戴丁利、何胜兵、陈学初、杨峰峰

(上海交通大学环境科学与工程学院 上海 200240)

摘要：污染湖泊、水库环境疏浚过程中产生的大量污染底泥堆放在沉积物场内。 受污染的底泥含水量较高，在自然条件下很难快速脱水干燥。 尤其是在降雨量充足的地区，需要的时间会比较长。 堆场占用土地资源，不利于疏浚底泥的后续处理和资源化利用，难以进行大规模的湖库底泥环保疏浚。 本文在对国内外环保疏浚泥沙脱水干燥技术进行总结分析的基础上，系统介绍了不同泥沙干燥技术及其应用现状，分析了各自存在的问题，并对未来大型环保疏浚工程进行了探讨。 中底泥脱水干燥技术发展方向

关键词：环保疏浚、湖库污染底泥、脱水干燥

环保底泥疏浚是迄今为止消除湖泊水库内源性污染最彻底的方法。 环境友好型疏浚旨在清除湖泊、水库中的污染沉积物，为湖泊水生生态系统的恢复创造条件[1-2]。 环保型疏浚泥浆含水量较高，含有大量重金属、氮、磷、有机物等污染物。 疏浚泥的土壤成分一般多为细粒粉质粘土，在自然条件下不易脱水干燥。 在降雨量较大的气候下，疏浚土5至10年后将无法满足承载力要求，疏浚场也无法重复使用，堆料场内的土地已被占用多年。长期以来，造成疏浚工程占地压力较大，严重影响大型疏浚工程的发展。 疏浚泥沙快速脱水干燥的能力已成为制约环保泥沙疏浚工程广泛发展的关键因素。

1 脱水干燥方法

现有的疏浚泥浆脱水干燥方法主要有以下几种，现分述如下：

1.1自然干燥

疏浚底泥自然干燥过程如图1所示：

图1 泥沙堆场自然干燥示意图

疏浚泥浆通过泥浆泵送到泥沙堆场，泥水在自然状态下分离。 通过调节闸门的高度，将上层清液排入排水沟，剩余的泥沙颗粒沉积在料场内。

传统的疏浚底泥自然干燥方法，在料场内清液排出完成后，就进入自然干燥状态。 自然干燥主要通过阳光蒸发、风干、自然渗透等方法进行。 干燥期需要5至10年甚至更长，且受气候影响较大。 在有降水等天气因素的情况下，尤其是细颗粒物。 主要成分为粉质粘土，会大大延长其干燥期。 这样一来，烘干场就会长期被占用，造成土地资源闲置浪费，并造成一定的安全隐患。由于料场中下部淤泥较多，

水极难排出，因此疏浚底泥自然风干场的深度一般不超过3m。

1.2 主动开沟、排水、干燥

挖沟主动排水是指在料场内设置各种形式的排水系统，使料场内的雨水顺利排出，以提高疏浚底泥在自然条件下的脱水、干燥效率的方法。 挖沟方法如图2所示。

图2 主动开沟排水干燥法示意图

研究表明，对于太湖等粉质粘土疏浚泥沙场，其脱水干燥效果受降水影响尤为严重。 通过挖间距5m、10m的沟渠进行主动排水。 院内沉积物的干燥受降雨影响较小。 特别是对于间距为5m的排水沟，含水率可迅速降至25%。 左右，之后基本上就没有什么大的变化了。 只有当雨水特别充足时，气温才会略有上升。 当间距为40 m时，在降水充足的条件下，含水率有明显上升趋势。但如果修建较好的排水设施，堆场底泥达到一定高度后含水率就不再上升，雨水可及时排出。 然而，通过开沟主动排水并不能在短时间内消除粘土中的孔隙。

水[3]。

1.3 机械方法（离心、压滤）

机械脱水方法主要有离心脱水和板框压滤脱水。

1.3.1 离心法

它主要由输送机和带有空心转轴的螺旋输送机组成。 沉渣经中空转轴送入转鼓后，在高速旋转产生的离心力作用下，立即被抛入转毂腔内。 泥沙颗粒比重大，因此产生的离心力也大，被抛向旋转轮毂的内壁，形成固体层； 水的密度小，离心力也小，仅在固体层内部产生液体层。 固体层中的沉积物被螺旋输送机缓慢推动，输送到输送机的锥形端，并通过输送机周围的出口连续排出。 液体从堰四的溢流口排出到输送机外部，并被收集并从脱水机排出。 研究表明，采用水力吸力-离心脱水工艺进行疏浚不仅可以有效去除这部分泥沙，而且可以将大部分疏浚泥颗粒就地固化成泥饼，泥饼的污染程度可以大大降低在原始沉积物中，无论从数量还是质量上都可以有效减轻疏浚物的后续处置压力[4]。 一般情况下，在进泥最高含水率为97%的情况下，离心脱水机可将污泥含水率降至70%。 通过调整设备运行参数、增加絮凝剂用量，可降低含水率60%[5]。 但采用离心法脱水的疏浚底泥工程运行成本较高，目前难以大规模推广应用。

