超聲波聯(lián)合化學(xué)調(diào)理改善疏浚底泥脫水性能的研究*

譚萬春 文 敏 段武華 彭詩夢(mèng) 王云波 聶小保 孫士權(quán)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

超聲波聯(lián)合化學(xué)調(diào)理改善疏浚底泥脫水性能的研究*

譚萬春1,2文 敏1#段武華1彭詩夢(mèng)1王云波1,2聶小保1,2孫士權(quán)1,2

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

以長(zhǎng)沙市圭塘河疏浚底泥為研究對(duì)象，分別采用聚合氯化鋁(PAC)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和超聲波改善疏浚底泥脫水性能。結(jié)果表明，單一PAC、CPAM對(duì)疏浚底泥脫水性能均有一定程度的改善作用，CPAM效果優(yōu)于PAC，經(jīng)兩種藥劑聯(lián)合化學(xué)調(diào)理后，疏浚底泥脫水性能進(jìn)一步改善，調(diào)理結(jié)束后疏浚底泥屬較易脫水污泥；超聲波聯(lián)合化學(xué)調(diào)理疏浚污泥時(shí)，宜先采用化學(xué)調(diào)理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)，再進(jìn)行超聲波調(diào)理(超聲頻率40 kHz，聲能密度0.8 W/mL，超聲時(shí)間20 s)，調(diào)理結(jié)束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，疏浚底泥脫水性能大大改善。疏浚底泥脫水性能與其微形態(tài)結(jié)構(gòu)相關(guān)，疏浚底泥二維分形維數(shù)越大、中值粒徑越大，其脫水與沉降性能越好。

疏浚底泥 絮凝調(diào)理 脫水性能 超聲波 分形維數(shù)

近年來，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，大量沒有經(jīng)過適當(dāng)處理的污廢水直接排入河湖，污染物經(jīng)過一系列物理生化作用后逐漸沉積在河湖底泥中，使河湖底泥變成營(yíng)養(yǎng)物、持久有機(jī)物及重金屬等污染物的聚集庫[1-2]。目前我國(guó)主要通過環(huán)保疏浚技術(shù)治理河湖內(nèi)源污染[3-4]，取得了較顯著的社會(huì)和環(huán)境效益，但同時(shí)也存在一些問題，其中疏浚底泥的脫水干化處理是環(huán)保疏浚中的一大難題。在脫水干化處理前，對(duì)疏浚底泥進(jìn)行快速有效的絮凝調(diào)理改善其脫水性能有利于提高疏浚底泥的后續(xù)處理效率[5]。

目前主要的污泥絮凝調(diào)理方法有化學(xué)法、物理法、生物法及聯(lián)合法，其中化學(xué)法和物理法應(yīng)用較為廣泛?；瘜W(xué)法使用的調(diào)理藥劑主要為有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)絮凝劑(鋁鹽和鐵鹽)以及部分表面活性劑，但絮凝劑本身成本較高，且化學(xué)藥劑調(diào)理投加量較大，易使污泥脫水性能急劇降低，同時(shí)產(chǎn)生二次污染[6-8]；物理法是指通過外加能量或應(yīng)力改變污泥性質(zhì)的方法，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的物理法有微波加熱和超聲波調(diào)理。早在1993年，國(guó)外出現(xiàn)有關(guān)應(yīng)用超聲波技術(shù)處理污泥的研究，發(fā)現(xiàn)超聲波能促進(jìn)絮凝過程[9-10]；此外，超聲波的空化效應(yīng)可以明顯改變水中液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)的特性[11]，超聲波產(chǎn)生的熱作用和海綿作用等能加快固液分離速度，從而提高污泥的脫水效果[12]，然而使用超聲波技術(shù)調(diào)理污泥的能耗較大。聯(lián)合法是用兩種及兩種以上技術(shù)組合調(diào)理，與單獨(dú)的化學(xué)法和物理法相比，聯(lián)合法能減少絮凝劑用量，另一方面可降低物理調(diào)理中的能耗，當(dāng)前已經(jīng)有超聲波與絮凝劑聯(lián)合調(diào)理污泥的相關(guān)研究[13-15]。本研究以長(zhǎng)沙市圭塘河疏浚底泥為研究對(duì)象，選用無機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、有機(jī)高分子絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和超聲波聯(lián)合調(diào)理疏浚底泥，探討各種方法對(duì)疏浚底泥脫水性能的改善效果，確定聯(lián)合法調(diào)理的可行性及最佳組合條件，為環(huán)保疏浚工程的實(shí)際操作提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

