吹填泥漿的混凝沉降特性試驗

陳 宏,劉勝宇,陳紹文,黃良材,余關(guān)龍,陳 晨

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長沙 410004;2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室,湖南長沙 410004; 3.廣東金東海集團(tuán)公司,廣東汕頭 515041)

吹填泥漿的混凝沉降特性試驗

陳 宏1,2,劉勝宇3,陳紹文3,黃良材3,余關(guān)龍1,2,陳 晨1,2

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長沙 410004;2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室,湖南長沙 410004; 3.廣東金東海集團(tuán)公司,廣東汕頭 515041)

為解決水力吹填泥漿自由沉降所需時間較長,退水排放會帶走大量淤泥,以及吹填土地基自然固結(jié)時間長等問題,向泥水混合液分別投加聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM),攪拌靜置沉淀后測定混合液剩余濁度、剩余固體懸浮物質(zhì)量濃度(SS)及泥水界面高度,考察其混凝沉降性能。試驗結(jié)果表明,投加混凝劑能在一定程度上加速吹填泥漿的沉降分離,提高出水水質(zhì)。隨著PAC和PAM投加量的增加,混合液剩余濁度和剩余SS值均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,而泥水界面高度基本保持不變。當(dāng)PAC投加量為360mg/L時,混合液剩余濁度和剩余SS達(dá)到最小值,分別為287.4和1.45 g/L;當(dāng)PAM投加量為2.8 mg/L時,混合液剩余濁度和剩余SS最小,分別為752.7 和2.83 g/L。

吹填泥漿;混凝沉降特性;聚合氯化鋁;聚丙烯酰胺

海底淤泥的水力吹填技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。然而,吹填淤泥中黏粒含量高,含水率高,壓縮性大,強(qiáng)度低,滲透性能差,排水固結(jié)緩慢[1-3],導(dǎo)致自由沉降性能差[4-6],且吹填過程外排水中通常含有大量的淤泥顆粒[7-8],給實(shí)際工程帶來了許多重大問題,如延誤施工進(jìn)度,降低工程效益,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化等[9-10]。因此,加速吹填淤泥的固液分離過程,實(shí)現(xiàn)淤泥中固體顆粒與水的快速分離,在實(shí)際吹填過程中具有顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。

針對吹填泥漿在填筑場內(nèi)自由沉降所需時間較長,退水排放帶走大量淤泥以及吹填土地基自然固結(jié)時間長等問題,結(jié)合淤泥吹填泥漿的特性和淤泥中水的結(jié)合形態(tài)特征,以吹填現(xiàn)場采集的淤泥原樣為試驗對象,研究投加混凝劑對吹填泥漿混合液沉降性能的影響,考察混凝法對吹填泥漿固液分離過程的改善效果,為解決吹填泥漿自然沉降所需時間較長,退水排放帶走大量淤泥等問題提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

淤泥樣品采自天津某海岸吹填工地,將樣品在105℃下在干燥箱內(nèi)烘干、研碎后,過篩100目,收集篩下部分作為研究對象?；旌弦撼驶尹S色,配合比(干淤泥與蒸餾水的質(zhì)量之比)為1∶20,水質(zhì)檢測結(jié)果如下:濁度為37450,固體懸浮物質(zhì)量濃度(SS) 為42.12g/L,水溫為28℃。混凝劑使用普通市售的聚合氯化鋁(PAC,工業(yè)純)和聚丙烯酰胺(PAM,分析純)。

1.2 參數(shù)測試方法

水溫采用普通玻璃溫度計測定;濁度采用分光光度法按照GB 13200—1991《水質(zhì)濁度的測定》來測定;SS采用重量法按GB 11901—1989《水質(zhì)懸浮物的測定重量法》測定;泥水界面高度采用量筒目測讀取(設(shè)定初始高度為100 mm)。

1.3 試驗步驟

步驟1配制原混合液,測定其水質(zhì)指標(biāo)。

步驟2配制混凝劑溶液,進(jìn)行混凝沉淀試驗:取適當(dāng)原混合液,在其中添加藥劑,先快速攪拌1 min(轉(zhuǎn)速為150 r/min),再慢速攪拌10 min(轉(zhuǎn)速為50 r/min),然后靜置并沉淀,最后測定混合液的剩余濁度、剩余SS以及泥水界面高度等指標(biāo)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同沉淀時間的原水樣沉降效果