1.3.2板框压滤法

板框式压滤机由交替的滤板和滤框组成一组滤室。 滤板表面有凹槽，其突出部分用于支撑滤布。 滤框和滤板的角部有通孔，组装后形成完整的通道，可通入悬浮液、洗涤水并引出滤液。 板和框两侧有手柄支撑在横梁上，压紧装置压紧板和框。 板框之间的滤布起密封垫片的作用。 进料泵将悬浮液液压泵入滤室，在滤布上形成滤渣，直至充满滤室。 滤液穿过滤布，沿滤板槽流至板框的棱角通道。

集中排放。 过滤后，滤渣可用清水洗涤。 洗涤后，有时会引入压缩空气以除去残留的洗涤液。 然后打开压滤机清除滤渣，清洗滤布，重新拉紧板框，开始下一个工作循环。

在河流和湖泊沉积物的处理中，李荣等人。 通过对天津大沽河底泥脱水的研究发现，在自然条件下，疏浚底泥的含水率从90%降低到70%需要20天左右的时间； 而机械脱水后采样分析表明，脱水后的沉积物平均含水率为72%[6]。 高建雷等人在添加化学絮凝剂的情况下，通过压滤机快速将疏浚底泥中的水分去除。 在压滤脱水的方法中，压力越大，滤饼的含水率越低，污泥脱水效果越好。 但压力过高时，容易造成漏料； 过滤时间越长，获得的净滤液量越大，污泥脱水效果越大。 泥浆脱水效果越好，但压滤时间达到一定长度后，进一步延长压滤时间，脱水效果没有明显变化； 在相同的过滤压力和过滤时间下，随着絮凝剂投加量的增加，污泥的脱水速度不断加快，污泥脱水效果变得更好[7]。 因此，在选择机械脱水方法时，需要通过实验确定合适的过滤压力和压滤时间，并从经济角度确定合适的絮凝剂和固化剂用量[8-11]。

1.4 预压方式（真空、堆垛）

预压法是通过施加外部压力加速泥沙场内部水分的去除，包括真空预压法和载荷预压法两种方法。

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]。 其功能原理图如图3所示。

图3 真空预压干燥法示意图

排水系统采用水平管网和垂直塑料排水板，形成立体排水结构。 增压系统采用水气分离产生压力，通过管道直接传输负压，并采用低级真空系统抽真空，使泥封层能长期保持80℃。 ～90 kPa的真空负压，在真空负压产生的巨大吸力和泥封层产生的附加预压载荷的共同作用下，使淤泥中的大部分孔隙水穿过塑料排水板和水平滤管较快地排出，堆场内的淤泥被压缩并固结。 同时，泥封层逐渐完成自身固结，达到料场淤泥脱水固结和抬高地面的两大目的[13-14]。 该技术是一项技术指标高、经济效益显着的污泥脱水固结新技术。 具有高效、节能、环保、成本低、建设周期短的特点。 在东钱湖底泥固结处理试验研究中，采用低真空预压方法，使泥封层下方长期保持80 kPa的真空负压。 试验结果表明，采用低真空预压法固结约70天后，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 堆叠预加载方法

桩载排水预压法以土料、岩石、砂料或建筑物本身（路堤、大坝、房屋等）为荷载，对加筋基础进行预压。 其功能原理图如图4所示。

图4 堆垛预压干燥法示意图

在这种附加荷载的作用下，软土地基产生正超静水压力。 经过一段时间后，超静水压力逐渐消散，土体中的有效应力继续增大，地基土体得到固结，发生竖向变形，强度也随之提高。 为了缩短固结时间，加快固结进程，在基础内修建一定深度的砂井、袋装砂井或塑料排水板等垂直排水通道[16]。

湛江地区吹填淤泥软基加固试验中，采用桩载预压法。 在总荷载120 kPa、预压230天的条件下，粉土平均固结度可达83%，含水率降低33%。 压缩模量提高80%，交叉板强度提高50%以上，平均剪切强度达到38.9 kPa[17]。

1.5 土工管袋法

土工袋脱水法是将疏浚底泥输送到土工布袋中，利用压力除去底泥中的水分的技术方法。 脱水流程如图5所示：

图5 土工管袋干燥方法示意图

土工袋的脱水步骤分为三个阶段，即填充阶段、脱水阶段和固结阶段。 (1)填充：将淤泥或污泥填充到土工管袋中。 为了加速脱水，必要时可加入絮凝剂，促进固体颗粒的固结。 (2)脱水：洁净水流从土工管袋中排出。 脱水原理主要是由于土工管袋材料的过滤结构和袋内液体压力两个动态因素。 同时，还可以添加脱水剂以促进脱水速率。 脱水后99%以上的固体颗粒保留在土工管袋内； 渗出水可收集并在系统中再次循环利用。 (3)固结：管袋内残留的固体颗粒填满后，土工管袋及其填充物可丢弃至垃圾填埋场，或在适当情况下将固结材料清除并利用[18-20]。

