶有垃圾、礫石等雜質(zhì)，需對其進(jìn)行一定的前處理以實(shí)現(xiàn)高效脫水。圍繞著雜質(zhì)去除、泥漿減量、勻質(zhì)改性調(diào)理、淤泥實(shí)時(shí)脫水的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行疏浚泥漿在線脫水工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求泥漿減量率不小于50%、泥餅含固率不小于60%、泥餅厚度不小于25 mm。工藝流程見圖1，場坪布置效果見圖2。

圖1 疏浚泥漿在線脫水工藝流程

圖2 淤泥脫水站場坪布置效果

1.1 機(jī)械分選除渣

疏浚泥漿經(jīng)管道輸送至雜質(zhì)篩分裝置進(jìn)行機(jī)械分選除渣，通過激振器給予篩網(wǎng)的高頻震蕩，去除泥漿中的垃圾、碎石及根莖腐殖質(zhì)等大固體雜質(zhì)。剩余泥漿可通過旋流濃縮和多級(jí)配篩網(wǎng)的組合使用分選出中、粗砂，實(shí)現(xiàn)部分資源的回收利用。

1.2 泥漿減量濃縮

在泥漿中濕式摻入預(yù)先調(diào)配好的混凝劑后通過管混進(jìn)入淤泥濃縮池進(jìn)行減量化和濃縮處理。混凝劑電離出的游離質(zhì)點(diǎn)直接捕獲了淤泥顆粒膠體表面所帶的負(fù)電荷，發(fā)生電性中和作用，降低了淤泥膠體分散系統(tǒng)的Zeta電位，從而徹底破壞了在顆粒表面吸附的水化膜，使各相微粒膠體的電位失穩(wěn)，加速各相微粒間相互吸引、碰撞，從而使泥漿實(shí)現(xiàn)快速的聚合沉降，達(dá)到泥漿減量化和濃縮的處理目的。

1.3 料漿調(diào)理改性

沉淀濃縮后的淤泥料漿收集至淤泥調(diào)理箱，過程中摻入熟化后的有機(jī)高分子絮凝液劑。泥漿中初步脫穩(wěn)的各組分物質(zhì)與絮凝劑水化形成的有機(jī)鏈狀活性基團(tuán)在庫侖力、分子間相互作用力、配位共價(jià)鍵等的作用下，被網(wǎng)捕、橋架、凝聚在一起，發(fā)生多組分聚合效應(yīng)，使淤泥粒徑的級(jí)配分布得到優(yōu)化，從而提高和改善淤泥料漿的脫水性能。

1.4 在線機(jī)械脫水

經(jīng)過改性后的料漿被連續(xù)加壓分配至板框機(jī)組的各個(gè)濾室，依靠持續(xù)保壓使料漿在濾布面上堆積壓縮并形成逐漸增厚的過濾層以截留固相顆粒，實(shí)現(xiàn)固液分離，卸壓后再向隔膜板內(nèi)注入高壓水，利用隔膜變形產(chǎn)生的反壓對淤泥完成進(jìn)一步壓榨，最后松板卸泥結(jié)束一次全周期工作。

2 疏浚泥漿在線脫水工藝試驗(yàn)及分析

首先利用梁溪河疏浚泥漿進(jìn)行泥漿沉降柱試驗(yàn)，確定泥漿減量濃縮工序中混凝劑的投加量和絮凝劑上機(jī)試驗(yàn)中絮凝劑的使用種類及投加量。隨后利用所選藥劑種類及投加量下形成的淤泥絮體進(jìn)行濾布透氣量選型試驗(yàn)，確定適應(yīng)于本工藝機(jī)械脫水工序的濾布型號(hào)。在濾布透氣量、絮凝劑上機(jī)試驗(yàn)種類及投加量已確定的情況下進(jìn)行絮凝劑選型上機(jī)試驗(yàn)，確定料漿改性過工序中所使用的絮凝劑種類。最后利用上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行板框機(jī)的現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行，確定最佳進(jìn)料和最佳反壓時(shí)間下對應(yīng)的末期排水量特征值，并以此作為機(jī)械脫水工序中的停泵參考。

