鈣基聚合硫酸鐵添加對(duì)河道底泥電滲脫水的影響

李明珠，楊 楠，肖 航, 張會(huì)琴,2，劉德富,2，皮科武,2

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068; 2 河湖生態(tài)修復(fù)與藻類利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

隨著城市快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，城市河道水體污染日趨嚴(yán)重，其污染一方面來(lái)自外源污染，另一方面則來(lái)自于河道底泥污染物緩慢釋放形成的內(nèi)源污染，因此對(duì)城市河道底泥的治理成為河道整治工作的重中之重，也是確保河道環(huán)境持續(xù)穩(wěn)定的根本[1]。由于河道底泥存在“二高一低”(高含水率、高壓縮性、低滲透性)的普遍問(wèn)題，對(duì)其處理帶來(lái)了極大的困難，如何降低其含水率，減少其堆放體積與所需堆放場(chǎng)所是首要問(wèn)題。

電滲透脫水是一種有效的脫水技術(shù)，其率先應(yīng)用于吹填土固結(jié)[2]、海相軟粘土排水固結(jié)[3]等方面，后被應(yīng)用于低滲透系數(shù)土質(zhì)的工程排水及市政污泥的深度脫水[4-5]。然而，電滲透用于底泥的深度脫水普遍存在能耗高、脫水時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題[6]。如何通過(guò)前期調(diào)理改善底泥的物化性質(zhì)，縮短疏浚底泥脫水時(shí)間，并降低其能耗值得深入研究。

筆者利用自行研制的鈣基聚合硫酸鐵，以改善底泥顆粒的性質(zhì)，探索其強(qiáng)化底泥電滲脫水性能的規(guī)律，以此提高河道底泥的電滲脫水速度，縮短脫水時(shí)間，降低脫水能耗。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1CaPFS的制備在本實(shí)驗(yàn)室前期研究的基礎(chǔ)上[7]，通過(guò)過(guò)氧化氫氧化法制備出聚合硫酸鐵，然后加入一定量的氯化鈣粉末，控制實(shí)驗(yàn)溫度共聚反應(yīng)4 h，即制得鈣基聚合硫酸鐵(CaPFS) 液態(tài)產(chǎn)品，對(duì)CaPFS通過(guò)真空干燥即獲得固態(tài)產(chǎn)品，研磨到所需粒徑即為CaPFS粉末，備用。

1.1.2 河道底泥樣品實(shí)驗(yàn)所用底泥取自湖北省武漢市洪山區(qū)巡司河河道，北緯N30°29′8.14″ 東經(jīng)E114°18′21.46″。為保證試驗(yàn)底泥一致性，一批采樣500～1000 kg，先用10目網(wǎng)篩將樹(shù)枝、石頭等雜質(zhì)去除，而后充分?jǐn)嚢杈鶆騻溆?。預(yù)處理后底泥的相關(guān)理化指標(biāo)如表1所示。

表1 本實(shí)驗(yàn)所用底泥的理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

電滲脫水：在實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上[8]，選擇河道底泥電滲脫水最佳電壓為10 V，取1.1.2所備含水率68.0%的底泥100 g，加入1.1.1制備的CaPFS，再將底泥盛置于自制的電滲脫水裝置，此時(shí)底泥厚度約為2 cm。接通電源，調(diào)節(jié)輸出電壓10 V，并在脫水裝置底端用容器接納電滲出水、稱重，即構(gòu)成電滲脫水實(shí)驗(yàn)。待連續(xù)電滲5 min內(nèi)出水低于1 g，即為電滲脫水終點(diǎn)，停止實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)。

非電滲脫水：過(guò)程同上述電滲脫水，但無(wú)需接通電源，即電壓為0。

CaPFS投加量：設(shè)定CaPFS投加量在0～3.0 gFe/kgDS不等，即按1 kg脫水底泥干基(DS)投加的CaPFS 中全Fe的量來(lái)計(jì)算。

1.3 分析與計(jì)算

1)含水率(WC)：指淤泥中水分所占的比例

式中：DSC 為污泥含固率,%；S1表示空蒸發(fā)皿質(zhì)量,g；S2表示蒸發(fā)皿和濕樣質(zhì)量,g；S3表示蒸發(fā)皿和烘干樣質(zhì)量,g。

