一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法

1.本发明涉及水污染治理技术领域，具体为一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法。


背景技术：

2.国内外多项研究表明，即使外源得到有效控制后，湖泊底泥内源的持续释放仍可影响湖泊富营养化几十年。对于底泥内源的治理，底泥清淤(或疏浚)是一种常用的方式。底泥疏浚主要是指利用大型的疏挖器械将河湖水系中的重污染底泥移除水体，进而达到削减河湖内源污染，降低内源释放，改善河湖水质的目的。河湖底泥疏浚或清淤已经成为我国河湖治理的一种重要方式，在我国多个河湖水体中得到实施。
3.由于疏挖出来的底泥具有含水率高、储量大，不宜直接就地堆放、资源化再利用以及远距离运输。因此，对于河湖疏挖底泥首先要进行脱水固化。疏挖河湖底泥的脱水处置技术主要有土工管袋法、机械脱水法(包括带式压滤法、板框压滤法以及离心机法)、化学固化法等方法。比较来说，机械脱水法在我国河湖(包括水库)等清淤工程中是普遍采用的淤泥处置方法。其中，离心机脱水法存在耗能高，且处理后的泥饼含水率仍较高等问题，在实际中，应用较少。因此，机械脱水法中的带式压滤法以及板框压滤法是目前机械脱水中使用较多的两种技术。
4.清淤底泥处置过程中，药剂类型的投加以及机械脱水工艺的遴选对于清淤底泥处置成本、施工进度以及淤泥的后续资源化处置均具有重要的影响。污泥深入脱水技术在城市污水处理厂中应用较为广泛，但城市污水处理厂淤泥的理化特性(城市污水处理厂的淤泥有机质含量高，主要以细颗粒为主)与河湖清淤底泥具有较大的差异。河湖清淤的底泥主要有以下特点：
①
淤泥的粒径组成差异较大。河湖底泥是在长期的外源输入沉积，在水文水动力自然筛选的过程中经过多年的历史沉积而形成于湖河底部。导致河湖淤泥粒径组成或以细颗粒为主，通常被仍为淤泥质。或者以粗颗粒为主，通常称之为砂质。或者淤泥以细颗粒和砂质混合为主。
②
河湖底泥有机质含量普遍较低，局部重污染区域底泥有机质含量超标或污染的问题。河湖底泥的上述特性会显著影响药剂的絮凝效果以及后续采用的机械脱水工艺的淤泥处置效率。
5.当前，对于处置河湖清淤底泥中采用的机械脱水方法(带式压滤法、板框压滤法)存在以下问题：
①
药剂投加的剂型以及比例普遍较为盲目，未考虑底泥类径组分的差异性。河湖清淤底泥存量大，类径组成差异显著。目前机械脱水工艺中，未充分考虑淤泥类径组分的差异可能带来的投加药剂种类以及组分配比的差异。对于，粗细颗粒或者说不同性质的淤泥组成其要求的絮凝剂种类以及配比必然不同。此外，河湖清淤底泥有机质含量普遍较低(《3％)，主要部分区域底泥的有机质含量会超过3％。而有机质含量较高时，其含有的干扰官能团较多，必然会与絮凝剂进行反应，影响絮凝剂的效率。而对于这种有机质含量高的淤泥，需要对药剂的配比做出调整。
②
对于性质不同的淤泥未采用有针对性的机械脱水工艺，导致淤泥处置效率偏低，影响清淤固化的工程进度以及造价等方面。如果上述所述，河
湖淤泥的粒径组成差异是河湖底泥最显著的特点，其决定了药剂的投加类型以及组配，其也必会影响到后续的淤泥固化工艺的遴选。目前，大部分河湖清淤过程中，缺少了针对淤泥性质不同的遴选机械脱水工艺的环节，导致后续底泥处置不理想。
6.综上所述，从目前的国际上河湖清淤底泥处置固化技术来说，未针对河湖底泥的性质有针对性配比药剂以及遴选合适的机械脱水工艺。这种粗放式的药剂配比以及后续的淤泥固化工艺遴选必然造成淤泥处置效率低、成本上升等诸多不利因素。因此，本发明主要针对我国河湖库普遍存在的淤泥性质差异显著等特点，有针对性地提出药剂剂型以及配比，并建议合理的淤泥脱水固化工艺。该方法对于河湖库清淤底泥的固化药剂配比以及工艺具有重要的作用，可节省资金投入，并可提高河湖清淤底泥处理效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，以解决现有技术中的问题。
8.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，包括以下步骤：
9.s1：取河湖库待脱水清淤底泥，等间隔进行分层，备用；
10.s2：对不同层位的待脱水清淤底泥进行粒度分级，计算清淤底泥的中值粒径d50，根据中值粒径d50将清淤底泥分为粗颗粒底泥、细颗粒底泥以及中等粗细颗粒底泥三种；并分析底泥有机质的含量；
11.s3：取经过筛分除杂后的粗颗粒底泥、细颗粒底泥、中等粗细颗粒底泥中的任一种，烘干测定含水率，根据含水率将含固率调节至10-30％，得到泥浆；
12.s4：将聚合氯化铝配制成pac药剂，将阴离子聚丙烯酰胺配制成apam药剂；根据s3中清淤底泥的理化性质配制药剂并确定脱水工艺。
