疏浚淤泥處理及資源化利用技術(shù)研究

疏浚淤泥處理及資源化利用技術(shù)研究

0堆場疏浚與土地儲存隨著我國節(jié)水環(huán)境工程的快速發(fā)展，每年都會產(chǎn)生大量的垃圾疏浚。疏浚淤泥主要以細顆粒土為主,富含有機質(zhì)和各類污染物,加上疏浚施工的擾動,淤泥通常被打散形成高含水率的泥漿狀態(tài),在本質(zhì)上屬于高含水率的固體廢物。近海地區(qū)通常以海洋拋泥進行處置,而內(nèi)陸地區(qū)通常設(shè)置堆場進行堆放,待自然蒸發(fā)和固結(jié)沉降形成土地后恢復(fù)使用,這一自然過程需要持續(xù)幾年至幾十年。疏浚淤泥的產(chǎn)生地大都多處于水系豐富、經(jīng)濟發(fā)達和土地資源稀缺的地區(qū),如長三角、珠三角、“三湖三河”地區(qū)和許多的港口航道周邊地區(qū)等。一方面是必須開展的疏浚工程,另一方面是沒有足夠的土地存放疏浚廢物,導致傳統(tǒng)的堆場處置方法遇到瓶頸。疏浚淤泥存在的主要問題是含水率高、強度低和受到不同程度的污染。在國內(nèi)外長期的工程實踐中,出現(xiàn)了許多因地制宜地對淤泥進行處理利用的工程,如將淤泥用于構(gòu)建棲息地、填海造陸、脫水干化、固化利用、燒制磚瓦、陶粒、制水泥等。本文通過對國內(nèi)外疏浚淤泥處理利用的技術(shù)方法進行總結(jié)和梳理,分析各種方法的原理、應(yīng)用效果和應(yīng)用條件,并對疏浚淤泥資源化處理利用中需要繼續(xù)研究的問題進行總結(jié),指出了適合我國的疏浚淤泥資源化處理技術(shù)發(fā)展方向。1挖掘和處理淤泥1.1表層泥石流的原位含水率淤泥指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積,并經(jīng)生物化學作用形成,其天然含水率大于液限,天然孔隙比≥1.5的黏性土。從定義中可以看出,淤泥本身是一種連結(jié)松散、孔隙中充滿水的低強度土,表層淤泥的原位含水率通常為100%~150%。在環(huán)保清淤工程中,通常利用絞吸、泵吸或水力沖挖的方式將淤泥擾動成泥漿狀態(tài),再用泵輸送到堆泥場。經(jīng)過施工擾動,1m3淤泥挖出后體積增大4倍~6倍,質(zhì)量分數(shù)僅為10%~20%(含水率為400%~900%),呈流動狀態(tài)。1.2底泥顆粒細顆粒主要分為3.河湖底泥主要來自水土流失、點源和面源排放、大氣降塵的顆粒物,成分主要以細粒土為主,如太湖表層底泥以粉砂組占優(yōu)勢,粒徑在5~50μm的占60%以上,平均粒徑為34.4μm;巢湖底泥4μm以下的部分占26.85%,4~64μm占73.01%,平均粒徑為8.41μm;滇池底泥中小于5μm占31.74%,5~50μm的部分占41.96%。淤泥細顆粒主要以次生黏土礦物為主,主要成分是SiO2、Fe2O3、A12O3、CaO、MgO、K2O和Na2O。這些黏土礦物具有很大的比表面積和吸附能力,與水分的結(jié)合力很強,造成淤泥脫水困難。1.3底泥重金屬污染淤泥顆粒在水中沉積時,顆粒表面通常帶有的電荷會吸附水中的N、P、重金屬和許多大分子官能團到其表面,使底泥中富含污染物。在我國許多河湖的底泥中這些污染物含量都十分顯著,如杭州西湖底泥中有機質(zhì)和N、P、K的含量甚至超過人畜糞便;太湖、巢湖和滇池,以及許多的城市內(nèi)河也不同程度地受到有機物和營養(yǎng)鹽的污染。許多底泥還受到重金屬的污染,如太湖表層沉積物中Cr、Cu、Ni、Pb、Zn和Cd的含量分別是太湖沉積物重金屬背景值的1.11倍、1.71倍、2.03倍、2.01倍、1.59倍、3倍以上;巢湖底泥中Cu、Zn、Cr、Ni和Pb含量分別為沉積物背景值的3.0倍、3.1倍、1.6倍、1.1倍和1.7倍。