河道疏浚淤泥沉降试验研究

发布人： / 发布时间：2022-02-19

城市大多位于平原或丘陵中间平缓地带，河流大多数是缓滞流体，河道界面窄，坡度小，自净能力弱，初期雨水径流携带的污染物和从城市管网的溢流污染物直接进入河道，导致河道底泥污染物积累严重，此次河道疏浚所取河道淤泥为河南郑州市汜水河米河镇所在河流污泥。

试验所取试验样品污泥为具有代表性的河床中央污泥。污泥分两部分，下层高浓度常年沉积底泥与上层低浓度黑色浮泥，报告中将以“底泥”和“浮泥”分别代指两种物料。该试验将两部分淤泥分别取出，试验仅做为公司研究之所需，不对其它任何机构或公司负责。试验结果如下：

1. 常规指标测定

底泥真密度：2.9g/cm3；浮泥真密度：2.16g/ cm3；河道底泥与浮泥质量比（m底泥：m浮泥）=4：1~5：1；河水pH=7.4（经多次测试该河道河水呈中性或弱碱性）。

2. 底泥和浮泥用量配比影响

考虑到河道污泥的复杂程度，在实际处理中无法将底泥和浮泥完全分开，同时在试验探索阶段发现浮泥含量过高会造成沉降底流浓度过低的现象。因此将底泥和浮泥按照不同比例配成给料浓度均为2%的料浆，按相同剂量添加絮凝剂，在不考虑浓密机作用时间的基础上，试验所采用长时间18h沉降，以消除短时间沉降试验中因试验先后顺序和时间间隔所引起的浓度差别带来的影响，仅仅以底泥的不同占比条件下横向比较，记录数据。随后在长时间沉降环境下对底流再次进行人工搅拌以模仿浓密机耙架系统提高底流浓度，再次记录数据。*终沉降结果如下（照片见附图1）：

由该组图表可以看出，随着底泥：浮泥比例不断增加，即底泥浓度所占总污泥比例不断加大的同时，随着时间的推移，沉降底流浓度不断加大。在完全不含底泥，全部为浮泥的时候（底泥所占比为0%），18h沉降底流浓度仅为11.2%，经人工搅拌后可以上升至17.1%，该浓度即为全浮泥沉降可达*大浓度；当全部为底泥时（底泥所占比为100%），18h沉降底流浓度上升至22.7，经人工搅拌后底流浓度达到*大37.5%。因此说明底泥含量越高，沉降可达底流*大浓度越大，同时也说明活性污泥集中在浮泥部分。考虑到实际河流的底泥和浮泥质量比在4：1~5：1，选定*终浓密机给料的底泥和浮泥质量比为85：15为*佳，即底泥所占比例为85%为后续试验所选配比。

3. 给料浓度对底流浓度的影响

在底泥所占比例为85%的基础上，探索给料浓度对底流浓度的影响。试验按照85：15的底泥：浮泥配比污泥，分别配置了污泥给料浓度为1%、2%、3%、4%、5%的五组试验，以单位污泥干料使用相同絮凝剂量为标准，按比例添加絮凝剂，试验数据如下（照片见附图2）：

该试验探索了不同进料浓度对底流浓度产生的影响，证明了在一定范围内，适当提高给料浓度对增大沉降底流浓度有明显作用，考虑到4%和5%的浓度下沉降速度有所减缓，尤其是5%浓度下沉降速度下降明显，而3%浓度可以在实际工作中控制在2%-4%之间波动，对*终底流浓度影响不大。1%给料浓度又过低，因此试验控制3%浓度为*终给料浓度。

4. pH值的影响

在确定底泥浓度占比与给料浓度的基础上，探索pH值对底流浓度的影响，试验在给料浓度为3%，底泥：浮泥质量比为85：15，添加相同剂量絮凝剂的基础上，使用稀硫酸和石灰水调整给料pH值，讨论不同pH对污泥沉降效果的影响，试验数据如下（照片见附图3）：

由图表可以看出，随着pH值的增大，沉降底流浓度先增大后减小，在弱酸性条件下底流浓度*高，在加入石灰水的条件下，污泥在丝状菌影响下呈现卷状，且上部分层（照片见附图4），同时由于pH值的变化导致其表面ζ电位的改变，从而影响其污泥颗粒表面电性，加速颗粒之间相互聚沉，以至于在pH≥11时已经可以在短时间内出现明显沉降现象，从而证实在碱性条件下，污泥沉降速度加快，絮凝剂的用量可以得到降低，但底流浓度会受到影响。然而在酸性条件下，颗粒较为分散，加入絮凝剂以后沉降底流絮团较小，颗粒之间缝隙少，底流浓度高（照片见附图5）。但H⁺与污泥中的硫结合生成H₂S气体挥发迅速，产生臭鸡蛋味气体，污染严重，同时基于工业中使用硫酸的成本和安全性考虑，实验*终采用不添加任何酸碱成份，在原有pH条件下（中性偏碱）进行后续试验。

