河道疏浚淤泥沉降試驗(yàn)研究

發(fā)布人： / 發(fā)布時(shí)間：2022-02-19

城市大多位于平原或丘陵中間平緩地帶，河流大多數(shù)是緩滯流體，河道界面窄，坡度小，自凈能力弱，初期雨水徑流攜帶的污染物和從城市管網(wǎng)的溢流污染物直接進(jìn)入河道，導(dǎo)致河道底泥污染物積累嚴(yán)重，此次河道疏浚所取河道淤泥為河南鄭州市汜水河米河鎮(zhèn)所在河流污泥。

試驗(yàn)所取試驗(yàn)樣品污泥為具有代表性的河床中央污泥。污泥分兩部分，下層高濃度常年沉積底泥與上層低濃度黑色浮泥，報(bào)告中將以“底泥”和“浮泥”分別代指兩種物料。該試驗(yàn)將兩部分淤泥分別取出，試驗(yàn)僅做為公司研究之所需，不對(duì)其它任何機(jī)構(gòu)或公司負(fù)責(zé)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1. 常規(guī)指標(biāo)測(cè)定

底泥真密度：2.9g/cm3；浮泥真密度：2.16g/ cm3；河道底泥與浮泥質(zhì)量比（m底泥：m浮泥）=4：1~5：1；河水pH=7.4（經(jīng)多次測(cè)試該河道河水呈中性或弱堿性）。

2. 底泥和浮泥用量配比影響

考慮到河道污泥的復(fù)雜程度，在實(shí)際處理中無法將底泥和浮泥完全分開，同時(shí)在試驗(yàn)探索階段發(fā)現(xiàn)浮泥含量過高會(huì)造成沉降底流濃度過低的現(xiàn)象。因此將底泥和浮泥按照不同比例配成給料濃度均為2%的料漿，按相同劑量添加絮凝劑，在不考慮濃密機(jī)作用時(shí)間的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)所采用長(zhǎng)時(shí)間18h沉降，以消除短時(shí)間沉降試驗(yàn)中因試驗(yàn)先后順序和時(shí)間間隔所引起的濃度差別帶來的影響，僅僅以底泥的不同占比條件下橫向比較，記錄數(shù)據(jù)。隨后在長(zhǎng)時(shí)間沉降環(huán)境下對(duì)底流再次進(jìn)行人工攪拌以模仿濃密機(jī)耙架系統(tǒng)提高底流濃度，再次記錄數(shù)據(jù)。*終沉降結(jié)果如下（照片見附圖1）：

由該組圖表可以看出，隨著底泥：浮泥比例不斷增加，即底泥濃度所占總污泥比例不斷加大的同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，沉降底流濃度不斷加大。在完全不含底泥，全部為浮泥的時(shí)候（底泥所占比為0%），18h沉降底流濃度僅為11.2%，經(jīng)人工攪拌后可以上升至17.1%，該濃度即為全浮泥沉降可達(dá)*大濃度；當(dāng)全部為底泥時(shí)（底泥所占比為100%），18h沉降底流濃度上升至22.7，經(jīng)人工攪拌后底流濃度達(dá)到*大37.5%。因此說明底泥含量越高，沉降可達(dá)底流*大濃度越大，同時(shí)也說明活性污泥集中在浮泥部分?？紤]到實(shí)際河流的底泥和浮泥質(zhì)量比在4：1~5：1，選定*終濃密機(jī)給料的底泥和浮泥質(zhì)量比為85：15為*佳，即底泥所占比例為85%為后續(xù)試驗(yàn)所選配比。

3. 給料濃度對(duì)底流濃度的影響

在底泥所占比例為85%的基礎(chǔ)上，探索給料濃度對(duì)底流濃度的影響。試驗(yàn)按照85：15的底泥：浮泥配比污泥，分別配置了污泥給料濃度為1%、2%、3%、4%、5%的五組試驗(yàn)，以單位污泥干料使用相同絮凝劑量為標(biāo)準(zhǔn)，按比例添加絮凝劑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（照片見附圖2）：

該試驗(yàn)探索了不同進(jìn)料濃度對(duì)底流濃度產(chǎn)生的影響，證明了在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高給料濃度對(duì)增大沉降底流濃度有明顯作用，考慮到4%和5%的濃度下沉降速度有所減緩，尤其是5%濃度下沉降速度下降明顯，而3%濃度可以在實(shí)際工作中控制在2%-4%之間波動(dòng)，對(duì)*終底流濃度影響不大。1%給料濃度又過低，因此試驗(yàn)控制3%濃度為*終給料濃度。

