CN109516658B - 一种底泥的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污染底泥修复技术领域的一种底泥的处理方法。所述方法包括以下步骤：S1，将来自疏浚区域的底泥造粒成型并烧制成陶粒；S2，将所述陶粒回填至所述疏浚区域。该方法将被污染的底泥陶粒化后回填至原疏浚区域，无需大规模占用土地，有效解决了疏浚底泥的出路问题；同时由于采用原区域疏浚的底泥，避免了引入外来材料造成的污染问题。另外，该方法通过增强床面稳定性、清晰泥水界面、改变底泥中溶氧垂向分布、减少底泥释放通量等，解决了底泥内源污染问题，为河湖生态治理提供了一种新思路。

Description

一种底泥的处理方法
技术领域
本发明属于污染底泥修复技术领域，具体涉及一种底泥的处理方法。
背景技术
底泥广泛存在于河流、湖泊和水库等天然水体中，是水生生态系统中众多底栖生物赖以生存的场所，同时也是大量有毒有害污染物的蓄积库。社会经济的快速发展导致水体污染严重，而底泥则承接了水体中的各种环境物质，从营养盐、重金属到有机污染物等，对其迁移转化起着显著的源和汇的作用。底泥中积累的污染物，在一定的条件下会释放进入上覆水体，使其成为潜在的内源污染，造成水体富营养化、藻华、黑臭等极端污染现象，威胁水、环境和生态安全，直接影响人们的生产生活。研究表明我国大部分湖泊以及河道的底泥均受到不同程度的污染，如太湖、鄱阳湖、湘江等，受污染底泥的处理越来越受到人们关注。
底泥处理可以分为原位处理和异位处理两种方式。原位处理包括原位生物处理、覆盖处理、固化处理等，即在不疏浚的情况下来减缓底泥污染物对上覆水体的污染。该方法可增加污染物在底泥中的稳定性，防止污染物扩散和迁移；但并没有降低污染物总量，故当水环境发生变化时，固化的污染物可能再次被释放到上覆水体中。与此同时，原位处理通常需要引入外来材料，其对周围水体的潜在风险仍有待研究，可能带来新的污染问题。
当底泥中污染物的浓度较高时，则通常需要对受污染严重的底泥进行疏挖，然后再异位集中处理。底泥疏浚几乎可去除受污染区域的所有污染物，但它成本相对较高，且疏浚底泥的处置(出路)仍是亟待解决的问题。根据各省2016年度的清淤招标数据，我国年产疏浚泥共计5亿m3(水下方)，疏浚后形成的淤泥(浓度为50％、密度为1.4g/cm3)约6.7亿m3。目前，堆场用地已十分紧缺，而受污染底泥的堆放问题更为明显，存在着长期占用土地和处理不当易产生二次污染等问题。根据国家统计局数据，我国水泥、砖和陶粒生产每年分别可消耗淤泥约1.6亿m3、1.6亿m3和130万m3，故还有约一半的疏浚底泥只能采用堆场堆放等方式。显然，疏浚底泥的处理问题十分严峻。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种底泥的处理方法。该方法将被污染的底泥陶粒化后回填至原疏浚区域，避免了大规模占用土地，有效解决了疏浚底泥的出路问题，同时避免了外来材料的引入所带来的污染问题，为河湖生态治理提供一种新思路。
为此，本发明第一方面提供了一种底泥的处理方法，其包括以下步骤：
S1，将来自疏浚区域的底泥造粒成型并烧制成陶粒；
S2，将所述陶粒回填至所述疏浚区域。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述底泥在造粒成型之前进行预处理，优选地，所述预处理包括脱水干化处理和/或无害化处理。
在本发明的另一些实施方式中，经脱水干化处理后，所述底泥的含水率在60％以下。
在本发明的一些具体的实施方式中，所述脱水干化处理的方式选自自然干化法、机械脱水法和土工管袋法中的至少一种。
在本发明的一些优选的具体实施方式中，所述脱水干化处理的方式为机械脱水法。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述机械脱水法利用板框压滤机进行。
在本发明的一些实施方式中，所述无害化处理包括向底泥中添加固化材料。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述固化材料包括石灰、零价铁和粉煤灰。