疏浚底泥：實(shí)驗(yàn)所用泥樣取自長(zhǎng)沙市圭塘河中段，取樣深度為上覆水體以下20 cm，該底泥樣品具備典型疏浚底泥的特征，含水率為96%；pH為6.90～7.05，比阻值為5.812×109s2/g；疏浚底泥上清液濁度為192.8 NTU，沉降比為92.5%，中值粒徑(d0.5)為9.97 μm，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，取樣后去除大顆粒雜質(zhì)，密封后在陰涼處保存待用。

藥劑：PAC聚合度≤10，中性度為3～5，堿化度70%～75%；CPAM分子量8×106～15×106。所有實(shí)驗(yàn)藥劑均采用分析純。

儀器：MS2000型激光粒度儀、WGZ-500B型濁度儀、KQ5200型超聲清洗器、BX51型攝像顯微鏡、202-2AB型電熱恒溫干燥箱、AUY120型電子天平、ZR4-6型六聯(lián)攪拌機(jī)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將化學(xué)調(diào)理藥劑分別配制成溶液態(tài)，其中PAC溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%，CPAM溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%；采用ZR4-6型六聯(lián)攪拌機(jī)進(jìn)行疏浚底泥調(diào)理實(shí)驗(yàn)，取100 mL疏浚底泥置于燒杯中，啟動(dòng)六聯(lián)攪拌機(jī)，并迅速投加一定量的調(diào)理劑溶液，在200 r/min下快速攪拌10 s，60 r/min慢速攪拌3 min，攪拌后靜置30 min，取樣進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)分析。

1.3 分析方法

疏浚底泥粒徑采用激光粒度儀在線測(cè)定；微觀形態(tài)采用攝像顯微鏡觀察；二維分形維數(shù)(D2)根據(jù)計(jì)盒維數(shù)計(jì)算經(jīng)圖像處理后的底泥絮體得到；比阻值采用真空抽濾法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

一般情況下，可以根據(jù)污泥比阻值表征其脫水性能，通常認(rèn)為比阻值在1.00×109～1.00×1010s2/g的污泥較難脫水，比阻值在0.50×109～1.00×109s2/g的污泥較易脫水，比阻值小于0.40×109s2/g的污泥容易脫水，即污泥比阻值越小，越容易脫水[16-17]。

2.1 單一藥劑調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

2.1.1 PAC調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

向6個(gè)裝有100 mL疏浚底泥的燒杯中投加不同體積的PAC溶液，使PAC投加量分別為1、2、3、4、5、6 g/L，考察PAC投加量對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 PAC投加量對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響Fig.1 Effect of PAC dosage on dewatering performance of dredging sediment

從圖1可以看出，當(dāng)PAC投加量從0 g/L增加到4 g/L時(shí)，疏浚底泥比阻值不斷下降，從5.81×109s2/g降至最低1.54×109s2/g，隨著PAC投加量的進(jìn)一步增加，疏浚底泥比阻值不再降低反而小幅上升，這可能是過量投加的藥劑本身會(huì)在一定程度上增加疏浚底泥干基成分，從而導(dǎo)致脫水后的減容效果降低。

2.1.2 CPAM對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

向6個(gè)裝有100 mL疏浚底泥的燒杯中加入不同體積的CPAM溶液，使CPAM的投加量分別為20、40、60、80、100、120 mg/L，考察CPAM投加量對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可見，疏浚底泥比阻值隨CPAM投加量的增加快速下降，當(dāng)CPAM投加量為100 mg/L時(shí)，疏浚底泥比阻值降至最低，為1.08×109s2/g，此時(shí)疏浚底泥脫水性能達(dá)到最佳，繼續(xù)增加CPAM投加量，疏浚底泥脫水性能沒有得到進(jìn)一步改善。這是由于CPAM主要依靠范德華力和氫鍵為疏浚底泥提供吸附位點(diǎn)，中和疏浚底泥膠體表面的負(fù)電荷，削弱膠體顆粒間排斥力，將大量間隙水釋放，從而改善疏浚底泥脫水性能[18]；CPAM投加量過高，則大量陽離子導(dǎo)致絮凝劑分子不能完全伸展，疏浚底泥膠體因正電荷排斥而重新脫穩(wěn)，反而不利于疏浚底泥脫水性能的改善[19-20]。

