底泥干化技术及资源化利用在工程中的适用性对比分析

周剑锋 张星宇 中交上海航道勘察设计研究院有限公司

河湖作为陆源性面源污染的主要受纳水体，其污染物主要通过大气沉降、雨水、废水入河等形式进入水体，最终沉积于底部淤泥并逐渐富集，其污染物主要为重金属、有机质、氮磷等营养元素。如不对污染底泥进行有效地处置，其中积聚的有害物质重新释放，将引起水体二次污染，造成水体溶解氧减少、富营养化而引发蓝藻、水体透明度降低等污染问题，严重破坏河湖生态系统。环保疏浚作为目前去除河湖内源污染最常见、有效的处理方式，其目的是通过人工和机械方式去除水体中的污染底泥，减少污染物释放量，在河湖水环境和水生态修复中发挥着至关重要的作用。[1]随着越来越多的环保疏浚工程的开展，疏浚底泥处置和资源化利用问题逐渐凸现，底泥脱水干化技术发挥着关键性作用，具有一定的现实意义。

1.国内外淤泥干化技术

河湖底泥通常由粒径很小的黏粒及细粒、粉粒组成，传统的底泥处理方式为管道/船舶输送至底泥堆场，通过自然沉淀的方式，待上部余水排除后，利用晾晒、风干、渗透的方式自然干化，占地历时长、效率低，不利于片区土地开发及景观恢复。因此，为尽快利用土地和恢复自然景观，必须采取有效措施，缩短底泥干化时间。

目前，国内外淤泥脱水干化主流方法包括自然晾晒、机械脱水、土工管袋脱水、真空预压脱水、焚烧等。

2.淤泥干化技术应用及对比分析

2.1 自然晾晒

自然晾晒是将河湖底泥结合环保疏浚措施，将淤泥送至泥库，泥浆通过自然沉淀实现泥水分离，通过蒸发、风干、自然渗透等方式降低土体含水率最终实现自然干化。脱水效果及脱水周期易受天气、淤泥土成分、围堰外围渗水等不确定因素的影响。自然干化效果随深度变化逐渐减小，泥库下层泥浆很难短时间干化，一般自然干化淤泥堆积深度不超过3m[2]。

以罗时江入湖河口环保疏浚一期工程为例，工程采用环保型绞吸船疏挖底泥通过管道排到泥库进行自然干化处置，堆泥深度5米。施工完成后，表面雨水经多级沉淀排除后，自然晾晒一个月后淤泥土表面形成片状泥痂龟裂，但表面以下淤泥基本处于饱和状态，含水率较高，承载力较差，经后续跟踪观测自然晾晒5年后，土地承载力仍无法恢复至正常标准。

在自然干化的基础上，为了缩短干化周期，可以采取主动开沟排水、底部排水、真空预压、加混凝剂等工程结合措施，提升脱水效果，但是相应的工程造价将大幅增加。

表1 机械脱水设备优缺点对比分析表

2.2 机械脱水

（1）离心式脱水机。离心式脱水机是利用土颗粒和水的比重差，加入絮凝剂后，泥浆在高速离心作用下，加速土颗粒沉降来实现固液分离。利用离心机转鼓与螺旋输送器的转速差，将脱水后污泥从出渣口推出，液体则从另一侧溢流堰排出。

武汉官桥湖项目采用LW350×1500NY离心机，采用离心机对有机质含量高的污泥进行脱水干化，干化后形成的渣土含水率在50%以下。

（2）带式压滤机。带式压滤机是利用两根张紧的滤带夹裹混合后的淤泥，利用辊轴之间的剪切力对滤带内的淤泥进行挤压、剪切，将淤泥中的水分挤出。是一种可以连续运行的机械式脱水干化设备，但脱水效率相对于其他几种机械脱水方式要低。

（3）板框压滤机。板框压滤机是用进料泵及板框的压力对泥浆进行挤压将泥浆中的水分挤出。通常在脱水前对泥浆进行除杂、混凝等预处理工序，为提高泥水分离效果，可加入适量的絮凝剂与脱水剂，减少泥浆与滤布的粘连。