2.1 泥漿沉降柱試驗(yàn)

2.1.1混凝劑沉降柱試驗(yàn)

取一定量的梁溪河疏浚泥漿特征試樣(含固率為8%)，放入8個(gè)200 mL量筒中，依次分別加入2 mL、3 mL、4 mL、5 mL、6 mL、7 mL、8 mL和9 mL質(zhì)量比為1%的聚合氯化鋁(poly aluminum chloride簡稱PAC，氧化鋁含量為28%)混凝劑溶液，充分混合均勻后靜置1 h(相當(dāng)于減量濃縮池的水力停留時(shí)間)后測定上清液的濁度和沉降柱體積，測定結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，PAC投加量為300 mg/L時(shí)上清液濁度為12.3 NTU，濁度曲線趨于平緩；沉降柱體積為82.05 mL，沉降柱體積曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。繼續(xù)投加PAC，上清液濁度和沉降柱體積可進(jìn)一步降低，但降低幅度均不大，也沒有出現(xiàn)濁度不降反升的趨勢，該現(xiàn)象顯示還未到達(dá)最佳投加量。但此投加量下，泥漿體積已從原來的200 mL降低至82.05 mL，泥漿減量率約為59%，滿足工藝設(shè)計(jì)中泥漿減量率不小于50%。此外，從工程實(shí)施質(zhì)量和成本上考慮，繼續(xù)投加導(dǎo)致的效果提升對比成本增加所帶來的收益明顯降低，故泥漿減量濃縮工序中PAC的參考投加量選擇300 mg/L。

圖3 混凝劑沉降柱試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2絮凝劑沉降柱試驗(yàn)

以PAC投加量為300 mg/L，靜置1 h后去除上清液的沉降泥漿為試樣，每份泥漿試樣取200 mL，依次分別加入0.1%的各型聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)絮凝劑溶液，PAM具體選型規(guī)格見表1。其中APAM按45 mg/L、50 mg/L、55 mg/L、60 mg/L、65 mg/L、70 mg/L、75 mg/L、80 mg/L、85 mg/L，CPAM按35 mg/L、40 mg/L、45 mg/L、50 mg/L、55 mg/L、60 mg/L的投加量投加，充分混合均勻后靜置15 min測定上清液的濁度和沉降柱體積，測定結(jié)果見圖4。對比各型PAM最佳投加量下的上清液濁度、沉降柱體積和投加成本，結(jié)果如圖5所示。

圖4 各型PAM投加量與濁度的關(guān)系

圖5 各型PAM最佳投加量下成本、濁度與沉降柱體積的關(guān)系

表1 PAM選型規(guī)格

由圖4可以看出，各型PAM投加量與濁度的關(guān)系曲線表征相似，當(dāng)達(dá)到最佳投加量時(shí)上清液濁度最低，繼續(xù)投加試樣上清液的濁度沒有進(jìn)一步降低反而有上升的趨勢。原因可能是絮凝劑過量投加后，未起到作用的絮凝劑分子鏈占據(jù)了顆粒表面并形成包裹，使顆粒失去空白鍵位，從而失去橋架的可能，使膠體產(chǎn)生復(fù)穩(wěn)現(xiàn)象，隨著失去的空白鍵位越來越多，導(dǎo)致試樣濁度上升。