上海市在對64個河流斷面底泥中重金屬的測定結(jié)果表明,有42個重金屬重污染斷面,約有1.78×106m3底泥受到污染。底泥中富含有機質(zhì)和營養(yǎng)鹽,如果作為農(nóng)用或種植用是很好的肥料,但是其含有的重金屬則制約著淤泥的農(nóng)用?？傊?環(huán)保疏浚的目的就是去除水體底部的污染物,對于清挖出的淤泥,在進行處理、處置和資源化利用過程中應(yīng)避免二次污染情況的發(fā)生。2近海海岸、河口和港口維護工程疏浚淤泥水分多、顆粒細和含有污染物的特點決定了很難將其直接作為材料使用,因此需要尋找經(jīng)濟、安全的出路。對于近海海岸、河口和港口維護工程產(chǎn)生的疏浚淤泥通常采用海洋拋棄的方法進行處置;對于內(nèi)陸水體產(chǎn)生的淤泥,傳統(tǒng)的做法都是以陸地堆場處置為主。2.1海洋遺傳性法由于海洋具有很大的環(huán)境和空間容量,將一定量的疏浚泥拋棄在一定區(qū)域內(nèi)后,底泥中的污染物經(jīng)過洋流稀釋和降解作用,不會對海洋環(huán)境造成致命性的破壞,海洋環(huán)境可以恢復(fù)或接近原來的水平。由于過去產(chǎn)生的疏浚泥量較少,這一方法長期以來都是各國處理疏浚泥的常用方法,如紐約和新澤西港的淤泥從1977年開始就一直在劃定的區(qū)域進行海拋。隨著我國近海港口、航道、海岸海洋工程的迅速發(fā)展,我國的海洋傾倒淤泥量在1997年時為3000萬m3,到21世紀初已超過1億m3。目前海洋拋泥存在的主要問題是隨著淤泥產(chǎn)生量的逐年增加,以及淤泥受污染程度的加重,近海拋泥區(qū)的容量已接近飽和,拋泥對近海的海洋生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源造成了威脅。如果將拋泥區(qū)外移,每增加1海里的運距,每立方米淤泥的運輸成本將增加0.5~1.0元,大大增加了海拋的成本。盡管如此,在做好拋泥區(qū)海域論證和環(huán)境評價的基礎(chǔ)上,進行海洋拋泥仍將是近海疏浚淤泥的主要處置方式。2.2堆場用地的缺乏對于內(nèi)陸江河湖庫清淤工程產(chǎn)生的疏浚泥,通常進行陸地處置,征用漁塘或低洼土地,在周圍修筑圍埝,利用原地層的防滲性能或者鋪設(shè)防滲層后,將疏浚淤泥吹填于圍埝中。疏浚泥的陸地處置是最簡單易行的辦法,但是現(xiàn)在也面臨許多問題,其中最主要的是堆場用地資源的短缺。如自2002年開始,無錫市已經(jīng)對超過1000萬m3的底泥進行了清淤,設(shè)置的堆場有雪浪堆場、漁港堆場、孔灣堆場、白旄灣堆場、周鐵堆場等。由于沒有足夠的堆場用地,2010—2012年的梅梁灣疏浚淤泥被堆置于白旄灣湖區(qū)的一個55hm2的臨時堆場。在南水北調(diào)東線的建設(shè)中,第一期工程產(chǎn)生的疏浚淤泥及棄土占地需要1300多hm2,征地費占該期工程總費用的60%。疏浚淤泥的陸地處置方法適用于土地資源豐富的地區(qū),但是要做好堆場的地質(zhì)調(diào)查,當?shù)貙硬粷M足防滲要求時,要做好堆場底部和圍埝的防滲工作。3挖掘和處理污泥的資源3.1充填材料使用的進展疏浚淤泥中的泥土成分可作為海上或陸地低洼區(qū)的填土材料,通過將淤泥吹填在一定區(qū)域后,再進行真空或堆載固結(jié)方法提高地基強度。這一方法在世界上許多國家和地區(qū)已經(jīng)得到了應(yīng)用,如日本、新加坡的眾多海上人工島和機場的建設(shè)中都大量使用了疏浚泥進行吹填,吹填后再進行地基加固的辦法。