2)脫水能耗(EC)：指達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)所消耗的累計(jì)能耗

式中：EC為能耗,kWh或Wh；U為電壓,V；I為電流,A；t為脫水時(shí)間,min。

3)脫水能效(EEC)：脫除1 kg水所消耗的電能，單位kWh/kg濾液

式中：EDC為脫水能效,kWh/kg濾液；mf為濾液質(zhì)量,kg；U、I與t同式(2)。

4)脫水效率(DE)：脫除水的質(zhì)量占底泥中總水質(zhì)量的百分比

式中:mf為濾液質(zhì)量,g；msw為原底泥中水的質(zhì)量,g。

5)電極電流密度(ECD)：電極單位面積所通過(guò)的電流

式中:ECD為電極電流密度,A/ m2；I為通過(guò)電極的電流大小,A，S為電極表面積,m2，本實(shí)驗(yàn)有效電極面積為0.0031 m2。

6)其它指標(biāo)：水樣和泥樣pH采用pH儀(PHS-3C，中國(guó))，粒徑采用激光粒度儀(Mastersizer 2000，英國(guó))進(jìn)行測(cè)定，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀(DDS-307，中國(guó))及泥餅溫度采用探針土壤測(cè)溫儀(CEM DT-131，中國(guó))進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 CaPFS最適投加量的確定

圖 1為不同投加量下的泥餅含水率和脫水效率的變化情況。隨著時(shí)間的變化脫水效率呈現(xiàn)先快速上升然后達(dá)到極限平衡的趨勢(shì)。原因是在電滲透過(guò)程中隨著水分的脫除，上層泥餅逐漸干化，引起電阻增大，導(dǎo)致脫水效率逐漸變慢最終達(dá)到脫水極限。

圖1 CaPFS投加量對(duì)底泥含水率與脫水效率的影響

如圖1所示，對(duì)原泥直接電滲脫水時(shí)，電滲脫水70 min即可達(dá)到終點(diǎn)，此時(shí)泥含水率61.3±0.9%，脫水效率為25.4±2.9%。逐漸增加CaPFS 投加量到0.5 gFe/kgDS時(shí)，電滲脫水后底泥含水率在58.1±0.4%，脫水效率可達(dá)34.9±0.1%。進(jìn)一步加大CaPFS 投加量到3.0 gFe/kgDS時(shí)，電滲脫水后底泥含水率和脫水效果均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此，CaPFS強(qiáng)化電滲脫水時(shí)，并非其投加量越多越好。分析認(rèn)為投入泥中電解質(zhì)逐漸增加，系陽(yáng)離子攜帶水分向陰極運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)所致[10]。由圖1可知，對(duì)含水率68%的河道底泥采用電滲脫水時(shí)，控制CaPFS投加量在0.5 gFe/kgDS及以下較為合適。對(duì)圖1所示CaPFS投加量與底泥含水率及脫水效率進(jìn)行分析，分別可得到如下關(guān)系，如式(1)和(2)所示。

底泥最終含水率

(1)

底泥脫水效率

(2)

式中：WC(x)為底泥最終含水率,%；x為CaPFS投加量,gFe/kgDS；DE(x)為電滲脫水效率,%。

2.2 對(duì)電滲出水pH的影響

底泥在電場(chǎng)作用下，底泥顆粒間游離水及其陽(yáng)離子不僅可隨電場(chǎng)向陰極移動(dòng)，同時(shí)由于施加的電壓超過(guò)了電極溶出電壓，使陽(yáng)極溶出腐蝕及顆粒間游離水發(fā)生電解，導(dǎo)致電滲出水pH發(fā)生改變，其脫水效率也隨之變化，如圖2所示。

圖2 出水pH與底泥脫水效率隨CaPFS投加量的變化

電滲出水pH隨CaPFS投加量增加而逐漸上升，當(dāng)CaPFS投加量為0.4 gFe/kgDS時(shí)，水樣pH上升到10.8，而后下降到9.6(CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS)。在電場(chǎng)力的作用下，除了電泳和電遷移迫使水分子向陰極移動(dòng)外，也會(huì)發(fā)生水的電解，陰極產(chǎn)生的部分OH-會(huì)被電滲出水帶出，導(dǎo)致濾液pH增加[11]。

