絮凝濃縮武漢市巡司河底淤泥的研究

肖曲，皮科武，陳抒雨，王會君

（1.湖北工業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，武漢 430068；2.河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068）

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絮凝濃縮武漢市巡司河底淤泥的研究

肖曲1，皮科武1，陳抒雨2，王會君2

（1.湖北工業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，武漢 430068；2.河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，武漢 430068）

目的 研究武漢市巡司河底淤泥在不同無機絮凝劑及PAM的助凝作用下淤泥清渾分界面的沉降速率、淤泥濃縮比以及淤泥沉降指數(shù)的變化情況。方法 采用實驗研究的方法，對巡司河底淤泥進行沉降實驗，并通過沉降分析找到最佳脫水效果的脫水劑。結(jié)果 當淤泥 質(zhì)量分數(shù)為10%時，Ca(OH)2取得的絮凝脫水效果最好，Ca(OH)2投加比為5 g/L，PAM投加比為0.04 g/L時，淤泥清渾分界面的沉降速率最大可達到3.7 cm/min，淤泥濃縮比為3.94，淤泥沉降指數(shù)為24.9%。結(jié)論 Ca(OH)2和PAM對巡司河底淤泥的脫水有促進效果，淤泥在Ca(OH)2和PAM共同作用下先后經(jīng)歷了自由沉降、絮凝沉降、區(qū)域沉淀和壓縮沉降。

河道淤泥；脫水；絮凝濃縮；清渾界面沉降

目前，我國城市河道淤泥積累及由此帶來的污染日益嚴重，由于河道淤泥具有“二高一低”（高含水率、高壓縮性、低滲透性）的特點，給其綜合治理帶來了極大的困難。對城市河道淤泥脫水方法主要有自然干化法［1］、離心法［2］、板框壓濾法［3］、土工管袋法［4］、化學混凝法［5—6］及電滲析法［7］?；瘜W混凝法主要向淤泥中加入混凝劑，通過對淤泥中膠體進行電中和、吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃等作用，使膠體脫穩(wěn)，從而使淤泥中水分脫除，同時化學絮凝對淤泥中有機質(zhì)、重金屬等也有較好的去除效果。因化學混凝操作簡便、藥劑價格低廉、效果相對較好，從而使其受到研究者的日益青睞。

希莫等人以污泥比阻為判定標準，以FeCl3和Al2(SO4)3為脫水劑，通過實驗確定其最佳投加量為：FeCl3(0.01 g/mL)7.9%，Al2(SO4)3(0.01 g/mL)16.6%[8]。范楊臻等人以滇池淤泥為脫水對象，分別以FeCl3和AlCl3為脫水劑，通過對清渾分界面沉降速度的分析得出，F(xiàn)eCl3和AlCl3的最佳投加濃度分別為5 mmol/L和9 mmol/L。實驗還研究了有機物顆粒（麥麩、木屑）的加入對混凝效果的影響，結(jié)果表明，有機顆粒的加入，能夠明顯加快混凝的沉降速度，對淤泥的濁度也有很好的降低作用[9]。

為更好地得到脫水作用，研究者們將目光移到了復合脫水劑上，將兩種甚至多種脫水劑復合，得到一種全新的復合脫水劑，使其發(fā)揮更好的作用。劉林雙等人以南湖水為研究對象，通過實驗得出一種能使淤泥快速沉降脫水的泥沙脫水劑（FAS：FeCl3，PAM，NaNO3），結(jié)果表明：當脫水劑的比例為0.015%～0.035%，淤泥初始質(zhì)量分數(shù)在18%～22%時，淤泥的脫水效果和速率都達到最佳值[10]。

武漢素有“百湖之市”的稱號，在武漢市環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃中，就明確指出要大力推進重點流域和湖泊的環(huán)境保護，巡司河的整治工作也位列其中[11]。巡司河位于武昌城區(qū)南端，是主城武昌東南地區(qū)的主要排水河道，由發(fā)源于武昌江夏區(qū)八分山北麓的數(shù)條溪流匯成，并流入湯遜湖，經(jīng)南湖武泰閘在鲇魚套匯入長江。全長16 km，匯水面積約460 km2。上游自河源到湯遜湖，沿途多低山丘陵，中游自湯遜湖西北端出口到武泰閘，地勢平緩，多農(nóng)田菜地，下游至河口。