4. pH值的影響

在確定底泥濃度占比與給料濃度的基礎(chǔ)上，探索pH值對(duì)底流濃度的影響，試驗(yàn)在給料濃度為3%，底泥：浮泥質(zhì)量比為85：15，添加相同劑量絮凝劑的基礎(chǔ)上，使用稀硫酸和石灰水調(diào)整給料pH值，討論不同pH對(duì)污泥沉降效果的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下（照片見附圖3）：

由圖表可以看出，隨著pH值的增大，沉降底流濃度先增大后減小，在弱酸性條件下底流濃度*高，在加入石灰水的條件下，污泥在絲狀菌影響下呈現(xiàn)卷狀，且上部分層（照片見附圖4），同時(shí)由于pH值的變化導(dǎo)致其表面ζ電位的改變，從而影響其污泥顆粒表面電性，加速顆粒之間相互聚沉，以至于在pH≥11時(shí)已經(jīng)可以在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)明顯沉降現(xiàn)象，從而證實(shí)在堿性條件下，污泥沉降速度加快，絮凝劑的用量可以得到降低，但底流濃度會(huì)受到影響。然而在酸性條件下，顆粒較為分散，加入絮凝劑以后沉降底流絮團(tuán)較小，顆粒之間縫隙少，底流濃度高（照片見附圖5）。但H⁺與污泥中的硫結(jié)合生成H₂S氣體揮發(fā)迅速，產(chǎn)生臭雞蛋味氣體，污染嚴(yán)重，同時(shí)基于工業(yè)中使用硫酸的成本和安全性考慮，實(shí)驗(yàn)*終采用不添加任何酸堿成份，在原有pH條件下（中性偏堿）進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

5. 絮凝劑選型及用量試驗(yàn)

絮凝劑選型在試驗(yàn)*初探索時(shí)使用DW40、DWN0510、DWC5006、CDW-1、DWA1410、PAC、PFS、明礬、NaOH、CaO、CaCl₂進(jìn)行一系列嘗試，*終結(jié)合使用成本，選擇了PAC和DWN0510兩種絮凝劑結(jié)合使用的用藥方式。

隨后在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用底泥：浮泥85：15，給料濃度3%，pH在原有中性不變的基礎(chǔ)上，使用量杯試驗(yàn)，加入等量料漿，再給入不同比例絮凝劑，*終測(cè)得采用先后添加3ml PAC和3ml DWN0510絮凝劑為*佳藥劑用量，即針對(duì)污泥干料，PAC用量為4kg/t，DWN0510用量為160g/t，推薦為工業(yè)用量。初算成本共需9.28元/t的藥劑量。（用量試驗(yàn)見附圖6）

6. 污泥沉降速度試驗(yàn)

試驗(yàn)在給料濃度為3%，底泥：浮泥質(zhì)量比為85：15，pH=7.4，絮凝劑組合用量為PAC和DWN0510分別為4kg/t和160g/t基礎(chǔ)上采用1000ml量筒進(jìn)行沉降速度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在有人為緩慢攪拌干預(yù)的情況下，沉降40分鐘時(shí)測(cè)得40分鐘時(shí)清水層濁度為39NTU（約5ppm），上清液完全達(dá)標(biāo)。此時(shí)底流濃度達(dá)到28.4%，離目標(biāo)30%的沉降濃度仍有差距，在沉降60分鐘時(shí)可以達(dá)到32%的底流濃度，說明實(shí)際生產(chǎn)中通過調(diào)整濃密機(jī)錐角，合理調(diào)整耙機(jī)轉(zhuǎn)速和脫水桿直徑，實(shí)現(xiàn)40分鐘內(nèi)達(dá)到30%的底流濃度是可行的。而從圖5的計(jì)算可得知污泥平均沉降速度為2.16m/h，沉降60分鐘*終沉降圖片見附圖7。

7. 擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用試驗(yàn)室40L動(dòng)態(tài)濃密機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，給料濃度為3%，底泥：浮泥=85：15，絮凝劑按照污泥干料為PAC 4kg/t，DWN0510 160g/t的條件加入，耙機(jī)轉(zhuǎn)速為10r/min，40分鐘后測(cè)得濃密機(jī)底流濃度為25%，同時(shí)取樣做污泥比阻，測(cè)得污泥該樣品沉降40分鐘污泥比阻r=3.06×10¹¹，一般認(rèn)為，比阻抗在10¹²-10¹³為難過濾物料；在（5-9）×10¹¹為中等，小于4×10¹¹為易過濾物料，因此可以判斷污泥在此種以上實(shí)驗(yàn)條件下為易過濾物料。（試驗(yàn)圖片見附圖8）

