我国疏浚淤泥处置与利用研究进展

黄英豪，戴济群

（南京水利科学研究院河湖库底泥处理与资源化利用研究中心，210024，南京）

一、研究背景

湖泊水环境治理、河道行洪、水库库容恢复、航道浚深、港池开挖、海岸整治等涉水工程实施过程中会产生大量疏浚淤泥。据统计，我国每年疏浚淤泥产生量超10 亿m3。疏浚就是将沉积在江河湖库的底泥经铰刀切削后，通过管道输送至专门的排泥场或处置场。疏浚方式有多种，目前较为常见的是采用绞吸式和耙吸式挖泥船，尤其是环保绞吸方式在东部地区河湖水环境治理工程中应用广泛。在绞吸清淤过程中，底泥被施工扰动打散，为了保证输送过程平稳，在其中混入大量水，使其成为浓度只有约10%的高含水率疏浚淤泥。底泥在水底沉积时细颗粒会悬浮在泥水交界面，称为浮泥或流泥，由于其颗粒细小、比表面积大，易造成重金属、营养盐等富集，成为水环境治理清淤工程中需要重点清除的部分。

绞吸式清淤的疏浚淤泥含水率极高，淤泥孔隙大、压缩性强，上岸时体积增大数倍，同时细颗粒含量高导致自重沉积排水固结过程缓慢，加上常伴随有营养盐、重金属等成分，使得大方量疏浚淤泥处置成为难题。传统上，近海地区疏浚工程一般采用海洋抛弃方式，过去20年间也常用于吹填造地，由于会对海洋环境造成影响和破坏，这些方式逐渐受到严格限制。陆地上的疏浚淤泥早期常采用抛填方式，而就地弃置的淤泥遇降雨时会流回河道或造成周边环境污染，专门设置堆场又因淤泥固结过程缓慢而长期大量占用土地。例如，太湖第二轮生态清淤工程面临的主要难题是每年数百万方的疏浚淤泥无处安放。

二、淤泥处置与利用技术进展

我国对疏浚淤泥处置利用技术的大规模研究始于20世纪末至21世纪初，目前研究或应用较多的技术如下。

1.粗细颗粒分离技术

淤泥中含有粗细颗粒和大量水分，固液分离机就是利用不同密度颗粒在旋转过程中受到的离心力不同而实现粗细颗粒分离、浓缩及筛分。常用的旋流分离设备通常包括渣浆分离机（含预筛）单元、一级旋流器（含振动筛）单元和二级旋流器（含振动筛）单元。旋流分离器通常可分离粒径0.05～10 mm 土粒成分，一级旋流单元可以分离粒径74 μm颗粒，目前比较先进的二级旋流分离单元已经可以实现20 μm 颗粒的分离，颗粒分离率可以达到70%～80%。

2.絮凝浓缩技术

絮凝浓缩技术从污水处理技术发展而来，主要是通过在污水中添加絮凝药剂实现浓缩。我国从20世纪70年代开始先后开发出聚合硫酸铁、聚合氯化铝等无机絮凝剂产品，目前在无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂、复合絮凝剂等方面的发展日益完善。近年，逐渐开始将絮凝剂应用于疏浚淤泥的调理中，但是由于疏浚淤泥和污水污泥的颗粒组成不同，对疏浚淤泥单独采用絮凝浓缩技术无法达到较好的减量化效果，因此，实际工程中絮凝浓缩往往和其他技术联合运用。疏浚淤泥絮凝的机理主要有压缩双电层、电性中和、吸附架桥和网捕卷扫作用等。

3.真空堆载预压技术

真空预压法是利用抽真空方式加固软土地基的一种地基处理方法，单独采用真空预压技术效率低，往往和堆载方法相结合。疏浚淤泥从岩土工程的角度看属于超软土的范畴，因此针对无污染的疏浚淤泥，在某些地区采用真空堆载预压技术能取得较好效果，例如沿海地区围海造陆就是用吹填泥沙进行真空堆载预压。传统的真空预压存在真空压力沿程损失大、真空度低、处置深度有限等问题，近年针对疏浚淤泥特性，先后发展出了无砂垫层真空预压、增压式真空预压、气压劈裂真空预压、加热相变式真空预压以及药剂絮凝真空预压等技术，部分技术已经取得突破并在工程中逐步应用。