13.进一步的，s1中，清淤底泥分层间距为20-25cm。
14.进一步的，s2中，清淤底泥粒度分级的方法为：按照粒度小于16μm的占比进行划分，小于16μm的占比介于0-50％之间的为粗颗粒底泥；小于16μm颗粒占比在65％以上的为细颗粒底泥；小于16μm的占比介于50-65％之间的为中等粗细颗粒底泥。
15.进一步的，s4中，pac药剂中，聚合氯化铝的浓度为10-25g/l。
16.进一步的，s4中，apam药剂中，阴离子型聚丙烯酰胺的浓度为0.5-1g/l。
17.进一步的，s4中，阴离子型聚丙烯酰胺的分子量为1000-1200万。
18.进一步的，s4中，当待脱水清淤底泥为粗颗粒底泥时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的3-4％，并采用带式压滤脱水。
19.进一步的，s4中，当待脱水清淤底泥为中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥时，且待脱水清淤底泥中有机质含量小于等于2.5％时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的2-3％，apam药剂的体积添加剂量为泥浆的6-8％，采用板框压滤脱水。
20.进一步的，s4中，当待脱水的清淤底泥为中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥，且底泥有机质含量为2.5-3％时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的4-5％，apam药剂的体积添加剂量为泥浆的10-12％，并采用板框压滤脱水。
21.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明明确了不同性质河湖清淤
底泥的机械脱水药剂种类，且主要以底泥的粒度分级作为重要的参考指标。当淤泥以粗颗粒为主时，则仅需要投加聚氯化铝，且建议利用带式压滤的脱水方法。而当淤泥以中、细颗粒时，则需要使用pac药剂与apam药剂组合的方法，并根据淤泥中的有机质含量细化pac药剂与apam药剂的具体配比，机械脱水的方式建议以板框压滤为宜。
22.本方案主要创造点如下：
23.(1)首次明确了以淤泥的粒度、有机质含量的核心底泥理化性质来界定药剂的调理种类，并确定了粗颗粒清淤底泥的主要机械脱水方法(带式压滤)；
24.(2)进一步细化了中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥中有机质含量出现差异时的药剂配比种类，及其与泥浆浓度配比，明确了中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥以板框压滤法为主的机械脱水工艺；
25.本方法采用淤泥脱水前对淤泥的物理指标粒度以及化学指标有机质含量进行预评估的方法，界定了不同性质淤泥的脱水药剂种类及其机械脱水方式，避免了盲目使用药剂的窘境，且大幅度节省投资，并使淤泥脱水固化更为科学以及合理，保障清淤固淤的顺利开展。
附图说明
26.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
27.图1是不同聚合氯化铝剂量作用的泥饼含水率与比阻变化趋势图；
28.图2是阴离子聚丙烯酰胺与聚合氯化铝联合作用下中颗粒底泥的泥饼含水率与比阻变化趋势图；
29.图3是阴离子聚丙烯酰胺与聚合氯化铝联合作用下细颗粒底泥的泥饼含水率与比阻变化趋势图；
30.图4是不同粒度组成底泥含水率和过滤比阻变化曲线示意图；
31.图5是不同有机质底泥中聚合氯化铝/阴离子聚丙烯酰胺调理底泥比阻和含水率关系图；
32.图6是带式压滤脱水泥饼含水率与底泥粒径组成的关系图；
33.图7是不同类径底泥的板框压滤脱水效果与产量关系图；
34.图8是清淤固化工艺流程图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明中使用的原料及其来源如下：聚合氯化铝购自水必清环保科技有限公司，氧化铝含量30％；阴离子聚丙烯酰胺来自唐达净水，分子量1200万。
37.实施例1：考察药剂添加对不同类径底泥抽滤比阻与含水率变化。
38.表1不同类型底泥颗粒粒度分布表
[0039][0040]
通过底泥颗粒粒度分析，筛选出三种颗粒粗细的实验底泥，分别为小于16μm颗粒占比在73.63％的细颗粒泥、小于16μm颗粒占比在55.18％的中等粗细颗粒泥和小于16μm颗粒占比在36.74％的粗颗粒泥，调节成含固率为10％的均质泥浆。
[0041]