8. 污泥活性的討論

為探究污泥中活性污泥的膨脹影響，進(jìn)行了兩組針對(duì)污泥活性的沉降試驗(yàn)，將底泥和浮泥分別在80℃的烘箱中烘干后輕度研磨，配成2%濃度料漿添加PAC 4kg/t，DWN0510 160g/t的絮凝劑進(jìn)行沉降，所得沉降結(jié)果如下：

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論是烘干的底泥還是浮泥沉降速度均遠(yuǎn)快過未烘干樣品，同時(shí)烘干底泥和烘干浮泥的濃度也遠(yuǎn)高于未烘干樣品，同時(shí)烘干樣品再配成礦漿過程中粘性大幅削弱，說明在烘干過程中物料發(fā)生了一系列物理化學(xué)變化，發(fā)生了表面電性，活性，有機(jī)物組成，**等改變，從而再一次證明了河道污泥的沉降難點(diǎn)在于其有機(jī)物含量高，微生物組成復(fù)雜，化學(xué)成份隨時(shí)變化，絲狀菌引起污泥膨脹。因此簡(jiǎn)單的添加絮凝劑沉降難以改變其污泥活性，沉降濃度瓶頸十分明顯。因此考慮采用添加成本低廉的沉降介質(zhì)作為載體，增大其底流濃度。

9. 添加其他介質(zhì)沉降探索

9.1 添加河沙與煤泥沉降實(shí)驗(yàn)比較

試驗(yàn)采用大于60目的工業(yè)用河沙作為添加介質(zhì)，以及100-400目細(xì)粒煤泥作為添加介質(zhì)進(jìn)行比較，考慮到河沙沉降速度遠(yuǎn)快于煤泥，因此主要以河沙作為主要試驗(yàn)對(duì)象，煤泥僅作一組作為對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)首先將底泥和浮泥以85：15質(zhì)量比進(jìn)行配置，配好后作為污泥整體，將該整體和河沙（或煤泥）以一定配比進(jìn)行配置，*后加水不改變其pH條件下配成料漿，按所含污泥干重比例4kg/t和160g/t的PAC和DWN0510絮凝劑添加量添加絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下（試驗(yàn)圖片見附圖9和附圖10）：

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)河沙的加入的確可以一定程度提升底流濃度，同時(shí)使用神木煤泥進(jìn)行了一個(gè)占比40%的試驗(yàn)，以對(duì)比占比40%的河沙沉降效果，試驗(yàn)結(jié)論是加入河沙對(duì)底流的增大效果高于加入煤泥的沉降效果，同時(shí)加入煤泥的沉降效果略高于不添加任何沉降介質(zhì)的效果。

從圖中曲線可以讀出在河沙占比10%的條件下，底流濃度為28%。同時(shí)考慮實(shí)際成本的因素，應(yīng)盡可能減小河沙的使用量才有可能使方案可行，因此考慮河沙使用比例≤30%才合理，在河沙占比30%的條件下，底流濃度可以增加到38%，因此河沙的添加比例應(yīng)控制在給入干料總量的10%-30%之間進(jìn)行選取來核準(zhǔn)成本，過低則對(duì)增大底流濃度無意義，過高則無法控制成本，同時(shí)也影響后續(xù)污泥干化流程的進(jìn)行。后續(xù)試驗(yàn)為凸顯河沙的作用，均選用30%的河沙占比來進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)。

9.2 混合物料絮凝劑的用量試驗(yàn)

以河沙占污泥干料總量為30%的物料為試驗(yàn)對(duì)象。由于前面對(duì)不添加其他介質(zhì)的污泥沉降所需絮凝劑的類型和用量做了大量的探索試驗(yàn)，因此在添加了河沙介質(zhì)后對(duì)于絮凝劑的用量基于前面試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以污泥干料為定量標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)（見附圖11），選取了2.5ml+2.5ml的絮凝劑用量為*終用量，該用量經(jīng)核算后，對(duì)于污泥和河沙的混合干料噸，PAC的用量為3.3kg/t，DWN0510為133g/t。

9.3 混合物料沉降速度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用河沙占比30%，污泥占比70%的物料進(jìn)行1000ml量筒沉降試驗(yàn)，絮凝劑為PAC的添加3.3kg/t，DWN0510為133g/t，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：（圖片見附圖12）

由該圖表可以得知添加了河沙的混合物料在人工緩慢攪拌的介入下，沉降40分鐘底流濃度達(dá)到35.1%，高于未添加河沙的污泥物料28.4%（見表4），同時(shí)圖8的計(jì)算得知沉降平均速度為3.55m/h，因此可以得出結(jié)論添加河沙的污泥底流濃度和沉降速度均高于未添加河沙的污泥，同時(shí)上清液濁度依然達(dá)標(biāo)。

