CN102092916A - 河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是对疏浚底泥生物固化及稳定化方法改进，其特征是在分离出不易脱水的粘粒经初步脱水，然后与干土混合搅拌成混合土，采用至少包括还原酶，淀粉酶，纤维素酶，酯酶，脂肪酶，木质酶，蛋白酶，尿素酶，木聚糖酶，以及洗涤类表面活性剂组成的复合生物酶液喷洒与混合土混合，压实固化。具有处理工艺流程短，方法简单，大大减少了需要固化及稳定化底泥体积，分类脱水后需要固化底泥仅为常规固化10%-15%，并且较现有生物酶固化减少了处理流程，降低了固化成本，并且固化强度高，固化填土剪切强度可以达到Mpa级，可以用于道路建设、停车场、斜坡固化、水库表面固化、垃圾填埋场底部固化防渗和建筑公路，有效解决了疏浚底泥出路问题，开创了湖泊底泥减量生物固化新工艺。

Description

河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法

技术领域

本发明是对河道、湖泊底泥生物固化及稳定化的改进，尤其涉及一种固化成本低、固化强度高、无二次污染的生物固化及稳定化方法。

背景技术  

河道疏浚已经成为水利工作十分重要课题，河道疏浚工程中，清淤出来的底泥为泥浆水形式，一般含水率在75%—90%。随着现代工业及生活发展，底泥中有机物和重金属含量呈增高趋势，因含有大量有机污染物及重金属，清淤底泥出路及资源化成为瓶颈，特别是底泥低成本固化利用及有害有机污染物及重金属固化成为河道湖泊底泥处理中最棘手问题。

底泥的固化早期采用沉淀池脱水固结、土工管袋脱水法。沉淀池脱水固结、土工管袋脱水，不仅处理时间长，占地面积大，资源利用低，特别是难以有效解决有机污染物及重金属永久固化。后又发展采用无机固化剂(常用水泥和石灰为基料)固化方法，此类固化土pH高，只能用于填土、堆方，不能用于种植，限制了固化土的利用；其次，因底泥高含水采用无机固化剂，造成固化体积增加，一般要增加8-15%体积，增大了运输量及利用成本；再就是，一旦遇到酸雨造成pH下降，固化强度降低，难以满足对重金属等有害物的无溶出固化。中国专利CN1686875公开的管沟污泥处理方法，首先将管沟污泥加二水硫酸镁及降解剂吲哚或硫醇活性酶，使其降解、降链，离心分离脱水使含水率降至20％左右；用矿渣、硅酸盐、氟硅酸盐、硫酸盐、硫铝酸盐配制成固化料，与脱水污泥混合搅拌形成污泥固结体。此固化因固化剂中存在化学成份，不仅易产生二次污染，而且不能种植植物；其次此法固化成本仍然相对较高。美国专利US6,695,545B2采用将酶、丙烯酸共聚物，树脂加入传统硅酸盐水泥作固化剂以增强稳定性。其固化本质上仍与以水泥、矿渣为基料的固化剂没有实质区别，仍然存在pH值高，在酸性条件例如酸雨固化强度减弱等缺点。特别是上述两二方法，它们同样难有效固化重金属，不产生二次污染。

无机固化剂固化缺点逐渐显现，继而出现了生物固化，例如中国专利CN101250018用生物类固化蛋白酶处理淤泥方法，首先将淤泥控水干燥；其次按淤泥体积计算好生物类固化蛋白酶制得稀释液，向淤泥中加入稀释液搅拌混合成酶土混合料；堆放、闷料。此法对淤泥不分类直接在淤泥中加入蛋白酶固化，不仅未减量固化淤泥体积大，固化剂用量大，固化成本高，而且因夹杂砾石、粗砂实际无法实现粘泥固化，更无法固化其中有害重金属；其次，固化前先采用控水干燥，更是增加了固化成本；再就是，单一生物固化剂，固化强度不高，给固化后利用带来限制。