巡司河水體的主要污染物質(zhì)是耗氧有機物(BOD)、揮發(fā)酚與氨態(tài)氮。在每年的6—11月為長江汛期，該期間武泰閘關(guān)閉，河水不能流動，河內(nèi)污染物質(zhì)便大量積累，在武泰閘關(guān)閘期間巡司河污染相當嚴重，屬4~5級水質(zhì)[12]。上覆水體的污染程度直接決定著下層淤泥的性質(zhì)。巡司河淤泥的有機物成分復雜，難降解性有機物毒性強，并且顆粒較細，比重較小，呈膠體狀態(tài)且黏度較大，流動性較差[13]。在淤泥中含量最多的是水，可達總質(zhì)量的80%～95%，在后續(xù)的淤泥處理過程中，由于淤泥的高含水率，嚴重制約了淤泥的處理與處置。因此只有先將淤泥的水分去除，縮小其體積，才有利于淤泥的后續(xù)處理，從而實現(xiàn)巡司河的綜合治理。

文中擬采用Ca(OH)2和PAM作為巡司河河道淤泥的脫水劑，重點研究淤泥在Ca(OH)2和PAM的作用下，清渾界面沉降速率、淤泥濃縮比和淤泥沉降指數(shù)與Ca(OH)2和PAM之間的關(guān)系。欲探索出制約高含水率淤泥脫水困難的根本原因，建立淤泥絮凝脫水效果和脫水過程控制的關(guān)系，復配出一種無機-有機復合絮凝脫水劑。用于城市河道淤泥脫水，解決目前無機脫水劑用量大、絮凝效果差，有機脫水劑成本高的問題，為典型的富含有機質(zhì)城市河道淤泥的脫水提供新的方法、技術(shù)及工藝路線。

1　試驗

1.1淤泥材料

試驗泥樣采自武漢市巡司河湖北工業(yè)大學路段 ， 采樣 點為 東經(jīng) 114°19'5.8116"、北緯30°29'20.99"，泥水分界層0～50 cm。為保證試驗底泥的一致性，集中一批采樣，采取底泥先用篩網(wǎng)將樹枝、石頭等雜質(zhì)去除，再將底泥密封保存在塑料桶中備用。

1.2Ca（OH）2與PAM的準備

Ca(OH)2準備：將Ca(OH)2在105℃下去水干燥24 h，再用硅缽將其研磨至過200目網(wǎng)篩，取篩下物為實驗用品。

PAM的準備：將PAM在105℃下去水干燥24 h，配置質(zhì)量分數(shù)為0.1%的PAM溶液，放置冰箱待用。

1.3主要儀器設(shè)備

試驗所用儀器設(shè)備有紫外可見分光光度計（752，中國）、粒度分析儀（MS2000，英國）、電子式數(shù)顯攪拌器（OS20-S，中國）、Zeta電位分析儀（SZP-10，德國）、黏度計（NDJ-8S，中國）以及六聯(lián)攪拌器（ZR4-6，中國）等。

1.4試驗方法

試驗在常溫下進行，為保證初始淤泥濃度一致，每次試驗前將備用淤泥用濾紙進行抽濾，抽濾后濾餅的含固率為44%左右。稱取一定量濾餅，置于500 mL燒杯中加水攪拌，配制成不同濃度的淤泥溶液，然后加入不同絮凝劑，并迅速置于攪拌機下攪拌。攪拌一定時間后迅速將混合液倒入500 mL塑料量筒中沉降實驗，每隔一段時間，記錄清渾分界面下降情況。

試驗淤泥的體積分數(shù)為5%～20%，Ca(OH)2和PAM投加量分別為1～11 g/L與0.01～0.06 g/L不等。

1.5檢測手段與方法

1）清渾界面下降速度：

式中：v為清渾界面下降速度，cm/min；t為混合液進行實驗的時間，min；H為清渾界面在t時間內(nèi)下降的高度，cm。

2）淤泥濃縮倍數(shù)。淤泥濃縮倍數(shù)是指混合液的質(zhì)量與沉降一定時間后底部淤泥的質(zhì)量之比。

式中：m1為500 mL淤泥混合液中水的質(zhì)量，g；m2為500 mL淤泥混合液中干淤泥的質(zhì)量，g；mt為500 mL淤泥混合液沉降t時間后，上清液的質(zhì)量，g。

3）淤泥沉降比。污泥沉降比又稱30 min沉降率，它是指混合液在量筒內(nèi)靜置30 min后沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率：