將原混合液分別靜置0 min、15 min、30 min、45 min、60 min,測定混合液剩余濁度、剩余SS以及泥水界面高度,結(jié)果如表1所示。

表1 原混合液沉降性能

由表1可知,靜置15 min,混合液中剩余濁度和剩余SS顯著下降,分別為821和3.11 g/L,去除率分別為97.8％和92.6％。延長沉淀時間,混合液剩余濁度和剩余SS變化很小,混合液的泥水界面高度下降比較緩慢。根據(jù)水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度,沉淀可分成4種類型:自由沉淀、絮凝沉淀、成層沉淀和壓縮沉淀。初始是自由沉淀,沉降速度較快;隨著混凝反應(yīng)的不斷進(jìn)行,固體顆粒物濃度增大,體積也不斷增大,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?種沉淀類型,沉降速度變慢;此后出現(xiàn)顆粒的重力等于或小于其下沉產(chǎn)生的阻力時的等速下沉和減速下沉現(xiàn)象。

2.2 PAC投加量的影響

設(shè)定沉淀時間為30min,考察PAC投加量分別為225 mg/L、240 mg/L、280 mg/L、320 mg/L、360 mg/L、375 mg/L時的混合液剩余濁度和剩余SS及泥水界面高度,結(jié)果如圖1所示。

圖1 PAC投加量對剩余濁度、剩余SS及泥水界面高度的影響

投加PAC后,出現(xiàn)較明顯礬花現(xiàn)象,礬花較細(xì),很快也出現(xiàn)了泥水分層現(xiàn)象,泥水界面下降速度較快。由圖1可知,隨著PAC投加量的增加,混合液剩余濁度和剩余SS均先減小再增大。當(dāng)投加量為360mg/L時,剩余濁度和剩余SS達(dá)到最小值,分別為287.4和1.45g/L。泥水界面高度也在PAC投加量為360 mg/L時達(dá)到最小值,但總體上變化不明顯。若繼續(xù)增大PAC投加量,混合液剩余濁度和剩余SS均增大。

2.3 沉淀時間對PAC處理效果的影響

在PAC投加量分別為10mg/L、20mg/L、40mg/L、60 mg/L,沉淀時間分別為15 min、30 min、45 min、60 min時,測定混合液剩余濁度,結(jié)果如表2所示。

混合液沉淀15 min以后,隨著時間的延長,泥水界面位置基本保持不變。由表2可知,靜置15min后,混合液剩余濁度已經(jīng)較低;繼續(xù)增大沉淀時間,混合液中固體懸浮物的沉降速度較緩慢,濁度降低較少,延長沉淀時間對混合液去除效率的影響不大。

2.4 PAM投加量的影響

考察PAM投加量分別為0.4 mg/L、1.0 mg/L、1.6 mg/L、2.0 mg/L、2.4 mg/L、2.8 mg/L、3.0 mg/L、4 mg/L時的混合液剩余濁度、剩余SS及泥水界面高度,結(jié)果如圖2所示。

表2 不同沉淀時間和PAC投加量對應(yīng)的混合液剩余濁度

圖2 PAM投加量對剩余濁度、剩余SS及泥水界面高度的影響

投加PAM時,礬花出現(xiàn)不明顯,混合液分層較慢,泥水界面沉降速度也較慢。由圖2可知,隨著PAM投加量的增加(0.4 mg/L除外),混合液剩余濁度和剩余SS均先減小再增大。當(dāng)投加量為2.8mg/L 時,剩余濁度和剩余SS達(dá)到最小值,分別為752.7和2.83 g/L。泥水界面高度也在PAM投加量為2.8mg/L時達(dá)到最小值,但總體上變化不明顯。若繼續(xù)增大PAM投加量,混合液剩余濁度和剩余SS均增大。

2.5 沉淀時間對PAM處理效果的影響

為考察沉淀時間對PAM處理效果的影響,設(shè)定PAM投加量分別為0.2 mg/L、0.4 mg/L、1.2 mg/L,沉淀時間分別為15 min、30 min、45 min、60 min,測定混合液剩余濁度,結(jié)果如表3所示。

表3 不同沉淀時間和PAM投加量對應(yīng)的混合液剩余濁度

由表3可以看出,投放PAM并靜置15min后,混合液剩余濁度值較未投放PAM的原混合液的剩余濁度值低;靜置30 min后,混合液剩余濁度仍有較大降低趨勢;靜置45 min后,隨著沉淀時間的延長,混合液剩余濁度已經(jīng)變化不大,但其值仍然較大。對比表2、表3可知,投加PAM的混凝沉淀作用時間略長于投加PAC。

對比圖1和圖2可知,PAC投加量較大時,混合液剩余濁度和剩余SS值均較小,泥水界面高度也略低,混凝沉淀的效果較好。分析其原因:PAM屬于有機(jī)高分子絮凝劑,對混凝反應(yīng)條件如pH值較敏感;PAC屬于無機(jī)混凝劑,礬花形成快,顆粒大而重,因而沉淀性能好。