(1)取粗颗粒底泥100ml于250ml烧杯中，分别添加体积分数为0、0.5％、1％、2％、3％、4％的20g/l pac药剂(对应污泥中pac剂量为0、0.1g/l、0.2g/l、0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l)，以200r/min的转速快速搅拌1min，再以50r/min的转速慢速搅拌3min，完成絮凝反应，通过如下污泥比阻测定装置，测定絮凝泥浆的过滤比阻和脱水泥饼含水率，结果如图1和表2所示。
[0042]
表2粗颗粒底泥中pac剂量与比阻以及含水率关系表
[0043]
pac剂量(g/l)泥饼含水率(％)比阻(
×
10
10
cm/g)050.5742.52 0.140.7428.2 0.230.4720.54 0.429.7411.11 0.628.686.26 0.828.984.30
[0044]
(2)取中颗粒底泥100ml于250ml烧杯中，先分别添加2％、3％的10g/l pac药剂(对应污泥中pac剂量0.2g/l和0.3g/l)，快速搅拌1min；再分别添加1％、2％、3％、4％、5％的500mg/l apam药剂(对应污泥中apam剂量为5mg/l、10mg/l、15mg/l、20mg/l、25mg/l)，磁力搅拌器上以200r/min的转速快速搅拌1min，再以50r/mind的转速慢速搅拌3min，完成絮凝反应，通过污泥比阻测定装置，测定絮凝泥浆的过滤比阻和脱水泥饼含水率，结果如图2和表3所示。
[0045]
表3中颗粒底泥中pac剂量与比阻以及含水率关系表
[0046][0047][0048]
(3)取细颗粒底泥100ml于250ml烧杯中，先分别添加1％、2％、3％的25g/l pac药剂(对应污泥中pac剂量0.25g/l、0.5g/l、0.75g/l)，快速搅拌1min，再分别添加0、2％、4％、6％、8％、10％的500mg/l apam药剂(对应污泥中apam剂量0、10mg/l、20mg/l、30mg/l、40mg/l、50mg/l)，磁力搅拌器上以200r/min的转速快速搅拌1min，再以50r/mind的转速慢速搅拌3min，完成絮凝反应，通过污泥比阻测定装置，测定絮凝泥浆的过滤比阻和脱水泥饼含水
率，结果如图3和表4所示。
[0049]
表4细颗粒底泥中pac剂量与比阻以及含水率关系表
[0050][0051]
(4)考察聚合氯化铝和不同类型的聚丙烯酰胺药剂组合配比与细颗粒底泥类径占比之间的关系。如前所述，底泥细颗粒占比越高，脱水越困难，通过比阻以及含水率两个指标可直接反应出来。采用抽滤设备对不同底泥颗粒占比的泥浆进行絮凝实验，其中，pac药剂的剂量为500mg/l，apam和cpam的剂量均为20mg/l。结果如图4和表5所示。
[0052]
表5聚合氯化铝与阴阳离子聚丙烯酰胺组配对不同泥颗粒占比的调理效果
[0053][0054]
实施例2：考察药剂添加对不同有机质含量底泥含水率影响。
[0055]
取不同有机质含量的细颗粒底泥，按照实施例1中的方法配制泥浆，并添加不同浓度的药剂配比，开展抽滤实验，抽滤泥饼含水率以及过滤比阻如表6-7和图5所示。其中，实验底泥主要选择巢湖清淤区南部细颗粒淤泥质底泥，底泥平均有机质含量在2.35％，同一批底泥因此粒度组成和氮、磷污染程度保持一致。向原始均质底泥中添加沉积物典型有机质代表物质—腐殖酸，作为底泥中的有机质，添加量控制在干泥的0.5％、1.0％、1.5％，分别记作低有机质、中有机质、高有机质调理底泥，定量添加混合后，放置24h以上。调节底泥含固率与前文脱水实验底泥泥浆一致(10％含固率)，以底泥过滤比阻和脱水泥饼含水率两个核心指标研究底泥不同有机质含量对絮凝剂脱水效果的影响。
[0056]
表6不同剂量的apam药剂对低有机质底泥的处理效果
[0057][0058]
表7不同剂量的pac药剂与apam药剂对中有机质底泥的处理效果
[0059][0060]
表8不同剂量的pac药剂与apam药剂对高有机质底泥的处理效果
[0061][0062]
实施例3：考察不同粒径底泥的带式压滤脱水和板框压滤脱水效果。
[0063]
图6为巢湖清淤试点工程带式压滤机实际生产中的底泥粒度与泥饼含水率关系，图7为不同粒径底泥的板框压滤脱水效果与产量关系图。两种淤泥固化工艺的泥浆絮凝处理相同，具体工艺流程为：首先利用泥浆泵将沉淀池中的泥浆吸入均化池中，加入一定浓度的pac药剂(浓度约为2.5％)与apam药剂(浓度约为0.5
‰
)，均化池泥浆浓度含固率在15％左右。然后分别泵吸至压滤机或板框机中，进行挤压脱水，具体工艺如图8所示。
[0064]