由圖5可以看出，在最佳投加量下，各型CPAM在投加量、上清液濁度和沉降柱體積上的表現(xiàn)普遍優(yōu)于各型APAM，并且離子度越高的CPAM所形成的沉降柱體積越小越密實(shí)，投加量也越小，其中CPAM(4)以最佳投加量45 mg/L、上清液濁度15.7 NTU、沉降柱體積79.7 mL表現(xiàn)最優(yōu)；APAM方面，分子量越高的APAM產(chǎn)品投加量越小，而水解度的變化對試驗(yàn)結(jié)果無明顯影響，其中APAM(2)以最佳投加量65 mg/L、上清液濁度18.7 NTU、沉降柱體積95.3 mL在APAM中表現(xiàn)最優(yōu)，效果最接近CPAM。造成上述試驗(yàn)結(jié)果的原因可能是由于泥漿試樣中的PAC并非最佳投加，導(dǎo)致淤泥顆粒表面的負(fù)電荷未被完全中和，而CAPM電離出的正電荷離子中和了泥漿試樣中的負(fù)電荷斥力，促使顆粒間相互吸引，發(fā)生沉聚壓縮，形成更為緊密的絮體結(jié)構(gòu)；APAM水解形成的RCOO-則無法發(fā)生電性中和反應(yīng)，僅發(fā)生橋架作用導(dǎo)致投加量相對較大，上清液濁度相對稍高。綜上考慮，各型CPAM的表現(xiàn)雖然差異不大，但市場價(jià)格存在較大不同，其中以CPAM(2)的投加成本最低為115 元/m3。雖然投加APAM(2)的效果略差，但其成本僅為97元/m3，故選擇CPAM(2)和APAM(2)進(jìn)行后續(xù)上機(jī)試驗(yàn)。

2.2 濾布透氣量選型試驗(yàn)

選擇適應(yīng)疏浚泥漿連續(xù)脫水工況特點(diǎn)、過濾效率高、卸渣時(shí)間短、耐久性好的錦綸單絲濾布進(jìn)行試驗(yàn)，濾布透氣量選型規(guī)格見表2。試驗(yàn)過程中取一定量經(jīng)CPAM(2)和APAM(2)改性后的料漿，選擇不同透氣量的濾布按保壓壓力(0.8 MPa)、保壓時(shí)間(90 min)分別進(jìn)行試驗(yàn)室小型樣機(jī)試驗(yàn)，測定不同藥劑及透氣量下的泥餅含固率和穿濾時(shí)間，結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，在本試驗(yàn)透氣量選值區(qū)間內(nèi)，兩款藥劑在泥餅含固率和濾布穿濾時(shí)間上的表現(xiàn)相似：濾布透氣量越大，穿濾時(shí)間越長，所形成的泥餅含固率越大。透氣量在大于949.28 L/(m2·s)后，泥餅含固率上升幅度趨于平緩，這可能是因?yàn)闉V布透氣量已滿足保壓下濾餅層中濾水通道的最大排水值；透氣量在大于734.00 L/(m2·s)后，穿濾時(shí)間出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈逐步遞增的趨勢，顯示此時(shí)已有部分小直徑以上的淤泥顆粒未被濾布截留。

表2 錦綸單絲濾布透氣量選型規(guī)格

圖6 濾布透氣量選型試驗(yàn)結(jié)果

雖然濾布透氣量為1 292.60 L/(m2·s)時(shí)的泥餅含固率最高，但此時(shí)由于孔徑增大導(dǎo)致的穿濾時(shí)間明顯增長較多，而透氣量為734.00 L/(m2·s)時(shí)的泥餅含固率偏低且存在較大提升空間，故選擇透氣量為949.28 L/(m2·s)的濾布3作為機(jī)械脫水工序的濾布選擇。

2.3 絮凝劑選型上機(jī)試驗(yàn)