在本发明的一些实施方式中，所述陶粒的粒径和颗粒密度由无粘性均匀沙临界起动条件和疏浚区域的最大切应力确定。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述疏浚区域的最大切应力根据疏浚区域的水动力条件获得。
在本发明的一些优选的实施方式中，根据无粘性均匀沙临界起动条件的公式，采用辅助线法获得不同的粒径和颗粒密度所对应的陶粒的临界起动剪切应力，选取临界起动剪切应力大于疏浚区域的最大切应力的陶粒所对应的粒径和颗粒密度。
在本发明的一些具体的实施方式中，所述无粘性均匀沙临界起动条件的公式为：
Figure GDA0002033894630000031
其中，τc为临界起动剪切应力，ρs和ρ分别为陶粒和水的密度，g为重力加速度，D为陶粒粒径，U*为临界起动剪切流速
Figure GDA0002033894630000032
ν为水的粘滞系数。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述方法还包括步骤S0，对底泥进行环保疏浚，获得疏浚区域的底泥。
本发明的有益效果为：本发明所述方法解决污染底泥修复过程中，异位处理产生的疏浚底泥长期占用大量土地、且容易产生二次污染的缺陷，以及原位处理引入外来材料可能造成的污染问题。该方法将被污染的底泥陶粒化后回填至原疏浚区域，无需大规模占用土地，有效解决了疏浚底泥的出路问题；同时由于采用原区域疏浚的底泥，避免了引入外来材料造成的污染问题。另外，该方法通过增强床面稳定性、清晰泥水界面、改变底泥中溶氧垂向分布、减少底泥释放通量等，解决了底泥内源污染问题，为河湖生态治理提供了一种新思路。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例中提供的方法的流程图。
图2为本发明采用的Shields曲线(无量纲临界起动床面剪切应力)图。
图3本发明实施例中选取不同陶粒的粒径和颗粒密度的原理示意图。
图4为本发明实施例中底泥处理方法的效果示意图。
图5为本发明实施例底泥中溶氧垂向分布曲线图。
具体实施方式
使本发明容易理解，下面将详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。
在提供了数值范围的情况下，应当理解所述范围的上限和下限和所述规定范围中的任何其他规定或居间数值之间的每个居间数值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立包括在较小的范围中，并且也涵盖在本发明内，服从规定范围中任何明确排除的限度。在规定的范围包含一个或两个限度的情况下，排除那些包括的限度之任一或两者的范围也包含在本发明中。
除非另有定义，本文使用的所有术语与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解具有相同的意义。虽然与本文中描述的方法和材料类似或等同的任何方法和材料也可在本发明的实施或测试中使用，但是现在描述了优选的方法和材料。
本申请的发明人通过将来自疏浚区域的底泥制备成陶粒，然后再将陶粒回填至原疏浚区域，有效解决了底泥的出路问题，且避免了引入外来材料所带来的新污染问题。陶粒制备过程中，高温烧结会使得有机物分解、重金属固化或挥发；而底泥中的无机硅酸盐矿物会熔融，也将重金属固定在陶粒中，从而降低底泥的污染程度和向环境释放的风险。另外，疏浚前底泥颗粒较细，容易发生悬浮，泥水界面不清晰，底泥释放通量较大；而陶粒回填后，临界起动剪切应力增大，相同的水动力条件下，颗粒不易发生再悬浮，故床面稳定性增加，底泥释放通量明显减小。同时，陶粒回填后的床面有效扩散系数增加，使得溶氧渗透深度相应增加，改善了床面的氧化还原条件。
因此，本发明第一方面所涉及的底泥的处理方法，其包括以下步骤：
S1，将来自疏浚区域的底泥造粒成型并烧制成陶粒；
S2，将所述陶粒回填至所述疏浚区域。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述底泥在造粒成型之前进行预处理，优选地，所述预处理包括脱水干化处理和/或无害化处理。
在本发明的另一些实施方式中，经脱水干化处理后，所述底泥的含水率在60％以下。经脱水干化处理后实现减量化，即减少了处理的底泥的量。
在本发明的一些具体实施方式中，所述脱水干化处理的方式选自自然干化法、机械脱水法和土工管袋法中的至少一种。