国内，土工管袋已在深圳下坪垃圾场污泥坑应急处置工程和福永污泥处理场得到应用，取得了生态和经济方面的良好效果。

1.6 电渗析法

电渗析技术利用施加外部直流电场增强土壤材料脱水能力的原理[20]，以达到降低过湿土壤含水量的目的。 电渗析可以去除土壤中的自由水和部分弱结合水，特别是对于低渗透性的细粒土壤。 电渗析是一种非常有效的脱水方法[21]。 由于粘土颗粒一般带负电，根据电荷平衡原理，粘土中的水分子带正电。 当将电极插入泥浆中时，电流从阳极流向阴极，粘土颗粒向阳极移动，而具有极性的水分子向阴极移动，这种现象称为电渗析。 其工作原理如图6所示：

图6 电渗析法示意图

研究表明[22]，由于其独特的排水机制，电渗析的排水效果不受颗粒尺寸的影响。 在环保疏浚底泥脱水的工程应用中，特别适合处理粘土等不易快速脱水的自然条件。 且易受沉淀影响干燥效果

地球类型。 电渗析是一种可应用于所有类型土壤的脱水方法。 由于其能耗较高，常用于常规脱水方法无法达到预期效果或料场局部积水时使用。

1.7 底部排水法

疏浚泥沙场纵向深度可达5m以上。 泥沙脱水干燥初期，主要是泥沙颗粒的沉降和压缩。 在此过程中，游离水逐渐被沉积物颗粒挤出，形成上覆的残留物。 水。 剩余的水通过水门直接排入受纳水体或以蒸发的形式排入大气。 与此同时，沉降的沉积物形成越来越致密的泥层。 料场上层剩余水排空后，因蒸发可继续干燥的疏浚泥沙层仅约1m。 料场上层1m以下的底泥，由于排水水头的限制，仍处于流体状态，荷载较重。 力无法满足运输要求，因此从底部排出堆场中下部沉积物中含有的水成为提高疏浚沉积物脱水干燥效率的一种方式（见图7）。

图7 底排水法示意图

据资料[23]，料场底部间隔开有多条平行的排水沟。 排水沟内敷设排水管。 排水管向排水口倾斜，坡度为0.5%。 排水沟内排水管周围放置防渗碎石，避免泥沙与排水管直接接触，造成排水管堵塞，各排水管中间均设置垂直管道。 所有垂直管道合并并通过堆场顶部的汇总管道连接到外部真空系统。 并通过外部真空系统使排水管保持负压。 底部排水系统可以在疏浚工程后期和竣工后的一段时间内加速排除堆场内沉积物中的游离水，提高堆场泥浆的脱水和干燥速度。 在堆场下部排水系统中引入真空抽吸系统，可以提高排水管道内的真空度，提高排水扬程，提高排水效率，缩短泥沙干化周期。 上海市闵行区一条黑臭河道泥沙疏浚工作中，河道泥沙疏浚完成后，启动真空系统，使料场底部排水管保持负压状态，每天跑8小时，持续了两个月。 随后，整个院子的顶层下沉了约15毫米。 此时，经测试地基承载力达到30 kPa，满足土方输送要求。

1.8 添加固化剂

目前处理城市污水处理厂污泥主要采用添加固化剂对浆液进行脱水的方法。 目前常用的脱水固化剂有生石灰和粉煤灰[24]。 处理流程如图8所示：

添加固化材料

↓

疏浚→破泥→混合搅拌→卸料→堆垛→压实填充

图8 凝固脱水法流程示意图

研究表明[25-26]单独添加粉煤灰和生石灰可以大大提高污泥脱水性能。 生石灰在降低比电阻方面效果较好，细粉煤灰在降低脱水水泥饼含水率方面效果较好。 生石灰和粉煤灰联合添加比单独添加生石灰或粉煤灰具有更好的降低比电阻的效果； 但从脱水后泥饼的含水率来看，联合添加的效果略逊于单独添加粉煤灰的效果。 灰，效果相当于单独添加生石灰。 与污水处理厂污泥相比，环保疏浚底泥颗粒有机物含量较低，但粘土等细颗粒含量较高，疏浚场纵向和横向透水性较差。 添加生石灰或粉煤灰的主要目的是打开一条水道，使泥层中不受地表蒸发影响的游离水能够顺利流向堆场底部的排水系统。