可以看出，带机脱水泥饼含水率与底泥小于16μm颗粒占比密切相关。前期清淤区域为远岸区，底泥粒径较小，主要为细颗粒淤泥，因此粒径分析中小于16μm颗粒占比较大，基本在70％以上。在2022/4/7采集的底泥样品小于16μm颗粒占比最大，为82.87％，脱水泥饼含水率也是最高的，两台带机脱水效果均不理想，脱水泥饼含水率分别为57.53％、53.53％，脱水效果较差。随着清淤工程的不断向北近岸区推进，底泥粒径变大，小于16μm颗粒占比开始降低，脱水泥饼含水率明显开始降低。在2022/9/7采集的底泥样品，原泥中值粒径为16.3μm，小于16μm颗粒占比在49.27％，是典型的粗颗粒砂质泥。因此两台带机脱水泥饼干化程度也达到了最低水平，分别为35.16％和34.27％。实际底泥脱水效果与室内模拟结果一致，即底泥粒径是影响底泥脱水的重要因素。底泥颗粒粒径越小，其中小于16μm颗粒占比越大，底泥脱水越困难。
[0065]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0066]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：取河湖库待脱水清淤底泥，等间隔进行分层，备用；s2：对不同层位的待脱水清淤底泥进行粒度分级，计算清淤底泥的中值粒径，根据中值粒径将清淤底泥分为粗颗粒底泥、细颗粒底泥以及中等粗细颗粒底泥三种；并分析底泥有机质的含量；s3：取经过筛分除杂后的粗颗粒底泥、细颗粒底泥、中等粗细颗粒底泥中的任一种，烘干测定含水率，根据含水率将含固率调节至10-30％，得到泥浆；s4：将聚合氯化铝配制成pac药剂；将阴离子型聚丙烯酰胺配制成apam药剂，根据s3中清淤底泥的理化性质添加药剂，并确定脱水工艺。2.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s1中，清淤底泥分层间距为20-25cm。3.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s2中，清淤底泥粒度分级的方法为：按照粒度小于16μm的占比进行划分，小于16μm的占比介于0-50％之间的为粗颗粒底泥；小于16μm颗粒占比在65％以上的为细颗粒底泥；小于16μm的占比介于50-65％之间的为中等粗细颗粒底泥。4.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s4中，pac药剂中，聚合氯化铝的浓度为10-25g/l；apam药剂中，阴离子聚丙烯酰胺的浓度为0.5-1g/l。5.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s4中，当待脱水清淤底泥为粗颗粒底泥时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的3-4％，并采用带式压滤脱水。6.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s4中，当待脱水清淤底泥为中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥，且带脱水清淤底泥中有机质含量小于等于2.5％时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的2-3％，apam药剂的体积添加剂量为泥浆的6-8％，采用板框压滤脱水。7.根据权利要求1所述的一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法，其特征在于：s4中，当待脱水的清淤底泥为中等粗细颗粒底泥、细颗粒底泥，且底泥有机质含量2.5-3％时，pac药剂的体积添加剂量为泥浆的4-5％，apam药剂的体积添加剂量为泥浆的10-12％，并采用板框压滤脱水。

技术总结
本发明涉及水污染治理领域，具体为一种基于河湖底泥理化性质的清淤底泥脱水工艺确定方法。就目前河湖库底泥清淤量大，而当前针对不同性质清淤底泥的脱水固化药剂以及固化工艺遴选不明确，提出一种基于底泥理化性质的河湖库清淤底泥药剂种类、配方以及固化工艺初步遴选的方法。该方法主要是对待清淤底泥物理指标的底泥类径以及化学指标的底泥有机质含量进行分析。基于上述结果，划分待清淤底泥的物理指标和化学指标隶属等级，则可初步判定底泥固化药剂的剂量和配比，并确定底泥固化工艺。该方法对于河湖库清淤底泥的固化药剂配比以及工艺具有重要的作用，不仅可节省资金投入，并可提高清淤底泥处理效率。并可提高清淤底泥处理效率。并可提高清淤底泥处理效率。


技术研发人员：尹洪斌 任俊
受保护的技术使用者：中国科学院南京地理与湖泊研究所
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/6