中国专利CN101870546A河涌淤泥无害化资源化处理方法，首先注入复合酶生化处理，除去淤泥中部分有机物，使淤泥脱毒、除臭，利于淤泥脱水干化；然后通过三级旋流分离振动筛脱水，分别滤出粒径为1mm以上干化沙粒和砾石、0.075-1mm沙粒，直接用作填土材料；粒径0.025-0.075mm粉粒加入固化剂震动拌和后堆放固化后作填土材料；剩下淤泥尾水加絮凝剂，使粒径0.025mm以下粘粒絮凝变大成粒径为0.025-0.075mm粉粒沉淀分离，再次经水力旋流分离振动筛脱水，脱水后的粉粒加入固化剂堆放固化后作填土材料，沉淀出水加絮凝剂用不对称纤维过滤器过滤，过滤剩余反冲泥沉淀聚粒加固化剂震动拌和堆放固化用作填土材料。此法虽然提出采用减量化处理，但方法复杂流程长，造成处理成本高；其次，未公开具体生物固化剂，因此实际固化效果(例如固化强度)难以预料，尤其是对有害的有机质和重金属的固化；再就是，实际水力旋流器无法使0.025-0.075mm粉粒脱水，因此其含水量高，生物固剂不能对其有效固化。

现有技术上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种固化成本低、固化强度高、无二次污染的河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法。

本发明目的实现，在充分分析清淤底泥特点基础上，采取直接对清淤底泥分离分类，分出不易脱水的粘粒(类似粘土)，初步脱水后，与干土混合搅拌成混合土，采用复合生物酶与洗涤类表面活性剂混合固化剂混合压实固化，使清淤底泥得到减量固化，降低了固化成本，同时复合生物酶固化剂，固化强度高，可以将难处理的有机污染物及重金属被高强固化，不会再溶出造成二次污染，从而克服了现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，包括对底泥旋流和/或离心分离脱水，分出不易脱水的粘粒，其特征在于分离不易脱水的粘粒为对清淤底泥直接进行，分离出不易脱水的粘粒经初步脱水，然后与干土混合搅拌成混合土，采用至少包括还原酶（Reductase），淀粉酶(Amylase)，纤维素酶 (Cellulase)，酯酶(Esterase)，脂肪酶(Lipase)，木质酶(Ligninase)，蛋白酶(Protease)，尿素酶（Urease），木聚糖酶(Xylanase)，以及洗涤类表面活性剂组成的复合生物酶液喷洒与混合土混合，压实固化。

在详细说明前，先通过对发明能够达到的基本功能及效果作一介绍，以使本领域技术人员对本专利总体构思技术方案及达到的基本效果有一个明确了解。

申请人经过大量研究发现河道湖泊清淤底泥中大约80wt％的重金属、70wt％有机质，是与不易脱水的粘粒(较多为粒径≤25μm粘粒)结合在一起，而底泥中砾石、沙粒、和部分粗粉粒既易脱水，而且重金属及有机质含量较低，可以直接用作填方材料。在此研究分析结果上，提出从清淤底泥中直接分离出不易脱水的粘粒，对分离的不易脱水的粘粒采用复合生物酶与洗涤类表面活性剂混合固化处理思路进行固化处理，从而达到减量固化高含水粘粒及有害的有机污染物及重金属，降低固化成本，并且复合生物酶固化，固化强度高，可以达到Mpa级，对重金属和有机质固化强度高，可以被牢固固化在粘土中，而不会在日后长期雨淋及浸水中溶出，无二次污染，从而达到对清淤底泥彻底无害化处理，资源化利用。

本发明中。

对清淤底泥分离出不易脱水的粘粒(为描述上的方便以下简称粘粒)，其目的是达到对难处理部分底泥及有害有机物和重金属减量固化，以降低处理成本。大量试验表明，河道湖泊底泥中大约80wt％的重金属、70wt％有机质，是与不易脱水的粘粒结合在一起，而此部分粘粒粒径通常≤25μm，此不易脱水的粘粒，类似污水生物处理中产生的污泥，其中一个最大特征是结合性水份含量较高，用通常的物理脱水及药剂脱水难以使其继续降低。从清淤底泥中分离粘粒，可以采用过筛分离或离心分离或旋流分离等物理分离方法分离，其中一种较为简单有效方法为采用现有技术旋流+振动筛脱水分离，例如中国专利CN101480636、CN101623676、CN101757992A、CN201296684、CN201324672等所述旋流分离器分离，根据清淤底泥中各成份比重不同，通过水力旋流逐级分离方法将其分类成为砾石、粗砂、粉粒和粘粒。