式中：SV30為淤泥沉降比，%；V1為混合液在500 mL量筒內(nèi)沉降30 min后，底部淤泥的體積，mL；V0為原混合液體積，500 mL；

2　結(jié)果與討論

2.1淤泥基本性質(zhì)

由于實驗所用淤泥長期處于水下，結(jié)構(gòu)較為松散，空隙比大，干燥后經(jīng)200目篩分，測其物化指標：pH為7～8，含固率為5%～10%，有機質(zhì)體積分數(shù)為4%～6%，電位為-11.7 mV，黏度為0.859 Pa·s。

淤泥原樣粒徑分布采用激光粒度分析儀進行測定，結(jié)果如圖1所示。該淤泥黏粒體積分數(shù)（<0.005 mm）為18.47%，粉粒顆粒（0.005～0.074 mm）為 58.05%，砂粒顆粒為（>0.074 mm）23.48%[14]。由圖1可知，實驗淤泥大部分顆粒集中在粒徑為0.005～0.074 mm。這說明實驗所用淤泥原樣顆粒較細小，含水率高，其粒徑分布更接近粉質(zhì)粘土[15]。

圖1　淤泥原樣顆粒級配曲線Fig.1　Grain-size distribution curves of the silt

2.2Ca（OH）2投加量對絮凝濃縮淤泥的影響

實驗選用淤泥的體積分數(shù)為10%，Ca(OH)2投加量從1 g/L到11 g/L不等，試驗結(jié)果如圖2所示。隨Ca(OH)2投加量的增加，淤泥清渾界面沉降速率和濃縮倍數(shù)逐漸增大；當Ca(OH)2投加量增加到5 g/L后，又逐漸下降，投加量為10 g/L時又取得與5 g/L投加量相近效果。一般而言，絮凝劑越多，其表面所帶的正（負）電荷就越多，當其被吸附到膠粒表面時，便中和與其電性相反的膠體顆粒，降低其電勢，逐漸使其處于脫穩(wěn)狀態(tài)，并利用吸附、網(wǎng)捕等作用將這些脫穩(wěn)顆粒聚集起來，達到絮凝濃縮的效果[10]。當絮凝劑投加過量會使已脫穩(wěn)膠體重新吸附帶電離子形成新的電荷平衡，使顆粒重新聚集，影響對膠體的絮凝濃縮。因此適量的絮凝劑可以促進淤泥的沉降，達到最佳的絮凝效果。

淤泥沉降比（SV30）隨著Ca(OH)2投加量的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的現(xiàn)象。一般來說，沉降比低的淤泥其泥水分離的效果會更好。綜上所述，Ca(OH)2投加量為5 g/L和10 g/L時均能取得最佳的效果。實驗中發(fā)現(xiàn)，當Ca(OH)2投加量達到10 g/L時，淤泥底部有大量Ca(OH)2粉末未能溶解，故后繼實驗按投加5 g/L Ca(OH)2進行淤泥脫水實驗。

圖2　Ca(OH)2投加量對絮凝濃縮淤泥的影響Fig.2　Effect of Ca(OH)2on flocculation-thickening

2.3淤泥濃度對Ca（OH）2絮凝濃縮淤泥的影響

Ca(OH)2投加量按5 g/L，淤泥體積分數(shù)分別選擇5%，10%，15%，20%，研究淤泥濃度對Ca(OH)2絮凝濃縮脫水的影響，結(jié)果如圖3所示。當淤泥體積分數(shù)為5%時，淤泥的沉降速率最快，前30 min清渾界面平均沉降速率為0.63 cm/min，70 min時清渾界面的平均沉降速率為0.29 cm/min。30 min 和70 min相應(yīng)的濃縮倍數(shù)達到3.96和5.10。從沉降比來看，當淤泥濃度達到15%后，其沉降比基本在80%，也就是絮凝沉降30 min，清渾界面幾乎沒有下降，對淤泥的脫水無明顯的影響。雖然淤泥體積分數(shù)5%時，清渾界面沉降速率快，但其含泥量很低，導致沉泥含水率相對較高，可達90%。