將減量濃縮池中同時(shí)吸取的料漿分配至兩個(gè)調(diào)理箱，過程中分別摻入熟化后的CPAM(2)和APAM(2)溶液，并以彼此的最佳投加量進(jìn)行料漿改性，改性后的料漿再分別輸送至2臺(tái)600 m2的板框壓濾機(jī)，在相同的進(jìn)料流量(80 m3/h)、保壓壓力(0.8 MPa)、保壓時(shí)間(90 min)、反壓壓力(1.2 MPa)和反壓時(shí)間(30 min)下進(jìn)行全周期壓榨，并重復(fù)進(jìn)行4組平行試驗(yàn)，測定最終的泥餅含固率、卸料時(shí)間和穿濾時(shí)間，結(jié)果見表3。由表3可以看出，相較于APAM(2)，使用CPAM(2)所形成的泥餅含固率較高，卸泥時(shí)間較短，而濾布的穿濾時(shí)間則較長。原因可能是CPAM(2)依靠電性中和和橋架作用所形成的絮體更為緊密，而APAM(2)在依靠長鏈橋架凝聚的過程中網(wǎng)捕到了膠體穩(wěn)定態(tài)下更多的游離水，導(dǎo)致泥餅含固率偏低；同時(shí)CPAM(2)相對較小的分子量導(dǎo)致其形成的泥餅在過濾初期抗剪和搭橋能力不如APAM(2)，造成穿濾時(shí)間較長，這也是其所形成的泥餅黏度較小，脫落性較好的原因。

表3 不同PAM的上機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

雖然CPAM(2)在穿濾時(shí)間上略高于APAM(2)，但其在泥餅含固率及卸泥時(shí)間上的表現(xiàn)相比于APAM(2)具有顯著優(yōu)勢，泥餅含固率的降低可減少泥餅的體積，減少后續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用，卸泥時(shí)間的減少可縮短板框壓榨全周期的工作時(shí)間，提高淤泥處理效率，故料漿改性工序的絮凝劑選擇使用CPAM(2)。

2.4 板框機(jī)現(xiàn)場調(diào)試

2.4.1進(jìn)料運(yùn)行調(diào)試

將淤泥調(diào)理箱中的改性泥漿分別以80 min、90 min、100 min、110 min、120 min為進(jìn)料時(shí)間輸送至5臺(tái)600 m2的板框壓濾機(jī)，并以相同的進(jìn)料流量(80 m3/h)、保壓壓力(0.8 MPa)、反壓壓力(1.2 MPa)和反壓時(shí)間(30 min)進(jìn)行壓榨的過程控制，記錄各壓濾機(jī)進(jìn)料過程末期的排水量和最終獲得的泥餅厚度及含固率，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，隨著進(jìn)料時(shí)間的加長，末期排水量值不斷減小，泥餅厚度和含固率均不斷增大。當(dāng)進(jìn)料時(shí)間超過100 min后，泥餅含固率和厚度的增長幅度明顯減緩，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)板框機(jī)各濾室內(nèi)的空間已趨近于被固相填滿，脫水效率逐漸降低，當(dāng)進(jìn)料時(shí)間達(dá)到110 min后，排水量進(jìn)一步減小，三項(xiàng)參數(shù)變化幅度均趨于穩(wěn)定，是較為理想的停泵(進(jìn)料泵)狀態(tài)。但從施工角度看，進(jìn)料時(shí)間為100 min時(shí)，泥餅含固率為63.5%，厚度為26.5 mm，已滿足本工藝設(shè)計(jì)要求，且縮短的進(jìn)料時(shí)間有利于減少板框的全周期工作時(shí)間，間接提高泥漿脫水效率，故選擇100 min為最佳進(jìn)料時(shí)間，并以此時(shí)對應(yīng)的末期排水量14.25 m3/h作為停泵(進(jìn)料泵)參考指導(dǎo)后續(xù)施工。

圖7 進(jìn)料運(yùn)行調(diào)試結(jié)果

2.4.2反壓運(yùn)行調(diào)試

按進(jìn)料運(yùn)行調(diào)試方法，在進(jìn)料時(shí)間為100 min下進(jìn)行5組反壓時(shí)間分別為20 min、25 min、30 min、35 min和40 min的平行試驗(yàn)。記錄各壓濾機(jī)反壓過程末期的排水量和最終獲得的泥餅厚度及含固率，結(jié)果見圖8。由圖8可以看出，隨著反壓時(shí)間的加長，其末期排水量和泥餅厚度不斷減小，含固率則不斷增大，當(dāng)反壓時(shí)間達(dá)到35 min時(shí)泥餅含固率增長幅度減緩，是較為理想的停泵(反壓水泵)時(shí)間。但從施工角度看，反壓時(shí)間為25 min時(shí)其對應(yīng)的泥餅含固率為61.24%，泥餅厚度為26.7 mm，已滿足本工藝設(shè)計(jì)要求，且縮短的反壓時(shí)間有利于減少板框的全周期工作時(shí)間，間接提高泥漿脫水效率，故選擇25 min為最佳反壓時(shí)間，并以此時(shí)對應(yīng)的末期排水量5.14 m3/h作為停泵(反壓水泵)參考指導(dǎo)后續(xù)施工。