以嘉兴市九水水环境生态修复工程（一期）为例，工程河道清淤总方量约136万m³，采用板框压滤脱水干化后进行资源化利用。采用XMZG600/2000-U板框压滤脱水机，干化场建设处理能力为4500m³/d，经板框压滤干化工艺后渣土含水率基本控制在50%以下。

（4）叠螺式脱水机。叠螺式脱水机是泥浆在浓缩部经重力浓缩后，在运输到脱水部过程中随着滤缝和螺旋轴螺距的逐渐变小，在背压板的作用下，内压逐渐增强，使泥浆容积不断缩小，达到脱水目的。

2.3 土工管袋脱水

土工管袋脱水干化施工工艺过程包括疏浚、管道输送、投药、脱水、固结五个阶段。疏浚底泥泵送过程中注入适量的絮凝剂，通过混合后，充填进入土工管袋中，混合后管袋中的淤泥在自重、管袋充填压力的作用下，孔隙水通过管袋孔隙排出，土颗粒留在管袋中，从而实现脱水降容的目的[4]。

以苏州河（真北路～蕰藻浜）底泥疏浚工程为例，采用土工管袋脱水工艺处理，“挖、运、吹”底泥43.6万m3，脱水场区面积约10.58万m2。场地内堆叠一层土工管袋，固化使用管袋尺寸为61.4m×8.4m，最大安全填充高度为2.6m，极限填充高度为3.0m。脱水助剂采用CZ492AP+SP,添加比例为千分之二浓度。经土工管袋处理过后的疏浚土，在30天后，含水率大概在50%左右，容积得到很大程度的缩减。

2.4 真空预压脱水

真空预压脱水固化方法是在传统软基处理真空预压法转化而来，通过在软土中打设竖向塑料排水板或打设砂井，吹填一层厚度为0.5m的砂垫层，再铺设防渗膜进行闭气，抽气使膜下处于真空状态，膜上覆水和大气压强作用下使土中的水分通过排水通道排除，达到土体脱水固结效果。

除常规的真空预压法基础上，直排式真空预压可以取消砂垫层，降低成本，真空压力传递损耗小、效率提高30%以上、工期缩短至少20%，适用污染程度较低，黏粒含量小于50%的疏浚底泥处理。

表2 淤泥干化技术对比分析表

2.5 焚烧

如底泥成分燃烧值较高或底泥含有大量有毒有害物质，通过焚烧底泥的方式可以有效处理污染底泥，焚烧可以分解有机物、杀死病原体、最大限度降容[5]。但一般焚烧处理厂位于城市郊区，需要长距离运输，处置单价较高，而且受焚烧厂处理能力限制，无法满足大规模疏浚工程，大规模疏浚工程单独建设底泥焚烧厂造价昂贵。另外，焚烧产生的尾气处理问题也制约着底泥焚烧处理工艺的应用。底泥在焚烧前，一般先进行热干化或脱水，减少处理量和能耗。

3.固化土资源化利用

近年来，越来越多的学者对疏浚底泥资源化利用进行了深入化探索。部分研究成果证明疏浚土处理后，含水率明显降低，部分重金属钝化后，依据泥饼性质作用，将其融入工程建设填土与湿地养护之中。在这个过程中，当下对疏浚底泥应用途径包含以下几种：

3.1 土方回填

不同类型的疏浚底泥通过不同处理工艺干化后，经检测后满足不用类型土壤管控标准要求的，可进行回填资源化利用。第一，还田。对于满足农用地土壤管控标准要求的，可用于还田利用，由于疏浚底泥中富含氮、磷、钾等植物所需的营养元素以及钙、镁、铁、锌等生物微量元素，可提高土壤肥力，促进农作物生长。第二，还林。对于满足绿化种植土壤指标的，可以还林利用。第三，建筑填料。机械脱水干化处理下的疏浚底泥，一定程度上降低了含水率，使其和工程规定强度相吻合，从而在堤防、吹填、道路工程中具有良好的应用。

3.2 制备建筑材料

第一，制备水泥。污染底泥中含有较多的成分，例如钙与铝等，一定程度上取代了传统水泥制备材料。第二，制砖。污染底泥制砖中，全面调整底泥成分，确保成分和制砖黏土化学成分相适应。试验证明，底泥和黏土依据质量固定比例进行配料，底泥砖与普通红砖强度相吻合。第三，制陶粒。有研究表明疏浚底泥经制陶工艺烧制后，陶粒性能完全能够满足黏土陶粒技术标准。此外，疏浚土还可以用来制造瓷砖、砖瓦等建筑材料[6]。