2.3 對(duì)電滲出水電導(dǎo)率的影響

電滲透脫水速率主要由底泥的Zeta電位及所施加的電流密度等因素決定[12]，而底泥電導(dǎo)率對(duì)其Zeta電位以及電滲透脫水過(guò)程中的電極電流密度具有一定影響，因此必然會(huì)對(duì)底泥的電滲透脫水效果產(chǎn)生作用，如圖3所示。

圖3 不同投加量下電滲出水電導(dǎo)率、電極電流密度與脫水效率的變化

CaPFS的添加明顯提高了出水電導(dǎo)率，而當(dāng)CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS時(shí)，電導(dǎo)率下降，其原因是此時(shí)電滲脫水效率下降導(dǎo)致水分子攜帶離子的能力減弱[13]。電導(dǎo)率與電滲脫水效率呈現(xiàn)相似的變化，當(dāng)CaPFS投加量逐漸增加，CaPFS離解產(chǎn)生更多的帶電離子壓縮底泥雙電層，促使脫水效率增加；而當(dāng)CaPFS投加量過(guò)多，在電場(chǎng)作用下，膠粒表面電荷會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，造成膠體重新穩(wěn)定，降低絮凝效果。吸附架橋理論指出，只有在絮凝劑投加量適當(dāng)時(shí)，即膠體粒子部分表面被覆蓋才能在微粒間產(chǎn)生有效的吸附架橋作用，并獲得最佳絮凝效果。原泥聚集成團(tuán)，表面吸附性強(qiáng)，其內(nèi)包裹水分難于脫除，添加一定量的CaPFS后，泥團(tuán)絮體成團(tuán)現(xiàn)象得以緩解，結(jié)構(gòu)松散成塊，降低了顆粒對(duì)吸附水和結(jié)合水的持有能力，利于脫水，如圖4所示。

圖4 CaPFS的添加對(duì)底泥顆粒絮團(tuán)形態(tài)變化的影響

2.4 對(duì)電滲脫水能耗的影響

電滲脫水過(guò)程當(dāng)中能耗的影響如圖5所示。同一含固率時(shí)，隨CaPFS投加量增加，能耗先呈現(xiàn)下降而后上升。如當(dāng)含固率為38%，未投加CaPFS時(shí)，能耗為1.07 Wh，0.1 gFe/kgDS的投加量時(shí)，對(duì)應(yīng)能耗為0.95 Wh，而0.6 gFe/kgDS的投加量時(shí)，能耗達(dá)到1.45 Wh。

圖5 電滲脫水累計(jì)能耗隨底泥含固率的變化

CaPFS的投加在一定程度上會(huì)降低脫水終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的底泥含水率(即固含率增加)(圖6)，如未投加CaPFS時(shí)，脫水終點(diǎn)時(shí)底泥含水率為61%，施加0.5 gFe/kgDS的投加量時(shí)，則脫水終點(diǎn)底泥對(duì)應(yīng)含水率為58%，因此，CaPFS的加入可提高底泥脫水效率，降低最終底泥的含水率。

圖6 投加量對(duì)底泥最終含水率、電滲脫水能效與電導(dǎo)率的影響

底泥電滲透脫水過(guò)程不僅僅是粒子間歇水的滲出，更是水中陰陽(yáng)離子的電遷移、膠體粒子及絮團(tuán)電泳，同時(shí)也包含電極溶出及水的電解過(guò)程[14]。CaPFS投加對(duì)泥餅含水率、出水電導(dǎo)率及脫水能效的影響可分為以下三個(gè)階段：

第一階段，高能效高含水率(CaPFS投加量<0.3 gFe/kgDS)：加入泥樣電解質(zhì)較少，泥樣電導(dǎo)率低，因而電滲電流較低，能耗相對(duì)較低，電滲出水較少，因此最終泥餅含水率高，但脫水能效高。此階段以電泳為主。

第二階段，低能效低含水率(CaPFS投加量0.3～0.5 gFe/kgDS)，泥樣中Ca2+、Fe2+、Fe3+及SO42-等增加，電極電流增加，用于離子電遷移的電耗增加相對(duì)較少，而耗于電泳和電滲的電能必然增加，因此電滲出水增多，含水率達(dá)到最低，但增加電耗，因此脫水能效達(dá)到最低。此階段以電滲脫水為主。

第三階段，電位反向階段(CaPFS投加量>0.5 gFe/kgDS)，進(jìn)一步增加CaPFS投加量，在電滲脫水條件下，底泥顆粒電位反向抑制顆粒間歇水滲出，泥餅最終含水率增加，出水電導(dǎo)率下降。此階段以電遷移為主。