在本发明的一些优选的具体实施方式中，所述脱水干化处理的方式为机械脱水法。
在本发明进一步优选的实施方式中，所述机械脱水法利用板框压滤机进行。
在本发明的一些实施方式中，所述无害化处理包括向底泥中添加固化材料，进而对底泥进行固化和改性，实现对有害物质固封和钝化，防止对周边环境产生二次污染。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述固化材料包括石灰、零价铁和粉煤灰。添加的石灰具有脱水和杀菌功能等，添加的零价铁能够固定底泥中的污染物，添加的粉煤灰可以起到骨架构建体作用，防止脱水时细颗粒堵塞滤膜。
在本发明的一些实施方式中，所述陶粒的粒径和颗粒密度由无粘性均匀沙临界起动条件和疏浚区域的最大切应力确定，以保障床面稳定性，避免回填陶粒的迁移。
在本发明的一些优选地实施方式中，所述疏浚区域的最大切应力根据疏浚区域的水动力条件获得。
在本发明的另一些优选的实施方式中，根据无粘性均匀沙临界起动条件的公式，采用辅助线法获得不同的粒径和颗粒密度所对应的陶粒的临界起动剪切应力，选取临界起动剪切应力大于疏浚区域的最大切应力的陶粒所对应的粒径和颗粒密度。
在本发明的一些具体的实施方式中，所述无粘性均匀沙临界起动条件的公式(即：Shields曲线)为：
Figure GDA0002033894630000051
其中，τc为临界起动剪切应力，ρs和ρ分别为陶粒和水的密度，g为重力加速度，D为陶粒粒径，U*为临界起动剪切流速，且
Figure GDA0002033894630000052
ν为水的粘滞系数。
借助上述公式，给定陶粒的粒径和颗粒密度，便可采用辅助线法计算求得其临界起动剪切应力。
具体地，辅助线法求解步骤为：
1.在如图2所示的Shields曲线图(Vanoni 1975；邵学军和王兴奎2005)中添加一条经过点
Figure GDA0002033894630000061
斜率为2的辅助线；图中的γs＝ρs·g，γ＝ρ·g。
2.找出该辅助线与Shields曲线的交点，查出该交点的纵坐标
Figure GDA0002033894630000062
值，即可反算出临界起动剪切应力τc。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述方法还包括步骤S0，对底泥进行环保疏浚，获得疏浚区域的底泥。底泥的疏浚应选择适用的疏挖设备，防止漏挖和超挖，避免二次污染，主要通过环保绞刀来实现。
在本发明的一些具体实施方式中，所述方法具体包括以下步骤：
(1)对底泥进行环保疏浚，获得疏浚区域的底泥；
(2)将来自疏浚区域的底泥进行脱水干化处理和/或无害化处理，获得处理后的底泥；
(3)考虑回填区域的床面稳定性，将步骤(2)获得的底泥造粒成型并烧制成相应颗粒密度和粒径的陶粒；
(4)将步骤(3)获得的陶粒回填至原疏浚区域。
实施例
为使本发明更加容易理解，下面将结合附图和实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
实施例1
太湖是我国第三大淡水湖，湖区面积2338km2，平均水深约1.89m，属于浅水湖泊。2007年5月，太湖蓝藻爆发，造成无锡全城自来水污染，引起社会的广泛关注；蓝藻爆发的主要原因是水体富营养化，受内源污染影响显著。太湖中的湖流运动属于风生流，在风的作用下，波浪会充分发展，从而对底泥产生强烈扰动，导致大量泥沙再悬浮和营养盐释放。
首先将受污染的太湖底泥疏浚出来，然后对疏浚的底泥进行脱水干化和无害化处理，获得处理后的底泥。
根据太湖的水动力条件确定太湖的最大切应力。同时根据无粘性均匀沙临界起动条件和太湖的最大切应力确定陶粒的不同粒径和密度组合，将处理后的底泥烧制成相应密度和粒径大小的陶粒，如图3所示。依据调研可知，太湖底泥的中值粒径约为0.02mm，在10m/s东南风或者西北风作用下，其床面的最大切应力约为11Pa，故可取切应力大于11Pa的陶粒的粒径和密度组合(如粒径D＝30mm，密度ρs＝1700kg/m3)，以确保床面的稳定性。
最后将烧制成的陶粒回填至原疏浚区域，并评估其对污染内源的控制效果。评估结果如图4所示。