在我國,1995年僅香港就填海造地6200hm2,占香港總面積的5.7%,填海材料除了使用山石填土外,也大量使用疏浚泥作為填料。在深圳特區(qū)建設(shè)發(fā)展過程中,大量利用海灣潮間帶填海造地,由于周圍的土地都得到了較深度的開發(fā),能夠用于填海造地的土石源越來越少,因此也大量使用疏浚泥作為造地的填料。另外,在深圳南油“314”造地工程中對30萬m2的吹填區(qū)域使用了疏浚泥吹填加固的辦法。疏浚泥吹填造陸方法的主要問題是吹填后地基軟弱,施工機械長期內(nèi)難以進入;另外淤泥由細顆粒組成,滲透性差,打插的排水通道容易堵塞,固結(jié)需要較長時間。由此可見,疏浚泥吹填造地的方法適用于施工周期比較寬裕的工程。3.2物理脫水的利用3.2.1板框壓濾壓濾法機械脫水使用脫水機械將淤泥中多余的水分除去,脫水后大大減容和提高強度,易于運輸和使用。常用的脫水機械有離心脫水機和板框壓濾機,這些機械主要用于化工、選礦和污泥的固液分離,較少應(yīng)用于疏浚淤泥的處理,目前國內(nèi)正在開展利用大型脫水設(shè)備處理疏浚淤泥的研究。離心脫水機是根據(jù)懸液中顆粒與水密度的不同,依靠離心力將顆粒與水分開,常用的有過濾離心機和沉降離心機。過濾離心機是利用過濾介質(zhì)將顆粒物截留,使水通過而實現(xiàn)固液分離。沉降離心機是利用顆粒物與水在離心場中分層的原理,利用螺旋將固體顆粒刮出實現(xiàn)分離。分離因數(shù)是衡量離心分離機分離性能的重要指標,它表示被分離物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)所受的離心力與其重力的比值,分離因數(shù)越大,分離效果越好,但是處理效率就會偏低。目前處理量能夠達到50m3/h離心機的分離因數(shù)一般不超過4000,對疏浚淤泥進行脫水處理后的狀態(tài)在液限附近,仍然難以貯存、運輸和利用。因此,利用離心脫水處理淤泥只能實現(xiàn)高含水泥漿的快速減容和濃縮,想要將稀泥漿進一步干化還需要利用板框壓濾脫水。板框壓濾機用于固體顆粒和液體的分離,壓濾機由濾板和濾框交替疊合構(gòu)成,在板和框之間固定濾布,將泥漿打入濾布間的空腔中,依靠壓力使水通過濾布流出,留下土顆粒形成泥餅。板框壓濾適用于1%~10%懸浮液的分離,操作壓力一般為0.2~0.5MPa,可以將淤泥脫水到塑限以下。但是目前國內(nèi)較大的壓濾機的壓濾室容積一般也不超過10m3,而且每次壓濾的主要過程包括:進料—壓榨—卸料—清洗,一個循環(huán)通常在2~4h以上,即使每天運行兩個臺班(16h),單臺每天的處理量僅為80m3泥漿,而普通絞吸疏浚每小時可以產(chǎn)出幾百立方米的泥漿,板框壓濾法顯然遠遠滿足不了大型疏浚工程的要求,對于少量和工期寬裕的疏浚淤泥處理工程,這種方法較為合適。此外板框壓濾機機體笨重、設(shè)備昂貴,在現(xiàn)場的使用中濾布的消耗量也很大。3.2.2土工管袋脫水干化技術(shù)土工管袋脫水利用高強度土工織物縫制成的濾水土工管袋充灌疏浚淤泥,利用泥漿泵的壓力和重力使水分排出,排水后的土可以留在原地用做圍埝,也可以運走用做填方材料。土工管袋脫水干化技術(shù)最初被用于護岸圍堤工程中,之后在疏浚泥漿的脫水工程中也得到廣泛應(yīng)用。如在永定新河建閘的圍堰工程中,由于外運土料距離遠、成本太高,就采用了土工織物袋高壓充填的方法建堰。這一技術(shù)在天津港的海堤建設(shè)、珠江河口整治、上海市內(nèi)河航道堤岸整治、巢湖疏浚泥筑埝工程中都得到了應(yīng)用。土工管袋脫水法具有施工速度快、造價低、就地取材的特點,但是更適用于含沙量較大的淤泥。