當淤泥濃度為5%時，即使沉降30 min，沉泥的質(zhì)量濃度也在8.5 mg/L左右，此時顆粒間進行的是自由沉淀，在沉淀過程中顆粒間互不碰撞，相互作用較小，呈單顆粒狀態(tài)，各自獨立的完成沉淀過程；當淤泥體積分數(shù)達到10%，開始沉降時懸浮物的濃度較低，主要進行自由沉降，隨著沉降的進行，30 min后，沉泥的質(zhì)量濃度可達88 mg/L，此時顆粒間進行的是絮凝沉淀，在沉淀過程中，顆粒之間由于相互碰撞產(chǎn)生絮凝作用，使得顆粒的粒徑和質(zhì)量逐漸增大，沉淀速度也不斷加快。隨著沉降的繼續(xù)進行，上層的顆粒不斷下降，并在重力的作用下擠壓下層的顆粒，此時的顆粒濃度越來越大，并開始伴隨區(qū)域沉降和壓縮沉降的進行，顆粒之間相互支撐和擠壓，下層顆粒的間隙水不斷的被擠出，使淤泥得到濃縮[16]。由此可見，淤泥原樣體積分數(shù)控制在10%左右相對較好。

圖3　淤泥濃度對Ca(OH)2絮凝濃縮淤泥的影響Fig.3　Effect of silt concentration on flocculation-thickening of Ca(OH)2

2.4PAM投加量對絮凝濃縮淤泥過程的影響

控制淤泥體積分數(shù)為10%，PAM投加量從0.01 g/L到0.06 g/L不等，試驗結(jié)果如圖4所示。隨PAM投加量的增加，淤泥清渾界面沉降速率和濃縮倍數(shù)逐漸增大；當PAM投加量從0.03 g/L增加到0.04 g/L時，淤泥清渾界面沉降速率和濃縮倍數(shù)發(fā)生顯著的增加，說明PAM投加量從0.03 g/L到0.04 g/L為絮凝濃縮淤泥的臨界點。當PAM投加量在0.04 g/L以下時，淤泥絮體形成的顆粒較小，隨著沉降的進行，顆粒粒徑逐漸的增大；當PAM投加量達到0.04g/L時，可以明顯地發(fā)現(xiàn)絮體的顆粒較大，結(jié)構(gòu)松散，形成較大的絮花。繼續(xù)增加PAM的投加量發(fā)現(xiàn)，剛開始時沉降速率和濃縮倍數(shù)繼續(xù)增加，且較之前的投加量（0.04 g/L）增加幅度更明顯，但是隨著沉降的進行，其效果逐漸恢復到投加量為0.04 g/L時的效果，甚至比0.04 g/L的效果更差。這可能是因為PAM達到最佳投加量時，其所帶正電荷將顆粒表面的負電荷中和，若繼續(xù)投加PAM，過量的正電荷會將顆粒重新包圍形成新的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，阻止絮凝作用的進行，影響絮凝濃縮淤泥的過程。因此適量的絮凝劑可以促進淤泥的沉降，達到最佳的絮凝效果[17]。

淤泥沉降比隨著PAM投加量的增加，呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象過程。一般來說，沉降比低的淤泥其泥水分離的效果會更好。綜上所述，PAM投加量為0.04 g/L時能取得最佳的效果。

圖4　PAM投加量對絮凝濃縮淤泥的影響Fig.4　Effect of PAM on flocculation-thickening

2.5Ca（OH）2和PAM投加量對絮凝濃縮淤泥過程的影響

控制淤泥的體積分數(shù)為10%，Ca(OH)2投加量為5 g/L，加入適當PAM作為助凝劑，探索淤泥濃縮脫水的變化。PAM按0～0.05 g/L比例進行投加，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，隨PAM投加量的增加，淤泥的沉降速率逐漸增大，濃縮倍數(shù)也逐漸增大，沉降比呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；當投加量達到0.04 g/L時，淤泥的沉降比達到最小值24.9%；隨著PAM投加量的繼續(xù)增加，沉降比反而開始上升，曲線開始變陡。說明在絮凝劑的投加量較少時，脫去的主要是表面吸附水、間隙水以及毛細結(jié)合水，隨著絮凝劑的不斷增加，內(nèi)部的結(jié)合水也開始逐漸的被脫離出來，但是當絮凝劑的投加量達到0.04 g/L以后，多余的絮凝劑就會反過來粘連周圍的絮體，使脫水變得更加困難，絮凝脫水的效果呈現(xiàn)下降的趨勢。

綜上所述，在Ca(OH)2的投加量為5 g/L時，PAM投加量為0.04 g/L效果較好。

圖5　Ca(OH)2和PAM對淤泥絮凝濃縮的影響Fig.5　Effect of Ca(OH)2and PAM on flocculation-thickening