圖2 CPAM投加量對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響Fig.2 Effect of CPAM dosage on dewatering performance of dredging sediment

2.2 超聲波對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

采用40 kHz超聲波調(diào)理100 mL疏浚底泥，調(diào)節(jié)超聲波聲能密度分別為0.6、0.8、1.0、1.5 W/mL，超聲10、20、30、40、50 s時(shí)取樣測(cè)定比阻值，考察超聲條件對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可見，疏浚底泥的比阻值隨聲能密度的增大先降低后升高，當(dāng)聲能密度為0.8 W/mL時(shí)疏浚底泥比阻值最小，為3.74×109s2/g，與原疏浚底泥相比下降了35.6%。根據(jù)超聲波調(diào)理機(jī)制可知，隨著超聲波聲能密度的增大，其產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)不斷增強(qiáng)[21]，疏浚底泥細(xì)胞逐漸破解，膠體中的結(jié)合水不斷轉(zhuǎn)化為自由水，而超聲波的微絮凝作用會(huì)使破解的疏浚底泥重新聚集，并吸收能量促使底泥溫度上升，疏浚底泥黏性有所降低，脫水性能變好；當(dāng)超聲波聲能密度逐漸增大，過度的空化和機(jī)械作用反而會(huì)破壞底泥內(nèi)部的絮體結(jié)構(gòu)，使泥樣的粒徑減小，比表面積增大，從而具有更強(qiáng)的親水能力，脫水性能慢慢變差。此外，超聲時(shí)間對(duì)疏浚底泥比阻值也有較大影響，從圖3可以看出，在選定的聲能密度范圍內(nèi)，超聲時(shí)間在10～30 s時(shí)對(duì)疏浚底泥脫水性能改善效果較好，超聲時(shí)間大于30 s后，疏浚底泥比阻值反而增大。

圖3 超聲波調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響Fig.3 Effect of ultrasonic conditioning on the dewatering performance of dredging sediment

2.3 聯(lián)合調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

2.3.1 化學(xué)調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

化學(xué)調(diào)理是指采用CPAM、PAC兩種藥劑聯(lián)合調(diào)理疏浚底泥，分別以CPAM投加量、PAC投加量及投藥順序?yàn)橐蛩谹、B、C，以疏浚底泥比阻值作為考察底泥脫水性能的指標(biāo)，進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，結(jié)果見表2。

由表2可見， A、B、C的極差分別為0.31、0.11、0.25，說明各個(gè)因素對(duì)脫水性能效果的影響次序?yàn)锳>C>B。結(jié)合藥劑使用成本和疏浚底泥脫水性能改善效果，化學(xué)調(diào)理的最優(yōu)水平組合為A3B2C2，即CPAM 100 mg/L，PAC 3g/L，投藥順序?yàn)橄韧都覲AC后投加CPAM，在此條件下疏浚底泥比阻值為0.81×109s2/g，屬于較易脫水污泥，與單獨(dú)藥劑調(diào)理效果相比，兩種藥劑聯(lián)合調(diào)理使疏浚底泥脫水性能進(jìn)一步改善。先投加PAC后投加CPAM時(shí)脫水效果更優(yōu)，其原因可能是疏浚底泥中膠體顆粒大多帶負(fù)電，PAC投入后即在水中形成不同形態(tài)的水和絡(luò)合物吸附膠體顆粒，同時(shí)通過壓縮雙電層、電中和及羥基間的橋聯(lián)等作用使膠體脫穩(wěn)，隨后借助CPAM良好的架橋吸附作用使已經(jīng)脫穩(wěn)的膠體迅速形成較大絮體，達(dá)到固液分離的效果[22]；如果先投加CPAM，因CPAM投加量較少，其架橋吸附作用較弱，且CPAM的大分子結(jié)構(gòu)使疏浚底泥顆粒所形成的絮體結(jié)構(gòu)疏松，PAC的加入只中和了一部分電荷，壓縮雙電層作用很弱，使得底泥脫水性能降低。

表1 化學(xué)調(diào)理正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 化學(xué)調(diào)理正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 超聲波聯(lián)合化學(xué)調(diào)理對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響