對于細顆粒含量較高的淤泥,則需要較長的脫水時間,而且脫水后土的強度軟弱,難以作為填土材料使用。3.3適用于各種性質(zhì)的泥石流的處理化學處理技術(shù)主要是通過往疏浚泥中添加化學藥劑,改變疏浚泥的物理、化學以及生物性質(zhì),達到改善物理力學性質(zhì)、穩(wěn)定污染物等目的。其中固化技術(shù)又是化學處理技術(shù)中最為常用和成熟的一種技術(shù)。固化技術(shù)(solidification/stabilization,S/S)是一種處理危險廢物的常用方法,利用水泥、粉煤灰、廢石膏、高爐礦渣、鋼渣等工業(yè)廢料作為固化劑,利用固化劑與淤泥中水分、黏土礦物和污染物的物理化學反應(yīng),達到轉(zhuǎn)化水分、穩(wěn)定污染物、提高強度的目的,處理后的土可以廣泛應(yīng)用于道路、堤防、低洼地填方、建筑地基填方等工程,較好地將淤泥處理與資源化利用結(jié)合起來。我國對淤泥固化技術(shù)的研究開始于2000年,并于2005年在無錫長廣溪開展了第一個淤泥固化處理的示范工程,之后相續(xù)在長廣溪堆場、管社山入湖口、貢湖堆場、孔灣堆場、白旄堆場大量開展了淤泥固化處理工程,僅無錫地區(qū)就累計處理淤泥超過800萬m3,處理后的淤泥用作地基填土和綠化用土。淤泥固化技術(shù)適合于各種性質(zhì)淤泥的處理,其優(yōu)點是施工效率高,單臺固化機處理淤泥能力為50~100m3/h;處理效果好,利用固化機的機械強制攪拌可以將固化劑與淤泥進行充分的混合;施工質(zhì)量穩(wěn)定,處理后的淤泥無論在強度還是在環(huán)境指標上都可以滿足要求。固化處理的主要缺點是堿性固化材料會使土的性質(zhì)發(fā)生變化,處理后的土適合作填土使用,不適合用于綠化;而且固化處理成本偏高,根據(jù)淤泥的含水率、污染狀況和處理后用途的不同,處理淤泥的成本在50~100元/m3。3.4疏浚泥的研究在磚瓦和水泥的燒制中需要大量的黏土礦物,對這些黏土礦物的開采破壞了大量的耕地資源,我國已經(jīng)限制燒結(jié)黏土磚的生產(chǎn)。而疏浚淤泥中含有豐富的黏土礦物,可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土資源。許多研究和應(yīng)用都表明,淤泥用于燒磚、燒陶粒和作為水泥原料都是可行的,而且產(chǎn)品都能滿足標準要求。疏浚泥的熱處理方法產(chǎn)品的附加值較高,是解決疏浚泥出路問題的有效途徑。存在的主要問題是熱處理工廠都在固定點位,給疏浚泥的長距離運輸帶來不便。而且工廠對黏土原材料的需求量相對于疏浚泥的產(chǎn)生量差別巨大,如一個大型的磚瓦廠每年的需求量為10萬m3左右,而一個疏浚工程動輒上百萬立方米。因此,熱處理利用方法只能在一定范圍內(nèi),在有條件的地區(qū)使用,不能為了解決淤泥出路而專門建設(shè)熱處理工廠。4非單次利用途徑的確定1)應(yīng)急式清淤與淤泥處理和利用途徑難以銜接的矛盾:目前我國疏浚淤泥治理的最主要問題是疏浚工程多數(shù)為應(yīng)急式開展,短期內(nèi)產(chǎn)生的泥量過大,沒有適合的處理技術(shù)能夠在短時間內(nèi)與泥的產(chǎn)生量相匹配,也很難尋找到能夠完全消納利用這些淤泥的工程項目。因此短期之內(nèi),以拋泥和陸地吹填為主的模式不會改變。要解決這個問題,從長期來看,需要對疏浚工程進行規(guī)劃,將應(yīng)急式的疏浚工程轉(zhuǎn)變?yōu)槿粘Ｐ缘倪\營式或維護式,充分將清淤的速度、淤泥的處理和處理后資源化利用途徑進行合理匹配。2)當前淤泥堆場占地需求與土