2.6PAM的加入對Ca（OH）2絮凝濃縮淤泥的影響

Ca(OH)2和PAM最佳投加量分別控制為5 g/L 和0.04 g/L，分別投加Ca(OH)2，PAM，或Ca(OH)2+ PAM對淤泥進行濃縮脫水實驗，結(jié)果如圖6所示。當僅投加Ca(OH)2時，淤泥的沉降速率和濃縮倍數(shù)都比較低，且沉降比達到39%。將僅投加PAM與同時投加Ca(OH)2+PAM比較發(fā)現(xiàn)，兩者沉降速率差別不大，但僅有PAM作用時，20 min以內(nèi)，其濃縮倍數(shù)要比兩者共同作用時大；20 min后，PAM單獨作用時淤泥濃縮倍數(shù)趨于平緩，而Ca(OH)2+PAM共同作用時，其濃縮倍數(shù)持續(xù)增加，且明顯大于PAM單獨作用時的濃縮倍數(shù)。

一般來說，沉降比低的淤泥其泥水分離的效果更好，實驗發(fā)現(xiàn)，Ca(OH)2+PAM共同作用時，淤泥沉降比為最低，達到24.9%。

PAM的加入對Ca(OH)2絮凝濃縮淤泥有明顯的促進作用，分析原因可能是PAM的加入，使絮凝淤泥絮體逐漸結(jié)合成大的絮團，減少了顆粒之間的排斥作用，使形成的絮狀體更大，更容易沉降[18]。由圖6b可知，20 min后，經(jīng)Ca(OH)2+PAM作用的淤泥絮體進一步呈現(xiàn)壓縮沉降，而僅投加PAM的淤泥，其絮體壓縮沉降的效果明顯下降。70 min后，用Ca(OH)2，PAM和Ca(OH)2+PAM的淤泥體系其濃縮倍數(shù)分別為3.11，3.70和3.94，此時淤泥的體積僅為絮凝脫水前的30.75%，25.60%和23.90%。

圖6　PAM的加入對Ca(OH)2絮凝濃縮淤泥的影響Fig.6　Effect of PAM on flocculation-thickening of Ca(OH)2

3　結(jié)論

1）Ca(OH)2能夠有效地加速淤泥的絮凝沉降速率，其最佳的投加量為5 g/L。

2）PAM對淤泥的沉降有明顯的促進作用，其最佳的投加量為0.04 g/L。

3）PAM的添加對Ca(OH)2絮凝濃縮淤泥有促進作用，濃縮脫水70 min后，Ca(OH)2，PAM與Ca(OH)2+PAM濃縮脫水的淤泥體系其濃縮倍數(shù)分別為3.11，3.70和3.94，淤泥的體積可減少69.25%，74.4%和76.1%。

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Flocculation-thickening of Silt from Xunsi River in Wuhan

XIAO Qu1,PI Ke-wu1,CHEN Shu-yu2,WANG Hui-jun2
(1.School of Resources and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Hubei Province Key Laboratory for Ecological Restoration of Lakes and Utilization ofAlgae,Wuhan 430068,China)

Objective To study the variation of sedimentation rate,concentration ratio and sludge settling index of the suspension-water interface of silt from the Xunsi River in Wuhan under different dosages of Ca(OH)2and PAM.Methods Sedimentation test was carried out for silt from the Xunsi River in Wuhan.The dehydrating agent with optimum dehydration effect was found out through the test.Results The results showed that when the mass fraction was 10%,silt dehydration had the optimum effect with the dose ratio of Ca(OH)25 g/L and PAM 0.04 g/L.In the best situation,the sedimentation rate of the suspension-water interface could reach 3.7 cm/min,the concentration ratio 3.94,and the sludge settling index 24.9%. Conclusion Ca(OH)2and PAM can promote the dehydration of the silt.Silt has gone through four processes:free sedimentation, flocculation sedimentation,regional sedimentation and compression sedimentation under the combined effect of Ca(OH)2and PAM.

river silt;dehydration;flocculation sedimentation;suspension-water interface

2016-03-16；Revised：2016-04-23

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.030

TV851

A

1672-9242(2016)04-0185-07

2016-03-16；

2016-04-23

國家自然科學基金（51209190）；中國國家合作科技項目（2014DFE70070）；湖北省自然科學基金（2013CFB024）

Fund：National Natural Science Foundation(51209190);China's National Cooperation Project of Science and Technology(2014DFE70070); Natural Science Foundation of Hubei Province(2013CFB024)

肖曲（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向為城市河道淤泥的脫水。

Biography：XIAO Qu(1990—),Female,Master,Research focus:dehydration of silt from city river.