4.机械脱水技术

机械脱水技术是利用专门的机械对疏浚淤泥施加压力，实现泥水快速分离，从而达到减量化目的，常用的机械脱水设备有离心脱水机、板框压滤脱水机、带式压滤脱水机。离心脱水法是利用高速旋转的离心机转筒产生的巨大离心力来实现淤泥固液分离。带式压滤机主要由滚筒、滤布带、动力系统、淋洗系统等组成，物料进入中间空腔后，依靠滤布振动、滚轮旋转挤压等受到的挤压力和剪切力作用实现泥水分离，压榨段带速、滤带张拉力、压榨压力等对泥饼含水率有较大的影响。板框压滤机主要由机架、滤板、滤布、空压机等组成，淤泥泵将泥水送至滤板内部空腔内，在压力作用下，水分透过滤布流出，土颗粒被截留在空腔内形成泥饼。机械脱水法在实际应用时多与絮凝技术相结合，目前对絮凝药剂种类、添加量、水力条件等影响压滤脱水效果因素已经有系统性研究，压滤泥饼含水率可降至40%左右，该技术已经在滇池、太湖、巢湖、秦淮河等多个清淤工程中应用。总体而言，板框压滤机的效果要好于带式压滤机，而离心脱水机由于设备昂贵、效率不高等原因尚未在工程中应用。

5.管袋脱水技术

土工管袋脱水技术是利用高强度土工织物的过滤性能，在重力和泥浆泵的压力作用下将淤泥中的水分透过管袋壁滤出，该技术在国外起始应用于围堤、围堰工程中，由于工艺简单，近年逐渐用于江河湖库淤泥脱水处理中。土工管袋大小可根据场地大小定制，长度最大可达到200 m，材料主要为聚丙烯（PP）和聚酯（PET），等效孔径、织物结构、织造方式等因素是影响土工管袋内淤泥脱水固结的重要因素。土工管袋脱水技术在工程应用时需要和絮凝浓缩技术相结合，以实现泥水快速分离，目前已经在太湖、巢湖等生态清淤工程中得到初步应用。总体而言，其经济性好于机械压滤脱水，但脱水效果不及机械压滤。

6.电渗脱水技术

带电颗粒在电场作用下会向着与其电性相反的电极移动。电渗脱水就是将土体通入直流电，由于软黏土颗粒细小且带有负电荷，水分从阳极流向阴极，再从阴极排出，从而降低高黏性土的含水率或地下水水位。目前对电渗脱水技术的研究多为电压、通电方式、电极材料及其排列方式，也有学者开始尝试采用电渗电泳去除淤泥中的氮磷、重金属、盐分等。总体而言，电渗脱水技术试验研究较多，尚无在工程中成功应用的案例。

7.微生物加固技术

近年，微生物学逐渐和水利工程结合，产生了微生物水处理技术等，岩土工程学者提出利用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）来用于加固珊瑚砂、裂隙岩体和处理污染土等。目前已有学者开始尝试用于加固黄河粉土，但是由于淤泥含水率高、颗粒细，MICP 技术应用前景需要进一步深入研究。

8.固化/稳定化技术

固化/稳定化处理技术最早是用来处理危险废物的一种技术，后来逐渐应用于加固软土和处理疏浚淤泥。我国对淤泥固化技术的研究始于21世纪初，是当前大规模淤泥资源化利用的主要方法。固化/稳定化技术的主要原理是向淤泥中添加固化材料，通过固化材料和淤泥之间复杂的物理化学反应，使淤泥成为力学性能良好且具备一定结构性的土体。目前，国内众多学者对淤泥固化技术开展了大量研究，主要集中在固化材料、固化机理、固化土的物理力学特性、固化土的结构性、固化土的可压实性以及固化土的用途等方面，并取得一些研究成果。例如，开发了系列无机有机高分子复合固化材料，建立了固化淤泥的强度和变形预测公式，从自由水向结合水转化角度、离子溶度积、微细观试验等方面揭示了固化机理，阐明了黏粒含量和有机质含量对固化效果的影响程度，研究了固化淤泥的收缩开裂性质、流动性、流变性、管道输移特性等，研制了大型淤泥固化处理设备，在引进国外原位处理设备的基础上进一步开发了就地固化成套装备，并形成固化淤泥硬壳层技术、淤泥轻质固化土技术、流态固化技术，逐步在场地回填、堤防加固、边坡修复等工程中示范和应用。总体而言，淤泥固化处理技术在我国已较为成熟，我国第一个大型淤泥固化处理工程无锡长广溪淤泥堆场，可一次性处理淤泥180万m3。据不完全统计，目前我国采用固化技术处理淤泥已累计超过1500万m3。

9.建材化利用技术

疏浚淤泥另一个资源化利用方向是制作成建筑材料。淤泥的主要成分为无机黏土颗粒，可以将其加热制作成陶粒或烧结砖。近年有学者研究将淤泥制作成免烧的护坡砖或固化石，需要掺入大剂量固化剂，但淤泥掺入量不高，且耐久性等方面也需要进一步提升。河湖清淤的淤泥中往往氮磷营养盐和有机质较丰富，可以因地制宜改良为绿化土或种植土，但需要注意的是重金属含量和有机污染物含量不得超过相关标准，否则这些污染物会进入食物链，对人体健康产生影响。

三、疏浚淤泥相关概念辨析

疏浚淤泥的处理和利用技术在我国研究和应用仅20余年，且很多技术是借鉴国外经验或在不同行业领域和学科基础上发展起来的。近年，各地已开展或规划开展大规模疏浚清淤导致此领域发展迅猛，而同时也存在大部分人员专业性不足等问题，故对疏浚淤泥相关概念进行研究。