(1) 調(diào)理順序?qū)κ杩５啄嗝撍阅艿挠绊?/p>

將化學(xué)調(diào)理(先投加3 g/L PAC慢速攪拌3 min后再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)與超聲波調(diào)理(頻率為40 kHz，聲能密度為0.8 W/mL，超聲時(shí)間為40 s)進(jìn)行組合聯(lián)合調(diào)理疏浚底泥。分別量取100 mL疏浚底泥樣品進(jìn)行聯(lián)合調(diào)理實(shí)驗(yàn)，第1組先進(jìn)行化學(xué)調(diào)理再進(jìn)行超聲波調(diào)理，第2組先進(jìn)行超聲波調(diào)理再進(jìn)行化學(xué)調(diào)理，考察調(diào)理順序?qū)κ杩５啄嗝撍阅艿挠绊?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聯(lián)合調(diào)理順序?qū)κ杩５啄嗝撍愿纳凭哂休^大影響，第1組疏浚污泥調(diào)理結(jié)束后比阻值降至0.63×109s2/g，屬于較易脫水污泥，第2組疏浚污泥調(diào)理結(jié)束后比阻值為1.65×109s2/g，屬于較難脫水污泥?？梢钥闯觯冗M(jìn)行化學(xué)調(diào)理時(shí)對(duì)疏浚污泥脫水性能改善效果最好，因?yàn)橄冗M(jìn)行超聲波調(diào)理時(shí)，超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)使底泥顆粒破碎成為更細(xì)小的顆粒，疏浚底泥變得非常黏稠，比表面積增大，化學(xué)調(diào)理劑提供的絮體長(zhǎng)鏈吸附空位不夠吸附更大表面的底泥顆粒，同時(shí)比表面積越大其吸水性能越強(qiáng)，結(jié)合水含量升高，底泥的脫水性能相對(duì)變差。

(2) 聯(lián)合調(diào)理時(shí)超聲時(shí)間對(duì)底泥脫水性能的影響

量取4份100 mL疏浚底泥，先進(jìn)行化學(xué)調(diào)理后再進(jìn)行超聲波調(diào)理，分別控制超聲時(shí)間為10、20、30、40 s，聯(lián)合調(diào)理結(jié)束后測(cè)定疏浚底泥比阻值，考察聯(lián)合調(diào)理時(shí)超聲時(shí)間對(duì)底泥脫水性能的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，聯(lián)合調(diào)理的超聲時(shí)間為20 s時(shí)比阻值降至最低，為0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，可見聯(lián)合調(diào)理大大改善了疏浚底泥的脫水性能。

圖4 聯(lián)合調(diào)理時(shí)超聲時(shí)間對(duì)脫水性能的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the dewatering performance during combined conditioning

2.4 D2、d0.5與脫水性能的關(guān)系

2.4.1 PAC、CPAM調(diào)理對(duì)D2、d0.5的影響

一般情況下，D2越大，絮體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，則顆粒粒徑也越大，顆粒絮凝效果越好，底泥脫水效果越好。圖5、圖6分別為PAC、CPAM在不同投加量時(shí)對(duì)疏浚底泥d0.5、D2的影響?？梢钥闯?，當(dāng)PAC投加量為4 g/L時(shí)，疏浚底泥d0.5、D2最大，分別為15.71 μm、1.69；當(dāng)CPAM投加量為100 mg/L時(shí)，疏浚底泥中d0.5、D2最大，分別為25.16 μm、1.81。

圖5 PAC投加量對(duì)疏浚底泥D2、d0.5的影響Fig.5 Effect of PAC dosage on D2 and d0.5 of dredging sediment

圖6 CPAM投加量對(duì)疏浚底泥D2、d0.5的影響Fig.6 Effect of CPAM dosage on D2 and d0.5 of dredging sediment

2.4.2 疏浚底泥沉降性能、脫水性能與d0.5、D2的關(guān)系

疏浚底泥比阻值、沉降比與D2的關(guān)系見圖7。由圖7可見，疏浚底泥沉降性能和脫水性能與D2均呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，疏浚底泥沉降比隨D2增大而不斷降低；D2≤1.70時(shí)，疏浚底泥比阻值變化不明顯，D2>1.7時(shí)比阻值快速下降，當(dāng)D2>1.8時(shí)，比阻值低于1.0×109s2/g。疏浚底泥沉降比、比阻值與D2的擬合結(jié)果見式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：SV為疏浚底泥沉降比，%；SRF為疏浚底泥的比阻值，109s2/g。

圖7 D2變化對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響Fig.7 Effects of D2 variation on the dewatering performance of sludge