5. 絮凝剂选型及用量试验

絮凝剂选型在试验*初探索时使用DW40、DWN0510、DWC5006、CDW-1、DWA1410、PAC、PFS、明矾、NaOH、CaO、CaCl₂进行一系列尝试，*终结合使用成本，选择了PAC和DWN0510两种絮凝剂结合使用的用药方式。

随后在上述试验基础上，采用底泥：浮泥85：15，给料浓度3%，pH在原有中性不变的基础上，使用量杯试验，加入等量料浆，再给入不同比例絮凝剂，*终测得采用先后添加3ml PAC和3ml DWN0510絮凝剂为*佳药剂用量，即针对污泥干料，PAC用量为4kg/t，DWN0510用量为160g/t，推荐为工业用量。初算成本共需9.28元/t的药剂量。（用量试验见附图6）

6. 污泥沉降速度试验

试验在给料浓度为3%，底泥：浮泥质量比为85：15，pH=7.4，絮凝剂组合用量为PAC和DWN0510分别为4kg/t和160g/t基础上采用1000ml量筒进行沉降速度试验，试验结果如下：

试验数据可以看出，在有人为缓慢搅拌干预的情况下，沉降40分钟时测得40分钟时清水层浊度为39NTU（约5ppm），上清液完全达标。此时底流浓度达到28.4%，离目标30%的沉降浓度仍有差距，在沉降60分钟时可以达到32%的底流浓度，说明实际生产中通过调整浓密机锥角，合理调整耙机转速和脱水杆直径，实现40分钟内达到30%的底流浓度是可行的。而从图5的计算可得知污泥平均沉降速度为2.16m/h，沉降60分钟*终沉降图片见附图7。

7. 扩大实验结果

使用试验室40L动态浓密机进行验证，给料浓度为3%，底泥：浮泥=85：15，絮凝剂按照污泥干料为PAC 4kg/t，DWN0510 160g/t的条件加入，耙机转速为10r/min，40分钟后测得浓密机底流浓度为25%，同时取样做污泥比阻，测得污泥该样品沉降40分钟污泥比阻r=3.06×10¹¹，一般认为，比阻抗在10¹²-10¹³为难过滤物料；在（5-9）×10¹¹为中等，小于4×10¹¹为易过滤物料，因此可以判断污泥在此种以上实验条件下为易过滤物料。（试验图片见附图8）

8. 污泥活性的讨论

为探究污泥中活性污泥的膨胀影响，进行了两组针对污泥活性的沉降试验，将底泥和浮泥分别在80℃的烘箱中烘干后轻度研磨，配成2%浓度料浆添加PAC 4kg/t，DWN0510 160g/t的絮凝剂进行沉降，所得沉降结果如下：

试验发现，无论是烘干的底泥还是浮泥沉降速度均远快过未烘干样品，同时烘干底泥和烘干浮泥的浓度也远高于未烘干样品，同时烘干样品再配成矿浆过程中粘性大幅削弱，说明在烘干过程中物料发生了一系列物理化学变化，发生了表面电性，活性，有机物组成，**等改变，从而再一次证明了河道污泥的沉降难点在于其有机物含量高，微生物组成复杂，化学成份随时变化，丝状菌引起污泥膨胀。因此简单的添加絮凝剂沉降难以改变其污泥活性，沉降浓度瓶颈十分明显。因此考虑采用添加成本低廉的沉降介质作为载体，增大其底流浓度。

9. 添加其他介质沉降探索

9.1 添加河沙与煤泥沉降实验比较

试验采用大于60目的工业用河沙作为添加介质，以及100-400目细粒煤泥作为添加介质进行比较，考虑到河沙沉降速度远快于煤泥，因此主要以河沙作为主要试验对象，煤泥仅作一组作为对比试验。

试验首先将底泥和浮泥以85：15质量比进行配置，配好后作为污泥整体，将该整体和河沙（或煤泥）以一定配比进行配置，*后加水不改变其pH条件下配成料浆，按所含污泥干重比例4kg/t和160g/t的PAC和DWN0510絮凝剂添加量添加絮凝剂进行试验，实验结果如下（试验图片见附图9和附图10）：

从实验数据可以发现河沙的加入的确可以一定程度提升底流浓度，同时使用神木煤泥进行了一个占比40%的试验，以对比占比40%的河沙沉降效果，试验结论是加入河沙对底流的增大效果高于加入煤泥的沉降效果，同时加入煤泥的沉降效果略高于不添加任何沉降介质的效果。

从图中曲线可以读出在河沙占比10%的条件下，底流浓度为28%。同时考虑实际成本的因素，应尽可能减小河沙的使用量才有可能使方案可行，因此考虑河沙使用比例≤30%才合理，在河沙占比30%的条件下，底流浓度可以增加到38%，因此河沙的添加比例应控制在给入干料总量的10%-30%之间进行选取来核准成本，过低则对增大底流浓度无意义，过高则无法控制成本，同时也影响后续污泥干化流程的进行。后续试验为凸显河沙的作用，均选用30%的河沙占比来进行其他实验。