3.3 能源回收

在“碳达峰、碳中和”目标下，氢能作为公认的低碳和零碳能源脱颖而出，氢能源污泥制氢技术代表着污染底泥资源化利用的未来发展方向之一。根据原理和特点分为生物制氢和高温气化制氢两种污泥制氢技术[7]。污泥生物制氢技术是基于微生物酶催化反应而产氢的技术，根据微生物种类又分为光合生物制氢和发酵生物制氢两种。污泥高温气化制氢技术是通过热化学反应产生气体燃气或合成气体，再从中分离出氢的技术。

4.余水处理与排放

底泥疏浚过程中不可避免的产生各种尾水，如自然干化泥库的上层清液、机械干化法滤带清洗水、土工管袋滤出水、真空预压排出水等，如不处理直接排放，可能对周围受纳水体造成二次污染。我国目前还未有河道疏浚余水的排放专门标准，主要是根据工程环评报告要求并参照《污水综合排放标准》和《城镇污水处理厂污染物排放标准》执行[8]。目前，主要的余水处理方法主要有：

4.1 多级沉淀溢流

多级沉淀溢流是大型疏浚吹填泥库尾水处理的主要方法，通过远离吹填口出设置多级尾水池、多级溢流和间歇吹填方式，增加余水停留时间，是尾水中的固体颗粒充分沉降，主要起到降低SS和污染物的目的，从而提高余水排放水质。

4.2 化学絮凝

化学絮凝的应用最为广泛，原理是利用絮凝剂降低余水SS和TP等污染物，稍微降低NH3-N和TN，从而实现余水净化。但基于其成本较高同时存在一定的环境风险的情况，化学絮凝很少应用于疏浚工程余水处理措施。

4.3 膜分离技术

膜分离技术应用较为广泛，原理是在膜两侧压差的推动下，污水中不同成分在膜中渗透性的差异，分离出污染物，以达到净水目的[9]。膜分离技术根据膜孔径和分离压力的不同，主要分为微滤、超滤、反渗透等方法。该技术成本较高。

4.4 超磁处理技术

超磁处理技术是由污水处理厂处理工艺简化产生，其原理是污水中加入一定浓度磁粉，在PAM和PAC作用下形成微磁絮团，经过超磁分离设备，超磁磁鼓吸附微磁絮团，实现固液分离，出水达标排放。由磁盘分离出来的微磁絮团经磁回收系统实现磁性物质回收再利用，污泥进入污泥处理系统。

通过对嘉兴南湖生态环境修复工程超磁一体化处理场站取水口河道原水和超磁出水口清水进行取样对比，SS由136mg/L降低至5mg/L，SS去除率高达96%，TP由0.27mg/L降低至0.016mg/L，TP去除率高达约94%，效果显著。该技术处理效果好，效率高，但处理费用较高。

5.淤泥干化技术发展趋向分析

随着我国“碳达峰”“碳中和”目标愿景的提出，推动着各行各业以节能减排和高质量发展为指引的新发展规划，这也促使淤泥干化技术向着低能耗、高效率的技术方向发展。机械脱水干化技术相在城市湖库的环保疏浚工程性价较高，在大规模环保疏浚底泥干化工程中得到广泛应用，通过不断地技术研发革新，设备更新换代，势必向着能耗更低、成本更低、污染更小、效率更高、效果更好的技术方向发展。

6.结论

第一，针对环保疏浚工程的特点，如体量大、工期紧等，针对不同地区、不同土质、不同要求的环保疏浚工程，合理选择底泥干化处理技术，对于减少环境污染、节约土地资源、节省工程投资、缩短建设工期等方面起到至关重要的作用。第二，淤泥干化土方资源化利用贴合生态文明国情，建议纳入环保疏浚工程设计阶段统筹考虑，不仅可以节省工程投资，而且对节约社会资源、保护生态环境方面起到良好的促进作用。第三，余水的处理和排放。疏浚吹填和淤泥干化都会产生大量的余水，必须采取合适的余水处理方式，达标排放是十分必要的，建议在工程环保设计或环评报告中予以明确。