疏浚底泥d0.5與比阻值、沉降比的關(guān)系見圖8。疏浚污泥沉降比、比阻值也隨d0.5增大整體表現(xiàn)減小的趨勢(shì)，疏浚底泥沉降比、比阻值與d0.5的擬合結(jié)果如下：

SV=-0.130d0.52+2.245d0.5+73.469
R2=0.906 4

(3)

SRF=-0.003d0.52+0.035d0.5+2.11
R2=0.717 9

(4)

圖8 d0.5變化對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響Fig.8 Effects of d0.5 variation on the dewatering performance of sludge

由式(1)至式(4)可見，疏浚底泥沉降比、比阻值與D2、d0.5相關(guān)系數(shù)均較高，說明疏浚底泥脫水性能與其形態(tài)結(jié)構(gòu)存在明顯的相關(guān)性，D2、d0.5越大，說明疏浚底泥的脫水與沉降性能越好。

3 結(jié) 論

(1) 采用投加PAC、CPAM及超聲波3種方式單獨(dú)調(diào)理疏浚底泥，3種方式均能在一定程度上改善底泥脫水性能，CPAM最佳投加量為100 mg/L，調(diào)理后疏浚底泥比阻值降至1.08×109s2/g，接近較易脫水污泥；PAC最佳投加量為4 g/L，調(diào)理后疏浚底泥比阻值為1.58×109s2/g；超聲波輻射時(shí)最佳的聲能密度為0.8 W/mL，超聲時(shí)間宜在10～30 s。

(2) PAC、CPAM聯(lián)合化學(xué)調(diào)理的正交實(shí)驗(yàn)表明，最佳化學(xué)調(diào)理?xiàng)l件為CPAM 100 mg/L，PAC 3 g/L，投藥順序?yàn)橄韧都覲AC后投加CPAM，在此條件下疏浚底泥脫水性能進(jìn)一步改善，屬于較易脫水污泥；超聲波聯(lián)合化學(xué)調(diào)理疏浚污泥時(shí)，宜先采用化學(xué)調(diào)理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)，再進(jìn)行超聲波調(diào)理(超聲頻率40 kHz，聲能密度0.8 W/mL，超聲時(shí)間20 s)，調(diào)理結(jié)束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，疏浚底泥脫水性能大大改善。

(3) 底泥脫水性能與形態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，D2、d0.5越大，疏浚底泥的脫水與沉降性能越好。

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Studyontheimprovementofdredgedsedimentdewateringperformanceunderultrasoniccombinedchemicalconditioning

TANWanchun1,2，WENMin1，DUANWuhua1，PENGShimeng1，WANGYunbo1,2，NIEXiaobao1,2，SUNShiquan1,2.

(1.SchoolofHydraulicEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，ChangshaHunan410114；2.KeyLaboratoryofWater-SedimentSciencesandWaterDisasterPreventionofHunanProvince，ChangshaHunan410114)

Taking the sediment of Guitang River dredged from Changsha City as the research object,the single polymerized aluminum chloride (PAC),cationic polyacrylamide (CPAM),ultrasonic and their combination were used to improve the dewatering performance of the dredged sediment. The results showed that both single PAC and CPAM could improve the dewatering performance of dredged sediment to a certain degree,and the CPAM effect was better than that of PAC. The dewatering performance of dredged sediment was further improved by the combination of two chemical agents,and the dredged sediment belonged to easier to dewatered sludge after combination conditioning. Applying combination conditioning of ultrasonic with chemical conditioning to treat dredged sludge,the chemical conditioning (adding 3 g/L PAC first and then adding 100 mg/L CPAM and stirring for 30 min) should be adopted before ultrasonic treatment (ultrasonic frequency 40 kHz,acoustic energy density 0.8 W/mL,ultrasonic time 20 s). The specific resistance of dredged sediment dropped to 0.38 ×109s2/g after conditioning,the dewatering performance was greatly improved. The dewatering performance of dredged sediment was related to its micromorphological structure. The specific resistance and sedimentation performance of dredged sediment increased with the increase of fractal dimension and median diameter.

dredging sediment； flocculation conditioning； dewatering performance； ultrasonic； fractal dimension

譚萬春，男，1975年生，博士，副教授，主要從事水環(huán)境污染治理理論與技術(shù)研究。#

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51309032、No.51408068)；湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.16A009)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.006

2017-05-04)