张春雷，朱伟，等。 通过对无锡五里湖200万立方米疏浚淤泥的固化处理及工程应用实践，探讨了疏浚淤泥固化处理的施工技术，证实淤泥固化技术可以快速将疏浚污染底泥转化为土壤材料。 ，可解决疏浚淤泥堆积、占地、环境污染等问题。 经检测，疏浚底泥固化后的强度可满足一般垃圾填埋场地基的承载力要求，污染物溶解速度大大降低。 另外，固化污泥的渗透系数很低，可以认为污染物已经稳定下来。 在固化体内，有效降低了污泥利用中的二次污染风险[27]。

2 现有疏浚底泥干燥技术特点及发展趋势分析

分析沉积物的脱水干燥过程，可分为脱水和干燥两个过程。 在脱水过程中，需要快速去除沉积物颗粒周围的自由水，因为沉积物颗粒一般都带负电并具有动力学性质。 稳定性，因此通过添加絮凝剂，可以压缩泥沙颗粒的双电层，加速泥沙颗粒的失稳过程。 除了缩短泥沙颗粒沉降脱水的时间外，还可以增加去除的剩余水份。 水质。 疏浚泥浆在料场完成沉淀脱水后，进入干燥期。 此时料场内上层泥沙受到阳光直射和自然风的干燥，加速了底泥的干燥过程。 经过一个月左右，表面20-30厘米厚的一层就会干燥龟裂，含水率急剧下降，承载力明显上升。 至于料场中部和底部的沉积物，由于缺乏阳光直射和自然风干燥，水分的蒸腾作用极其有限。 另外，料场上部沉积物对中部和底部沉积物施加的压力非常有限。 也不利于中、下部底泥中的水向上部迁移。 导致料场中下层底泥中的水不能通过排放到料场上部大气环境中来去除。 另外，由于料场底泥中的水，存在的水基本上是毛细管水和结合水。 重力对沉积物中的水向下迁移的作用很弱，使得堆场中部和底部的水不能有效地渗入地下至底部排出。 综合以上原因分析，疏浚泥沙场中部和底部泥沙中的水无法快速排出。 沉积物长期处于饱和状态，含水量始终保持在较高水平。 承载能力无法大幅度提高，无法及时运出。 疏浚底泥长期占据堆料场。

现有的疏浚底泥脱水干燥方法中，机械脱水法处理疏浚底泥效果良好。 但由于能耗巨大，相应的处理成本非常高，应用范围受到限制。 仅适用于经济发达地区和疏浚工程。 只有在附近没有可用土地资源的情况下才能使用； 挖沟主动排水成本较低，但堆场高度有限，需要大面积的疏浚泥沙堆场，且干燥周期受泥沙性质影响。 很大; 真空预压法和叠载预压法是目前处理软基工程的主要方法，并有比较成熟的工程应用经验。 但由于污染水体疏浚泥沙量巨大，所需工程投资仍难以承受； 土工管袋法效果较好，但由于其工艺特点和处理成本相对较高，加上疏浚底泥中细颗粒比例较大，容易造成管袋堵塞，降低脱水效果。干燥效果差，使得土工管袋法的应用范围受到一定限制； 电渗法虽然具有快速脱水的能力，但其较高的运行成本限制了它的应用

大规模应用； 底部排水方式需要提前在料场内布置排水设施，且底部排水能力有限，料场高度也有限； 固化剂添加方法由于固化剂用量较多，最终增加了固化剂的用量。 沉积物的体积和固化沉积物的最终体积

处置也是一个需要提前解决的问题。

综合分析现有疏浚底泥脱水干燥技术表明，疏浚底泥脱水主要采用物理脱水方法。 脱水原理多是利用外力将泥浆颗粒周围或疏浚底泥中的毛细水和结合水排出。 料场结构的改善首先从修建排水渠道开始。 添加絮凝剂从改变疏浚泥沙粒径、增加沉降速度、提高堆场渗透性的角度，可以加快疏浚泥沙的脱水干燥速度。 由于其脱水效果好、成本低，越来越受到人们的青睐。 得到越来越广泛的应用。 然而，仅添加化学絮凝剂并不能解决疏浚底泥的干燥过程。 需要与物理排水方法相结合。 添加絮凝剂可以增大泥沙颗粒的粒径，改善堆场泥沙排水通道。 加上较低的压力，可以有效地挤出料场中下部的水分，加快料场的干燥速度。 化学絮凝脱水与低能耗物理脱水相结合，兼具了絮凝剂投资低、物理干燥效果好的优点。 可以达到预期的脱水干燥效果，同时最大限度地降低运行成本。 对于城市湖泊水库环保疏浚工程来说是一种非常经济有效的方法，也是未来大型环保疏浚工程中底泥脱水干燥工程的应用和发展方向。

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