如图4所示，疏浚前底泥颗粒较细，容易发生悬浮，泥水界面不清晰，底泥释放通量较大；而陶粒回填后，临界起动剪切应力增大，相同的水动力条件下，颗粒不易发生再悬浮，故床面稳定性增加，底泥释放通量明显减小。同时，陶粒回填后的床面有效扩散系数增加，使得溶氧渗透深度相应增加，改善了床面的氧化还原条件。
具体来讲，在10m/s东南(西北)风作用下，疏浚前太湖底泥会发生再悬浮，取垂向平均流速u＝0.2m/s，底泥磷释放通量可由经验公式J＝36.78e3u求得，约为67mg/(m2·d)。而陶粒回填后，底泥磷释放通量由再悬浮过程控制转为紊动扩散过程控制，取传质系数E＝1×10-7m/s，上覆水和孔隙水中的磷浓度分别为C1＝0.05mg/L和C2＝0.30mg/L，底泥磷释放通量可由公式J＝De(C2-C1)求得，约为2.16mg/(m2·d)。故陶粒回填后，床面稳定性增加，相同的水动力条件下颗粒不易发生再悬浮，底泥释放通量明显减小。
此外，疏浚前太湖底泥颗粒较细，透水率较低，处于分子扩散控制的区域，有效扩散系数约等于分子扩散系数，水沙界面的溶氧通量很低，底泥处于相对缺氧状态。而陶粒回填后，颗粒粒径和透水率均显著增加，紊动扩散起主导作用，使得有效扩散系数显著增大，底泥中溶氧浓度升高。设水沙界面处的溶氧浓度约为Cw＝8mg/L，最大耗氧率约为μ＝200mg/(L·d)，则可通过底泥中溶氧平衡方程
Figure GDA0002033894630000071
计算得到陶粒回填前后的底泥中溶氧垂向分布，如图5所示。疏浚前，底泥中溶氧渗透深度(z)约为0.182mm；陶粒回填后，溶氧渗透深度(z)约为51mm。故陶粒回填后，底泥中溶氧渗透深度明显增大。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (11)

1.一种底泥的处理方法，其包括以下步骤：
S1，将来自疏浚区域的底泥造粒成型并烧制成陶粒；
S2，将所述陶粒回填至所述疏浚区域；
所述底泥在造粒成型之前进行预处理，所述预处理包括脱水干化处理和无害化处理；
所述陶粒的粒径和颗粒密度由无粘性均匀沙临界起动条件和疏浚区域的最大切应力确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经脱水干化处理后，所述底泥的含水率在60％以下。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脱水干化处理的方式选自自然干化法、机械脱水法和土工管袋法中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述脱水干化处理的方式为机械脱水法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述机械脱水法利用板框压滤机进行。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述无害化处理包括向底泥中添加固化材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述固化材料包括石灰、零价铁和粉煤灰。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述疏浚区域的最大切应力根据疏浚区域的水动力条件获得。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据无粘性均匀沙临界起动条件的公式，采用辅助线法获得不同的粒径和颗粒密度所对应的陶粒的临界起动剪切应力，选取临界起动剪切应力大于疏浚区域的最大切应力的陶粒所对应的粒径和颗粒密度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述无粘性均匀沙临界起动条件的公式为：
Figure FDA0002465651830000021
其中，τc为临界起动剪切应力，ρs和ρ分别为陶粒和水的密度，g为重力加速度，D为陶粒粒径，U*为临界起动剪切流速，ν为水的粘滞系数。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤S0，对底泥进行环保疏浚，获得疏浚区域的底泥。
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