河道疏浚淤泥沉降試驗研究

城市大多位于平原或丘陵中間平緩地帶，河流大多數是緩滯流體，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的溢流污染物直接進入河道，導致河道底泥污染物積累嚴重，此次河道疏浚所取河道淤泥為河南鄭州市汜水河米河鎮所在河流污泥。

試驗所取試驗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，報告中將以“底泥”和“浮泥”分別代指兩種物料。該試驗將兩部分淤泥分別取出，試驗僅做為公司研究之所需，不對其它任何機構或公司負責。試驗結果如下：

1. 常規指標測定

底泥真密度：2.9g/cm3；浮泥真密度：2.16g/ cm3；河道底泥與浮泥質量比（m底泥：m浮泥）=4：1~5：1；河水pH=7.4（經多次測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雜程度，在實際處理中無法將底泥和浮泥完全分開，同時在試驗探索階段發現浮泥含量過高會造成沉降底流濃度過低的現象。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，在不考慮濃密機作用時間的基礎上，試驗所采用長時間18h沉降，以消除短時間沉降試驗中因試驗先后順序和時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，記錄數據。隨后在長時間沉降環境下對底流再次進行人工攪拌以模仿濃密機耙架系統提高底流濃度，再次記錄數據。*終沉降結果如下（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，隨著時間的推移，沉降底流濃度不斷加大。在完全不含底泥，全部為浮泥的時候（底泥所占比為0%），18h沉降底流濃度僅為11.2%，經人工攪拌后可以上升至17.1%，該濃度即為全浮泥沉降可達*大濃度；當全部為底泥時（底泥所占比為100%），18h沉降底流濃度上升至22.7，經人工攪拌后底流濃度達到*大37.5%。因此說明底泥含量越高，沉降可達底流*大濃度越大，同時也說明活性污泥集中在浮泥部分?？紤]到實際河流的底泥和浮泥質量比在4：1~5：1，選定*終濃密機給料的底泥和浮泥質量比為85：15為*佳，即底泥所占比例為85%為后續試驗所選配比。

3. 給料濃度對底流濃度的影響

在底泥所占比例為85%的基礎上，探索給料濃度對底流濃度的影響。試驗按照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，以單位污泥干料使用相同絮凝劑量為標準，按比例添加絮凝劑，試驗數據如下（照片見附圖2）：

該試驗探索了不同進料濃度對底流濃度產生的影響，證明了在一定范圍內，適當提高給料濃度對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%濃度可以在實際工作中控制在2%-4%之間波動，對*終底流濃度影響不大。1%給料濃度又過低，因此試驗控制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上，探索pH值對底流濃度的影響，試驗在給料濃度為3%，底泥：浮泥質量比為85：15，添加相同劑量絮凝劑的基礎上，使用稀硫酸和石灰水調整給料pH值，討論不同pH對污泥沉降效果的影響，試驗數據如下（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卷狀，且上部分層（照片見附圖4），同時由于pH值的變化導致其表面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時已經可以在短時間內出現明顯沉降現象，從而證實在堿性條件下，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⁺與污泥中的硫結合生成H₂S氣體揮發迅速，產生臭雞蛋味氣體，污染嚴重 ，同時基于工業中使用硫酸的成本和安全性考慮，實驗*終采用不添加任何酸堿成份，在原有pH條件下（中性偏堿）進行后續試驗。

5. 絮凝劑選型及用量試驗

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

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

6. 污泥沉降速度試驗

試驗在給料濃度為3%，底泥：浮泥質量比為85：15，pH=7.4，絮凝劑組合用量為PAC和DWN0510分別為4kg/t和160g/t基礎上采用1000ml量筒進行沉降速度試驗，試驗結果如下：

試驗數據可以看出，在有人為緩慢攪拌干預的情況下，沉降40分鐘時測得40分鐘時清水層濁度為39NTU（約5ppm），上清液完全達標。此時底流濃度達到28.4%，離目標30%的沉降濃度仍有差距，在沉降60分鐘時可以達到32%的底流濃度，說明實際生產中通過調整濃密機錐角，合理調整耙機轉速和脫水桿直徑，實現40分鐘內達到30%的底流濃度是可行的。而從圖5的計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. 擴大實驗結果

使用試驗室40L動態濃密機進行驗證，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，耙機轉速為10r/min，40分鐘后測得濃密機底流濃度為25%，同時取樣做污泥比阻，測得污泥該樣品沉降40分鐘污泥比阻r=3.06×10¹¹，一般認為，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驗條件下為易過濾物料。（試驗圖片見附圖8）

8. 污泥活性的討論

為探究污泥中活性污泥的膨脹影響，進行了兩組針對污泥活性的沉降試驗，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的絮凝劑進行沉降，所得沉降結果如下：

試驗發現，無論是烘干的底泥還是浮泥沉降速度均遠快過未烘干樣品，同時烘干底泥和烘干浮泥的濃度也遠高于未烘干樣品，同時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生了一系列物理化學變化，發生了表面電性，活性，有機物組成，**等改變，從而再一次證明了河道污泥的沉降難點在于其有機物含量高，微生物組成復雜，化學成份隨時變化，絲狀菌引起污泥膨脹。因此簡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作為載體，增大其底流濃度。

