絮凝劑對淤泥脫水效果分析

袁玥 張瀚引 王偉 金林

摘要： 太湖淤泥含水量高，強(qiáng)度較低，壓縮變形大。本試驗在淤泥中摻入不同含量陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑，將其裝入針刺無紡?fù)凉た椢锷希槾虩o紡?fù)凉た椢餅V層排水，被下層高分子超吸水聚合物吸附。試驗分別在0.01%、0.02%、0.03%濃度的陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑、不同布置形式下進(jìn)行對比試驗。結(jié)果表明，采用雙面排水，0.02%絮凝劑的脫水效果最好，其中絮凝劑起到加速水土分離的作用，土工布（濾紙）將溶液與固體分離，有隔離的作用，超吸水能夠吸收大量水分。其脫水后淤泥的含水量由86.59%降至23.43%。

關(guān)鍵詞：太湖淤泥; 脫水固結(jié); 絮凝劑; 試驗；超吸水聚合物；針刺無紡?fù)凉げ迹V紙）

中圖分類號：TQ352.67文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

引言：

太湖是中國最大的淡水湖泊，近年來生態(tài)環(huán)境急劇惡化，污染物從周邊地區(qū)進(jìn)入湖體，漸漸形成大量的太湖淤泥，成為了太湖主要的內(nèi)源污染。因此太湖淤泥的科學(xué)清除，是從根本上改善水體環(huán)境、治理太湖的關(guān)鍵所在[1]。

太湖淤泥液性指數(shù)大，承載力低，無法進(jìn)行二次利用，而經(jīng)過適當(dāng)處理用于工程則能變害為寶。本課題正是致力于太湖淤泥的性質(zhì)與淤泥的脫水固結(jié)研究。

為了有效處理和利用淤泥，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，不少發(fā)達(dá)國家已經(jīng)用商業(yè)化方式對淤泥進(jìn)行了綜合開發(fā)利用。在我國，主要使用自然風(fēng)干法，此種方法占地面積大，脫水時間長，容易造成二次污染，不適合大批量淤泥的處理。對疏浚淤泥進(jìn)行固化與資源化處理，化害為利，對在國內(nèi)形成一個既有發(fā)展前途的新興產(chǎn)業(yè)，具有重要的意義。絮凝作為一種簡潔高效的脫水方法被普遍地用在了淤泥脫水過程中[2]，且絮凝劑比例及淤泥含水率等性質(zhì)是影響淤泥脫水固結(jié)重要因素。本文通過研究太湖淤泥水力特性，實驗加入高分子絮凝劑使淤泥脫水固結(jié)，找出絮凝劑最適合配比。

1 試驗淤泥的微觀機(jī)理及力學(xué)性質(zhì)

1.1 試驗淤泥的初始含水量

1.1.1試驗材料及儀器：太湖淤泥、鋁盒、修土刀、不銹鋼盤、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱、電子天平。

1.1.2 試驗方法：

取三鋁盒編號并稱重，用修土刀取三土樣放入鋁盒再稱重，再放入數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱中烘九個小時且干燥箱溫度保持在115℃，烘干后求出淤泥的自然含水量，即初始含水量。 試驗數(shù)據(jù)如下表4-1所示。

表4-1 初始含水量

由表4-1中可知淤泥的含水量比較高。

1.2 試驗淤泥的天然密度

1.2.1 試驗材料及儀器：淤泥、環(huán)刀、電子天平、修土刀。

1.2.2 試驗步驟：取6個環(huán)刀并記下編號，再將環(huán)刀放在濾紙上并稱它們質(zhì)量，用修土刀取淤泥放入環(huán)刀內(nèi)直至裝滿，然后在稱裝了淤泥的環(huán)刀重，最后根據(jù)環(huán)刀體積計算淤泥的密度。

具體數(shù)據(jù)如下表4-2。

表4-2淤泥的密度

1.3 試驗淤泥的界限含水量

1.3.1 試驗材料及儀器：淤泥、盛土杯、調(diào)土刀、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱、數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀（STYS-1）、鋁盒、電子天平、不銹鋼盤。

1.3.2 試驗方法：液塑限聯(lián)合測定法。

1.3.3 主要試驗步驟：取有代表性的天然含水量土樣進(jìn)行試驗，將土樣分層裝人盛土杯中。將裝好土樣的試杯放在聯(lián)合測定儀上，得到入土深度H為9mm的土樣。重復(fù)以上步驟再得到入土深度為5-6mm和3-4mm的土樣，最后測出這三組盛土杯中土的含水量ω。并按測定結(jié)果在雙對數(shù)坐標(biāo)上作出圓錐體的入土深度與含水量的關(guān)系曲線。

具體的試驗數(shù)據(jù)見下表4-3

表4-3淤泥界限含水量

1.3.4 結(jié)論:

(1)由試驗數(shù)據(jù)可得，淤泥的塑性指數(shù)Ip= 41.59，可知淤泥的塑性指數(shù)比較大，淤泥處于可塑狀態(tài)的含水量范圍較大。