9.4 混合物料擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)同樣使用40L動(dòng)態(tài)試驗(yàn)濃密機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，給料濃度為3%，底泥：浮泥=85：15作為污泥部分，污泥部分與河沙干料添加比例為7：3作為給料（混合物料），絮凝劑按照混合物料干料為PAC 3.3kg/t，DWN0510 133g/t的條件加入，耙機(jī)轉(zhuǎn)速為10r/min，40分鐘后測(cè)得濃密機(jī)底流濃度為28%，比起1000ml量筒試驗(yàn)底流濃度低，考慮為設(shè)備不穩(wěn)定性和取樣問題所導(dǎo)致，但仍能得出添加河沙的污泥底流濃度仍高于未添加河沙物料的結(jié)論。

10. 結(jié)論與建議

試驗(yàn)*終得到了兩組方案：

方案一：全污泥方案

底泥：浮泥=85：15，加河水（或自來水）不改變其pH下配置濃度為3%的入料濃度，加入PAC為4kg/t，DWN0510為160g/t的絮凝劑，*終可以實(shí)現(xiàn)平均濃度28.4%，*終排料濃度高于30%的底流濃度，沉降速度為2.16m/h，上清液NTU為39，ppm為5.0，*終沉降污泥比阻r=3.06×10¹¹，為易過濾污泥?？紤]到試驗(yàn)室設(shè)備無錐角和連續(xù)耙機(jī)，實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)高于該濃度。

pH對(duì)底流濃度有影響，在弱酸性環(huán)境下有利于沉降濃度的提升，當(dāng)pH＞9反而對(duì)底流濃度的提升不利，但pH≥11時(shí)可以改變污泥顆粒表面電性從而加速沉降，減少絮凝劑的用量，因此pH無論酸堿都有利有弊，考慮到生產(chǎn)中不宜使用硫酸，并且硫酸會(huì)造成河水污染，產(chǎn)生硫化氫等有**體。實(shí)際處理中無需對(duì)pH進(jìn)行調(diào)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的市場(chǎng)價(jià)格，*終合計(jì)為9.28元/t的藥劑成本價(jià)。

方案二：加河沙方案

底泥：浮泥=85：15作為污泥部分，污泥部分與河沙干料添加比例為7：3作為入料（混合物料），絮凝劑按照混合物料干料為PAC 3.3kg/t，DWN0510 133g/t的條件加入，加河水（或自來水）不改變其pH下配置濃度為3%的入料濃度，加入PAC為3.3kg/t，DWN0510為133g/t的絮凝劑，*終可以實(shí)現(xiàn)平均濃度35.1%，*終排料濃度接近40%的底流濃度，沉降速度為3.55m/h。

PAC 3.3kg/t、DWN0510 133g/t的用量按照PAC 1600元/t，DWN0501 18000元/t的市場(chǎng)價(jià)格，*終合計(jì)為7.67元/t的藥劑成本價(jià)。

河道污泥的沉降難點(diǎn)在于其有機(jī)物含量高，微生物組成復(fù)雜，化學(xué)成份隨時(shí)變化，絲狀菌引起污泥膨脹。因此簡(jiǎn)單的添加絮凝劑沉降難以改變其污泥活性，沉降濃度瓶頸十分明顯。因此考慮采用添加成本低廉的河沙作為載體，優(yōu)勢(shì)是增大其底流濃度，加快沉降速度，同時(shí)可能會(huì)對(duì)后續(xù)的脫水流程有幫助。但弊端也是很明顯的：河沙的取得方式以及運(yùn)輸成本將成為一部分受限因素；同時(shí)河沙沉降速度過快，小型試驗(yàn)可以手動(dòng)充分?jǐn)嚢?，大型試?yàn)難免會(huì)因?yàn)楹由吵两邓俣冗^快會(huì)考慮如何均勻穩(wěn)定添加攪拌控制濃度以及泵送問題，否則濃密效果將會(huì)變差；其次添加河沙雖然絮凝劑單位成本降低17%，但污泥處理量卻降低30%，因此絮凝劑成本變相加大，實(shí)際僅僅針對(duì)河道污泥部分的處理，絮凝劑的使用成本增加了1.17元/t；同時(shí)設(shè)備處理周期和電耗都將增加；*后需要考慮的是污泥底流的后續(xù)處理以及污泥干化后*終的解決方案，無論是掩埋、焚燒還是造磚做肥，30%含量的河沙部分都是影響巨大的（利弊未知），但是因此方案二作為備選方案仍需討論其成本與可操作性。