圖8 反壓運(yùn)行調(diào)試結(jié)果

3 工藝應(yīng)用評(píng)價(jià)

本工藝已在無錫市濱湖區(qū)2017年度河道環(huán)境綜合整治—梁溪河清淤項(xiàng)目中成功應(yīng)用，完成了285 020 m3河道淤泥的在線機(jī)械脫水施工。工程實(shí)踐證明，疏浚泥漿的在線脫水處理過程連續(xù)、穩(wěn)定、高效，工藝具備可行性，工藝設(shè)計(jì)要求具備可達(dá)性。其中機(jī)械分選除渣工序有效清除了疏浚泥漿中的大顆粒固體雜質(zhì)，減少了雜質(zhì)對后道工藝中各級(jí)泵體的損傷，提高了工藝穩(wěn)定性；泥漿減量濃縮工序極大地縮小了待處理泥漿的體積，減少了運(yùn)行成本，提高了泥漿處理效率，施工過程中PAC的實(shí)際投加量為300～400 mg/L，稍高于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是由于現(xiàn)場工況下疏浚泥漿的濃度存在的波動(dòng)所導(dǎo)致；料漿改性工序使泥漿體積得到進(jìn)一步減小并有效改善了泥漿的脫水性能，同時(shí)起到均質(zhì)作用，縮小了料漿濃度變化的區(qū)間，提高了工藝穩(wěn)定性；機(jī)械脫水工序通過板框機(jī)組的分組切換運(yùn)行實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定和連續(xù)，實(shí)際施工過程中板框機(jī)組全周期工作時(shí)間為135～150 min，以試驗(yàn)所得的進(jìn)料、反壓末期的排水量特征值作為停泵參考可實(shí)現(xiàn)泥餅含固率不小于60%、泥餅厚度≥25 mm的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

a.混凝劑沉降柱試驗(yàn)結(jié)果表明PAC投加量為300 mg/L時(shí)泥漿減量率約為59%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求且經(jīng)濟(jì)性較好；絮凝劑沉降柱及選型上機(jī)試驗(yàn)表明絮凝劑種類及投加量的不同在上清液濁度、沉降柱體積、泥餅含固率、卸泥時(shí)間和穿濾時(shí)間的表現(xiàn)上存在差異，其中CPAM(2)的投加量為50 mg/L時(shí)綜合表現(xiàn)最好，優(yōu)于其他各型絮凝劑。

b.選擇合適透氣量的濾布對疏浚泥漿的脫水具有增益效果，試驗(yàn)結(jié)果表明透氣量選擇為949.28 L/(m2·s)時(shí)泥餅具有相對較高的含固率且濾布的穿濾時(shí)間不會(huì)過長導(dǎo)致二次處理成本增加。

c.將板框機(jī)最佳進(jìn)料和反壓時(shí)間下對應(yīng)的排水量特征值作為停泵參考對疏浚泥漿的在線脫水具有指導(dǎo)意義。對現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示最佳進(jìn)料和反壓時(shí)間分別為100 min和25 min，此時(shí)獲得的泥餅含固率和厚度分別為61.24%和26.7 mm，對應(yīng)的末期排水量特征值分別為14.25 m3/h和5.14 m3/h。

d.工程實(shí)踐表明，本文所得結(jié)論可用于指導(dǎo)施工，疏浚泥漿在線脫水處理過程連續(xù)、穩(wěn)定、高效，工藝具備可行性，工藝設(shè)計(jì)要求具備可達(dá)性。