对分离出粘粒进行初步脱水，主要作用是将分离粘粒中能脱出水份尽可能脱出分离，以降低分离粘粒的含水率，从而可以减少后续干泥混合量及生物固化剂添加量，有利于降低固化处理成本。脱水可以采用现有技术中类似污泥脱水方法，例如先加药絮凝沉淀，分离水后采用常用物理方法进一步脱水，例如可以根据分离粘粒性质，选择针对性强的相应絮凝剂混凝、沉淀分离水份，再采用滤袋或离心或加热脱水，降低水份。其中一种较好为通过加入生物絮凝剂(也称天然高分子絮凝剂，例如包括但不限于壳聚糖，葡聚糖、甘露聚等糖类絮凝剂)混凝絮凝、沉淀分离水份，再采用滤袋脱水。加入生物絮凝剂既能达到絮凝沉淀作用，而且不会因添加化学絮凝剂而影响后续生物固化剂活性。滤袋例如土工管袋脱水，通过滤袋压力、挤压和自身重力共同作用进一步降低其中可分离水份，具有方法简单、经济性好，粘粒在滤袋中脱水时间，由当时温度、湿度、粘粒特征和滤袋结构等因素决定，以基本无水份滤出时止 (一般不超过一周)，使得最大限度脱除能分离水份。

脱水后粘粒与干土混合搅拌成混合土，主要作用是通过加入干土降低粘粒水份，有利于固化；其次，固化土利用如筑路等也需要有一定比例的粘土，以增强固化土强度。脱水后粘粒与干土混合拌合，较好控制含水率在15－60wt%，此含水率范围固化有利于降低固化成本。

洗涤类表面活性剂，其作用类似洗涤剂中作用，降低粘粒水的表面张力，促使粘粒表面水膜厚度减薄，更有利于粘粒水份排出，使复合生物酶能够方便渗透至粘粒内产生催化作用促使土粒团聚。按此功能作用，洗涤剂中阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、两性表面活性剂均可以应用，其中较好为烷基聚葡糖苷表面活性剂，降低水表面张力作用明显。

复合生物酶，通过其催化作用与粘土中大量存在有机大分子结合生成中间产物，被粘土离子置换吸附，从而打破了粘土矿物双电层结构，削弱了粘土土粒吸附水能力，致使粘土结构发生变化，从而有利于粘粒中水分排出，促使土颗粒集聚、进一步团粒化而胶结。同时复合酶能够吸附于粘土矿物内层和外部区域以阻止其对水分的吸附，又产生了对水的屏蔽作用，形成防水土层。在压实作用下，土粒更易于致密，从而达到高固结强度。这一过程模拟了自然界中粘土矿物的形成，粘土一固结粘土一泥岩一页岩“后生作用”，只是自然界中需要经历几百万年才能实现，而在复合酶催化作用下，这一过程被大大缩短为几天。复合生物酶不仅可以改变土壤结构，加速促进土壤岩化过程，而且可以将重金属固化在泥土中，转化为不易溶解、迁移和毒性小的形式。本发明复合生物酶至少包括还原酶（Reductase），淀粉酶(Amylase)，纤维素酶 (Cellulase)，酯酶(Esterase)，脂肪酶(Lipase)，木质酶(Ligninase)，蛋白酶(Protease)，尿素酶（Urease），木聚糖酶(Xylanase)。其中一种更好为采用由复合酶加表面活性剂和氮营养的混合液，例如35-55wt%包含上述复合酶，15-20wt%洗涤类表面活性剂，15-20wt%的营养氮源(例如尿素)，用10-15wt%的纯水混合而成混合液。混合液用量根据土壤特征而定，例如塑性高的土用量少，反之用量大，一般平均为1升生物固化剂混合液固化30立方米与粘粒混合后的混合土(湿土壤)。

本发明河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，相对于现有技术，由于采取清淤底泥直接分离，以及仅对分离出粘粒采用在降低水表面张力表面活性剂辅助的复合生物酶固化处理，较现有生物酶固化处理，具有处理工艺流程短，较现有生物酶固化减少了处理流程，方法简单，并且大大减少了需要固化及稳定化的底泥体积，分类脱水后需要固化的底泥仅为常规固化(体积)的10%-15%，因而降低了固化成本；复合生物酶固化，固化强度高，固化填土剪切强度可以达到Mpa级，对不同河道湖泊底泥试验表明，采用本发明中复合生物酶固化后的填土剪切强度为2.74—5.47Mpa(而一般填土剪切强度要求为3.5KPa左右)，固化土不仅可以用于道路建设、停车场、斜坡固化、水库表面固化、垃圾填埋场底部固化防渗和建筑公路，而且可以将底泥中有机质、重金属固化，转化为不易溶解、迁移和毒性小的形式，例如将六价铬还原为三价铬，降低了重金属毒性。如果仅作为为填土，因不含有害化学物质，还可以种植植物，有效解决了疏浚湖泊底泥出路问题，开创了湖泊底泥减量生物固化新工艺。本发明方法具有固化处理方法简单，减量固化，固化成本低，固着力强固化硬度大，为现有技术所不具备。采用本发明方法固化土，可以通过现有技术酶标仪比色法，通过分析抗原或抗体含量检测复合生物酶的存在。