(2)從土的顆粒來說,由于Ip隨著土粒的表面積增大而愈大，結(jié)合水含量愈高，所以該淤泥的土粒比較細(xì)，從而得出土粒表面積較大。

(3)從土中水離子成分和濃度來說，當(dāng)水中高價陽離子濃度減少時，土粒表面吸附的反離子層中低價陽離子增加，Ip變大。所以該淤泥的土中水高價陽離子濃度較小。

(4)由試驗可知液性指數(shù)IL==1.4>1.0，故原狀淤泥處于流塑狀態(tài),說明土質(zhì)很軟。

1.4 試驗淤泥的粒度分析

1.4.1試驗材料及儀器：原泥、大燒杯、試驗小勺、BT-9300H激光粒度分布儀

1.4.2試驗方法:

a.取少量淤泥加入燒杯中，再加入少量清水并攪拌至淤泥完全溶解在水中。

b.在激光粒度分析儀中加滿清水，打開分析儀讀出清水的粒度情況。

c.待清水中數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，向分析儀中加入淤泥水溶液，待軟件中溶度數(shù)據(jù)在30到59間時停止。

d.點擊測試鍵開始分析淤泥的粒度情況。數(shù)據(jù)如下表圖所示

淤泥粒度分析表

1.4.3 試驗結(jié)論：

從圖表中得到不均勻系數(shù)，可看作是均粒土，屬級配不良。

2 絮凝劑介紹

2.1有機(jī)絮凝劑

有機(jī)絮凝劑是指能產(chǎn)生絮凝作用的天然的或人工合成的有機(jī)分子物質(zhì)。它包括天然高分子、合成高分子和微生物絮凝劑三大類。根據(jù)含有不同的官能團(tuán)離解后粒子的帶電情況可以分為陽離子型、陰離子型、非離子型。有機(jī)高分子絮凝劑大分子中可以帶-COO-、-NH-、-SO3、-OH等親水基團(tuán)，因此具有很強(qiáng)的吸附功能使水土分離[3]。

2.1.1合成有機(jī)高分子絮凝劑

人工合成有機(jī)高分子絮凝劑多為水溶性的聚合物,現(xiàn)已在淤泥處理中得到廣泛應(yīng)用,目前應(yīng)用較多的是聚丙烯、聚乙烯物質(zhì)。合成有機(jī)高分子絮凝劑具有用量少，絮凝速度快，受共存鹽類、介質(zhì)pH 及環(huán)境溫度影響小，生成污泥量少的優(yōu)點并且由于分子量大、官能團(tuán)多的結(jié)構(gòu)特點，在我國市場上占絕大優(yōu)勢。根據(jù)官能團(tuán)離解后所帶電荷性質(zhì)的不同,合成有機(jī)高分子絮凝劑又可以分為陽離子、陰離子型和非離子型三種，其相對分子質(zhì)量從五十萬到千萬以上，這使其絮凝效果有很大的提高。在應(yīng)用中常使用陽離子型的有機(jī)高分子絮凝劑，國內(nèi)外對合成有機(jī)高分子絮凝劑的研究也主要集中在陽離子型有幾高分子絮凝劑上。但是由于大多數(shù)有機(jī)高分子絮凝劑本身或其水解、降解產(chǎn)物有毒，且合成用丙烯酰胺單體有毒，能麻醉人的中樞神經(jīng)，應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制，因此目前絮凝劑正向廉價實用、無毒高效的方向發(fā)展。

2.1.2天然有機(jī)高分子絮凝劑

天然有機(jī)高分子改性絮凝劑是利用農(nóng)副產(chǎn)品中的天然有機(jī)高分子物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)改性而得到的。由于天然高分子改性絮凝劑具有活性基團(tuán)多、結(jié)構(gòu)多樣、來源豐富、價格便宜、無毒、可再生等特點,使得此類絮凝劑具有巨大的開發(fā)潛能。

2.1.3微生物絮凝劑

微生物絮凝劑是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的處理劑。微生物絮凝劑目前較為普遍接受的是“架橋作用”機(jī)理: 微生物絮凝劑具有能與膠粒表面某些部分起作用的化學(xué)基因。當(dāng)微生物絮凝劑與膠粒接觸時, 基團(tuán)能與膠粒表面產(chǎn)生特殊的反應(yīng)而互相吸附,而微生物絮凝劑的其余部分則伸展在溶液中, 可以與另一表面有空位的膠粒吸附, 這樣就起了“中間橋梁”的作用[4]。

2.2無機(jī)絮凝劑

無機(jī)絮凝劑包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等。它比較經(jīng)濟(jì)、用法簡單，但用量大、絮凝效果低，存在成本高、腐蝕性強(qiáng)。其作用機(jī)理是能提供大量的絡(luò)合離子，且能夠強(qiáng)烈吸附膠體微粒，通過吸附、橋架、交聯(lián)作用，使膠體凝聚，同時還發(fā)生物理化學(xué)變化，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，膠體微粒由原來的相斥變?yōu)橄辔?，破壞膠團(tuán)穩(wěn)定性，使膠體微粒相互碰撞，形成絮狀混凝沉淀，極具吸附能力。