9.2 混合物料絮凝剂的用量试验

以河沙占污泥干料总量为30%的物料为试验对象。由于前面对不添加其他介质的污泥沉降所需絮凝剂的类型和用量做了大量的探索试验，因此在添加了河沙介质后对于絮凝剂的用量基于前面试验基础上，以污泥干料为定量标准，试验现象为依据（见附图11），选取了2.5ml+2.5ml的絮凝剂用量为*终用量，该用量经核算后，对于污泥和河沙的混合干料吨，PAC的用量为3.3kg/t，DWN0510为133g/t。

9.3 混合物料沉降速度试验

试验采用河沙占比30%，污泥占比70%的物料进行1000ml量筒沉降试验，絮凝剂为PAC的添加3.3kg/t，DWN0510为133g/t，实验结果如下：（图片见附图12）

由该图表可以得知添加了河沙的混合物料在人工缓慢搅拌的介入下，沉降40分钟底流浓度达到35.1%，高于未添加河沙的污泥物料28.4%（见表4），同时图8的计算得知沉降平均速度为3.55m/h，因此可以得出结论添加河沙的污泥底流浓度和沉降速度均高于未添加河沙的污泥，同时上清液浊度依然达标。

9.4 混合物料扩大实验结果

试验同样使用40L动态试验浓密机进行验证，给料浓度为3%，底泥：浮泥=85：15作为污泥部分，污泥部分与河沙干料添加比例为7：3作为给料（混合物料），絮凝剂按照混合物料干料为PAC 3.3kg/t，DWN0510 133g/t的条件加入，耙机转速为10r/min，40分钟后测得浓密机底流浓度为28%，比起1000ml量筒试验底流浓度低，考虑为设备不稳定性和取样问题所导致，但仍能得出添加河沙的污泥底流浓度仍高于未添加河沙物料的结论。

10. 结论与建议

试验*终得到了两组方案：

方案一：全污泥方案

底泥：浮泥=85：15，加河水（或自来水）不改变其pH下配置浓度为3%的入料浓度，加入PAC为4kg/t，DWN0510为160g/t的絮凝剂，*终可以实现平均浓度28.4%，*终排料浓度高于30%的底流浓度，沉降速度为2.16m/h，上清液NTU为39，ppm为5.0，*终沉降污泥比阻r=3.06×10¹¹，为易过滤污泥。考虑到试验室设备无锥角和连续耙机，实际生产设备应高于该浓度。

pH对底流浓度有影响，在弱酸性环境下有利于沉降浓度的提升，当pH＞9反而对底流浓度的提升不利，但pH≥11时可以改变污泥颗粒表面电性从而加速沉降，减少絮凝剂的用量，因此pH无论酸碱都有利有弊，考虑到生产中不宜使用硫酸，并且硫酸会造成河水污染，产生硫化氢等有**体。实际处理中无需对pH进行调整，保持河水本身pH即可。

PAC 4kg/t、DWN0510 160g/t的用量按照PAC 1600元/t，DWN0501 18000元/t的市场价格，*终合计为9.28元/t的药剂成本价。

方案二：加河沙方案

底泥：浮泥=85：15作为污泥部分，污泥部分与河沙干料添加比例为7：3作为入料（混合物料），絮凝剂按照混合物料干料为PAC 3.3kg/t，DWN0510 133g/t的条件加入，加河水（或自来水）不改变其pH下配置浓度为3%的入料浓度，加入PAC为3.3kg/t，DWN0510为133g/t的絮凝剂，*终可以实现平均浓度35.1%，*终排料浓度接近40%的底流浓度，沉降速度为3.55m/h。

PAC 3.3kg/t、DWN0510 133g/t的用量按照PAC 1600元/t，DWN0501 18000元/t的市场价格，*终合计为7.67元/t的药剂成本价。

河道污泥的沉降难点在于其有机物含量高，微生物组成复杂，化学成份随时变化，丝状菌引起污泥膨胀。因此简单的添加絮凝剂沉降难以改变其污泥活性，沉降浓度瓶颈十分明显。因此考虑采用添加成本低廉的河沙作为载体，优势是增大其底流浓度，加快沉降速度，同时可能会对后续的脱水流程有帮助。但弊端也是很明显的：河沙的取得方式以及运输成本将成为一部分受限因素；同时河沙沉降速度过快，小型试验可以手动充分搅拌，大型试验难免会因为河沙沉降速度过快会考虑如何均匀稳定添加搅拌控制浓度以及泵送问题，否则浓密效果将会变差；其次添加河沙虽然絮凝剂单位成本降低17%，但污泥处理量却降低30%，因此絮凝剂成本变相加大，实际仅仅针对河道污泥部分的处理，絮凝剂的使用成本增加了1.17元/t；同时设备处理周期和电耗都将增加；*后需要考虑的是污泥底流的后续处理以及污泥干化后*终的解决方案，无论是掩埋、焚烧还是造砖做肥，30%含量的河沙部分都是影响巨大的（利弊未知），但是因此方案二作为备选方案仍需讨论其成本与可操作性。