以下结合一个示例性实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和及或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

具体实施方式

实施例：某河道疏浚底泥，经过水力旋流器及振动筛二次脱水分离，分别分离出砾石、粗砂、粉粒和≤25μm含水率80%粘粒。粘粒经加壳聚糖生物絮凝剂混凝絮凝沉淀分离上层水，得到含水率约为70%的粘粒，用泥浆泵输入高强度、高滤度土工管袋，经不超过一周静止放置(基本无水份滤出时止)，在管袋壁压力和自身重力作用下滤出部分水分，得到含水率为60%的粘粒。将经过初步脱水的粘粒用翻斗车运至筑路工地，与干土搅拌混合，例如30wt%水份的混合土。将原酶（Reductase），淀粉酶(Amylase)，纤维素酶 (Cellulase)，酯酶(Esterase)，脂肪酶(Lipase)，木质酶(Ligninase)，蛋白酶(Protease)，尿素酶（Urease），木聚糖酶(Xylanase)均等组成的复合酶(购自美国西雅图环境科技公司的涤饵复合酶)，以50wt%复合酶，20wt%南京斯拜科公司（Spec Chem Industry Inc）生产Alkyl Polyglycosides (APG)系列表面活性剂(烷基聚葡糖苷表面活性剂)，20wt%尿素和10wt%纯水混合，然后按1：500比例与水稀释，用洒水车或其他喷洒设备按按1升固化剂稀释液固化30立方米混合土，喷洒在混合土表面，用推土机铲子将土壤与复合酶稀释液混合均匀，将上述混合好的土壤，按设计要求平铺于公路路基或者停车场路面，用压路机压实，48小时后可以通车。对固化14天后的路基土强度CBR值检测为135，而对照自然土CBR值仅为37。

注：CBR(California Bearing Ratio)又称加州承载比，由美国加利福尼亚州公路局首先提出来，用于评定路基土和路面材料强度指标。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征的等效变化或修饰，特征间的相互不同组合，例如分离粘粒方式改变，絮凝剂的改变，复合酶品种数量的增加，洗涤类表面活性剂品种的改变，营养氮源的改变，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本专利描述功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (8)

1.河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，包括对底泥旋流和/或离心分离脱水，分出不易脱水的粘粒，其特征在于分离不易脱水的粘粒为对清淤底泥直接进行，分离出不易脱水的粘粒经初步脱水，然后与干土混合搅拌成混合土，采用至少包括还原酶（Reductase），淀粉酶(Amylase)，纤维素酶 (Cellulase)，酯酶(Esterase)，脂肪酶(Lipase)，木质酶(Ligninase)，蛋白酶(Protease)，尿素酶（Urease），木聚糖酶(Xylanase)，以及洗涤类表面活性剂组成的复合生物酶液喷洒与混合土混合，压实固化。

2.根据权利要求1所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于分离不易脱水的粘粒为多级旋流+振动筛脱水分离或离心分离。

3.根据权利要求1所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于初步脱水为加生物絮凝剂混凝絮凝、沉淀，滤袋或离心或加热脱水。

4.根据权利要求3所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于滤袋为土工管袋。

5.根据权利要求1所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于复合生物酶液为由35-55wt%权1所列复合酶，15-20wt%洗涤类表面活性剂，15-20wt%的营养氮源和10-15wt%纯水混合组成的生物固化剂混合液。

6.根据权利要求1或5所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于洗涤类表面活性剂为烷基聚葡糖苷表面活性剂。

7.根据权利要求1所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于脱水后粘粒与干土混合搅拌成混合土的含水率为15－60wt%。

8.根据权利要求5所述河道湖泊底泥生物固化及稳定化方法，其特征在于1升生物固化剂混合液固化30立方米与粘粒混合后的混合土。