1.底泥、淤泥、污染底泥、污染淤泥、污泥

底泥指江河湖库底部的沉积物，通常以无机颗粒为主，包含有机质、营养盐等；底泥被疏浚后，一般被称为淤泥。简言之，底泥在水体底部，未受扰动，与水接触；淤泥在水体外部，已被扰动，处于堆场或其他环境条件中。在岩土工程学科中，淤泥是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，天然含水率大于液限、天然孔隙比大于等于1.5的黏性土。污染底泥是指在河湖库底部沉积时就已经遭受污染并对上覆水体产生影响的底泥。污染底泥挖出后称之为污染淤泥，通常指在后续处理和利用过程中易造成二次污染的淤泥，是否会造成二次污染除了与淤泥本身含有的污染物种类、含量有关外，也与处理技术以及处置后管理方法有关。

在工程界人们经常将污染淤泥称为污泥，但是在市政和水处理行业，污泥有其特定的含义。在污水处理中，污泥是发生于初沉池、二沉池的沉淀物，经过浓缩池浓缩和后续脱水形成的泥状物质。由于活性污泥工艺在污水处理中的大量采用，进入二沉池的剩余污泥大多是微生物残体。因此，相对于污染淤泥而言，污泥中的有机物含量高，生活污水处理厂产生的污泥中其有机物含量有时可以达到80%以上。相对于生活污水处理厂而言，工业污水处理厂产出的污泥中有机物含量较低，但一般都含有特定重金属等污染物。这些物质组成上的区别，使得污泥与淤泥在物理、化学、生物性质方面的差异较大，不能直接作为同类物质进行处理。为了避免以有机物为主体的污水处理厂污泥与以无机矿物为主的清淤淤泥发生混淆，目前学术界一般将污水处理厂污泥称为污泥，而将河湖库等自然水体中疏浚出的沉积物称为淤泥。

2.含水率、含水量、浓度

淤泥的处理问题涉及水利工程、环境工程、市政工程、交通工程、建筑工程、农业工程等多个学科，且含水率和含水量在含义上存在差别。《岩土工程基本术语标准》（GB/T 50279—2014）中含水率的定义为土中水的质量与土颗粒质量的比值，以百分率表示，即含水率此含水率指标中ms为烘干后的质量，故称之为干基含水率。从此公式可以看出，当淤泥中水分的质量比干物质的质量大时，淤泥的含水率是大于100%的。

在某些学科中含水率（假设用h表示）则是指水分的质量占总质量的比值，即其中m为水分和干物质的总质量，此含水率称为湿基含水率，在某些行业中也将湿基含水率称为含水量。根据此公式，含水量不可能超过100%，并且含水率和含水量之间是可以换算的，即h= w/（1+w）。因此，在工程应用中应注意区分，尤其是当含水率作为重要指标时，应说明其含义，避免造成误会。

浓度是清淤中经常使用的术语，分为质量浓度和体积浓度。质量浓度为单位体积混合物中某组分的质量（ms/V），体积浓度则是指固体颗粒的体积与总体积的比值（Vs/V）。因此，质量浓度和体积浓度的概念并不同，疏浚工程中体积浓度概念使用较多，使用时应注意区分。

四、建 议

我国疏浚清淤工程方兴未艾，清淤规模之大前所未有，因此，疏浚淤泥的处置利用成为涉水工程中的热点和难点问题。建议对全国重要江河湖库等的淤积状况进行系统摸底，并结合行洪、通航、水环境治理、水生态修复等，科学统筹、有序规划、分批实施疏浚清淤工程，落实好国家江河战略。

随着我国大规模清淤工程的实施，已经没有足够的纳泥场，这一问题在东部地区已经凸显。因此，未来的水体综合治理等工程中，除应加强对水质指标的考量外，还应将疏浚淤泥的处置与资源化利用程度作为重要的治理成效指标，水和泥两手都要抓，两手都要硬。

我国疏浚淤泥处置与利用技术近年发展迅速，其中一些可以在工程中较好应用，但是由于各地淤泥性质的差异以及当地自然条件不同，在实际应用过程中应对技术背后的机理、理论进行深入挖掘，并提出优化措施，通过与工程实践的不断结合和反馈，不断对技术迭代升级，形成“一泥一策”方案，真正解决疏浚淤泥处置利用问题，而不应是目前阶段尚大量存在的低水平重复性研究。

此外，建筑泥浆、盾构泥浆等在性质上与疏浚淤泥有相近之处，一些处理技术也较为相似，目前浙江、江苏等地区在尝试建设综合性的泥浆处置中心，对解决疏浚淤泥“最后一公里”难题具有借鉴意义。

由于我国疏浚淤泥处置与利用技术还在不断发展进步，缺乏相应的技术标准，建议行业主管部门根据技术成熟度有序组织、科学制定相关技术规范。