由以上結(jié)果可知,通過投加混凝劑,可以在一定程度上促進(jìn)泥水混合液的沉淀,降低剩余濁度和剩余SS值?；炷齽┮话憔哂幸韵伦饔?①降低膠粒的ζ電位,減小顆粒間的靜電斥力,實(shí)現(xiàn)膠?！懊摲€(wěn)”;②發(fā)揮高分子混凝劑的吸附架橋作用;③具有網(wǎng)捕作用,能促使顆粒凝聚。在混凝反應(yīng)中,混合液中顆粒的表面性質(zhì)如動電位、黏度、濁度及pH值等因子直接影響混凝效果。盡管膠粒間的靜電斥力和膠粒表面的水化作用促使混合液維持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),但吹填淤泥顆粒表面帶有大量負(fù)電荷,會吸附帶極性的水分子和水合陽離子,以致在其表面形成一定厚度的吸附水層。由于顆粒表面的動電位是顆粒阻聚的主要原因,通過加入表面電荷相反的PAM,降低了動電位從而使顆粒聚集起來[11]。

與此同時,因藥劑消耗和能耗會增加系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用,需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。若PAM投加量為1.6mg/L,按吹填速率2500m3/h、每天工作20h, PAM價格16元/kg計算,則每日花費(fèi)藥劑費(fèi)用為1280元,每月藥劑費(fèi)用小于38400元。藥劑消耗為主要支出,能耗等其他運(yùn)行費(fèi)用支出增加不多,因此,本方法具有經(jīng)濟(jì)可行性。此外,由于減少了余水中淤泥顆粒的排放量,減輕了對施工周圍環(huán)境的污染,同時顯著提高了泥漿沉降效果,減少了吹填泥漿的總量,從而縮短了施工工期,產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會效益。

3 結(jié) 語

投加PAC和PAM均能提高泥水混合液的沉降效果,并且隨著投加量的增加,混合液剩余濁度和剩余SS值均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,而泥水界面高度略有降低但變化不大。當(dāng)PAC投加量為360 mg/L 時,混合液剩余濁度和剩余SS達(dá)到最小值,分別為287.4和1.45 g/L;當(dāng)PAM投加量為2.8 mg/L時,混合液剩余濁度和剩余SS最小值分別為752.7和2.83g/L。PAC的混凝作用時間較短,15min即可達(dá)到較好的沉淀分離效果;PAM混凝作用時間稍長。投加混凝劑能在一定程度上提高吹填泥漿的沉降分離效果,減少余水中淤泥顆粒的排放量,減輕對施工周邊環(huán)境的污染。

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Laboratory study on coagulation-sedimentation behaviors of hydraulic-dredged mud

//CHEN Hong1,2,LIU Shengyu3,CHEN Shaowen3,HUANG Liangcai3,YU Guanlong1,2,CHEN Chen1,2(1.College of Hydraulic Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha410004,China;2.Key Laboratory of Water＆Sediment Science and Water Hazard Prevention of Hunan Province,Changsha410004,China;3.Guangdong Jindonghai Group Co.Ltd.,Shantou515041,China)

In order to solve the problems that a long period is needed in the free settlement of the hydraulic-dredged mud, a large quantity of silt particles is brought away during the discharge of the recession flow,and a long period is also needed for the natural consolidation of the dredged mud foundation,PAC or PAM was added into the mud mixture individually in the study.After the agitation and precipitation,the residual turbidity,the residual SS of the supernatant and the height of the interface between supernatant and sediments were measured to investigate the coagulation sedimentation property.The experimental results show that both residual turbidity and SS value decrease first and then increase,and the interface remains unchanged with an increased dosage of PAC or PAM.When a PAC dosage of 360 mg/L was added,the minimum residual turbidity and SS value were obtained with the values of 287.4 and 1.45g/L,respectively.When a PAM dosage of 2.8 mg/L was added,the minimum residual turbidity and SS value were obtained with the values of 752.7 and 2.83 g/L, respectively.The addition of coagulants could in some extent promote the settling and separation of the hydraulic-dredged mud,and enhance the water quality of the recession flow.

hydraulic-dredged mud;coagulation sedimentation property;PAC;PAM

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.016

TU411

A

10067647(2013)05006904

20121112 編輯:駱超)

湖南省自然科學(xué)基金(11JJ4044);水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金(2011SS08);湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項目(2011SB03)

陳宏(1983—),男,湖南衡陽人,講師,博士,主要從事環(huán)境保護(hù)及污染治理研究。E-mail:chenhonghnu@gmail.com