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9. 添加其他介質沉降探索

9.1 添加河沙與煤泥沉降實驗比較

試驗采用大于60目的工業用河沙作為添加介質，以及100-400目細粒煤泥作為添加介質進行比較，考慮到河沙沉降速度遠快于煤泥，因此主要以河沙作為主要試驗對象，煤泥僅作一組作為對比試驗。

試驗首先將底泥和浮泥以85：15質量比進行配置，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行試驗，實驗結果如下（試驗圖片見附圖9和附圖10）：

從實驗數據可以發現河沙的加入的確可以一定程度提升底流濃度，同時使用神木煤泥進行了一個占比40%的試驗，以對比占比40%的河沙沉降效果，試驗結論是加入河沙對底流的增大效果高于加入煤泥的沉降效果，同時加入煤泥的沉降效果略高于不添加任何沉降介質的效果。

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%。同時考慮實際成本的因素，應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控制在給入干料總量的10%-30%之間進行選取來核準成本，過低則對增大底流濃度無意義，過高則無法控制成本，同時也影響后續污泥干化流程的進行。后續試驗為凸顯河沙的作用，均選用30%的河沙占比來進行其他實驗。

9.2 混合物料絮凝劑的用量試驗

以河沙占污泥干料總量為30%的物料為試驗對象。由于前面對不添加其他介質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，因此在添加了河沙介質后對于絮凝劑的用量基于前面試驗基礎上，以污泥干料為定量標準，試驗現象為依據（見附圖11），選取了2.5ml+2.5ml的絮凝劑用量為*終用量，該用量經核算后，對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

試驗采用河沙占比30%，污泥占比70%的物料進行1000ml量筒沉降試驗，絮凝劑為PAC的添加3.3kg/t，DWN0510為133g/t，實驗結果如下：（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分鐘底流濃度達到35.1%，高于未添加河沙的污泥物料28.4%（見表4），同時圖8的計算得知沉降平均速度為3.55m/h，因此可以得出結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，同時上清液濁度依然達標。

9.4 混合物料擴大實驗結果

試驗同樣使用40L動態試驗濃密機進行驗證，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，耙機轉速為10r/min，40分鐘后測得濃密機底流濃度為28%，比起1000ml量筒試驗底流濃度低，考慮為設備不穩定性和取樣問題所導致，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論。

10. 結論與建議

試驗*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，*終可以實現平均濃度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]到試驗室設備無錐角和連續耙機，實際生產設備應高于該濃度。

pH對底流濃度有影響，在弱酸性環境下有利于沉降濃度的提升，當pH＞9反而對底流濃度的提升不利，但pH≥11時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，考慮到生產中不宜使用硫酸，并且硫酸會造成河水污染，產生硫化氫等有**體。實際處理中無需對pH進行調整，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的市場價格，*終合計為9.28元/t的藥劑成本價。

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，*終可以實現平均濃度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的市場價格，*終合計為7.67元/t的藥劑成本價。

河道污泥的沉降難點在于其有機物含量高，微生物組成復雜，化學成份隨時變化，絲狀菌引起污泥膨脹。因此簡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，優勢是增大其底流濃度，加快沉降速度，同時可能會對后續的脫水流程有幫助。但弊端也是很明顯的：河沙的取得方式以及運輸成本將成為一部分受限因素；同時河沙沉降速度過快，小型試驗可以手動充分攪拌，大型試驗難免會因為河沙沉降速度過快會考慮如何均勻穩定添加攪拌控制濃度以及泵送問題，否則濃密效果將會變差；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，實際僅僅針對河道污泥部分的處理，絮凝劑的使用成本增加了1.17元/t；同時設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。 

附圖部分

附圖1 底泥和浮泥用量配比試驗

注：從左到右底泥占比依次為0%、100%、66.7%、20%、25%、33%、50%（*終選取85%）

附圖2給料濃度對比試驗

注：從左到右給料濃度依次為1%、2%、3%、4%、5%（*終選取3%）

附圖3 pH值對比試驗（*終選取中性7.01）

注：從左到右初始pH依次為11.03、12.51、7.01、5.32、3.02、1.60

附圖4 pH為11.03、12.51的量筒絮團情況

附圖5 pH為3.02、1.60的量筒絮團情況

附圖6 絮凝劑用量對比試驗

注：從左到右PAC和DWN0510組合用量依次為1+1；2+2；2.5+2.5；3+2；3+2.5；3+3；4+2.5；4+3（*終選取3+3）

附圖7 污泥沉降速度試驗（60’沉降照片）

附圖8河沙和污泥配比沉降實驗

注：從左至右河沙占總給料量比值為0%、20%、40%、60%、80%、100%（*終選取30%）

附圖9添加河沙和煤泥對比沉降實驗

注：左邊為添加40%神木煤泥，右邊為添加40%河沙沉降

附圖10添加河沙和煤泥對比沉降實驗

注：從左到右PAC和DWN0510組合用量依次為1+1；2+2；2.5+2.5；3+3（*終選取2.5+2.5）

附圖11 混合物料（添加30%河沙）沉降速度試驗（60’沉降照片）

河南道為機械設備有限公司

2021.4.2