因此，脫水能效和含水率整體呈現(xiàn)“∪”型，而電導(dǎo)率呈現(xiàn)“∩”型。

2.5 泥餅溫度隨電滲脫水的變化

由于電流通過(guò)泥餅，電滲透脫水過(guò)程中部分電能以熱量的形式散出，且泥餅溫度與電極電流大小有一定的關(guān)系,如圖7所示。

圖7 CaPFS投加量對(duì)泥餅溫度隨電滲時(shí)間變化的影響

未添加CaPFS的底泥達(dá)到脫水終點(diǎn)的最高溫度為 18 ℃左右，而添加了CaPFS的底泥脫水時(shí)泥餅的最高溫度可達(dá) 21℃，溫度變化趨勢(shì)整體隨CaPFS投加量的增加而上升。由于溫度升高利于降低泥樣的粘度，電滲透脫水將朝有利的方向發(fā)展，但溫度升高也是電能釋放的一種形式，增加了脫水總能耗，導(dǎo)致脫水能效降低。

2.6 CaPFS投加量對(duì)粒徑的影響

CaPFS的投加改變底泥顆粒表面與粒子間膠體電性，利于顆粒膠體雙電層的壓縮，顆粒間歇水易于滲出。顆粒重新聚集為較大顆粒，形成利于水分子滲出的粒子間通道；而過(guò)量添加CaPFS，促使底泥顆粒呈現(xiàn)反向電性，顆?；揪S持單個(gè)或低聚合狀態(tài)，粒子間不易形成滲水通道，泥樣水分難于脫除。不同CaPFS投加量對(duì)粒徑的影響如表2所示。

當(dāng)CaPFS投加量為0.1與0.3 gFe/kgDS時(shí)，D50為12.64±0.18 μm和11.26±0.10 μm ，略大于未投加藥劑的D50為10.98±0.10 μm，但隨著投加量的增加，當(dāng)投加量為0.5 gFe/kgDS與0.6 gFe/kgDS時(shí)，D50為10.65±0.09 μm和10.70±0.06 μm，略低于原泥的D50；同時(shí)，觀察表2可以得出D90隨CaPFS投加量變化先增大后減小的規(guī)律。在無(wú)機(jī)絮凝劑絮凝過(guò)程中，污泥粒徑由兩個(gè)過(guò)程共同決定：首先，污泥顆粒由于橋接和電性中和、沉淀網(wǎng)捕而迅速聚集成大的絮凝物，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，由壓縮雙電層引起的聚集體水分剝離，絮凝物尺寸逐漸減小。隨后，當(dāng)聚集速率與斷裂速率達(dá)到平衡時(shí)，絮體粒徑達(dá)到穩(wěn)定。因此，絮凝劑使粒徑減小是由于絮體斷裂速率大于聚集速率所致。同時(shí)，顆粒粒徑并非越小越好，粒徑過(guò)小將增加底泥脫水的阻力，合適顆粒粒徑組成的底泥能脫除更多的水分[12]，所以當(dāng)CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS時(shí)，脫水效率出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

表2 底泥粒徑隨CaPFS投加量增加的分布變化

3 結(jié)論

1)當(dāng)CaPFS投加量在0.3～0.5 gFe/kgDS時(shí)，可獲得含水率為58.6±0.39%脫水底泥，此時(shí)脫出水pH為10.6±0.27，電導(dǎo)率為728.1±7.46 μs/cm，脫水能效為0.07±0.01 kWh/kg濾液。

2)CaPFS調(diào)理河道底泥電滲脫水過(guò)程可隨CaPFS投加量的變化分為三個(gè)階段，第一階段以電泳為主，第二階段以電滲脫水為主，第三階段以電遷移為主，三階段內(nèi)脫水能效和含水率整體呈現(xiàn)“∪”型，而電導(dǎo)率呈現(xiàn)“∩”型。

3)河道底泥添加適當(dāng)?shù)拟}基聚合硫酸鐵(CaPFS)可提高其電滲脫水效果，當(dāng)CaPFS投加量為0.5 gFe/kgDS時(shí)，底泥絮體結(jié)構(gòu)由松散塊狀變?yōu)槊芗瘓F(tuán)狀，有效降低了顆粒間結(jié)合水；當(dāng)CaPFS投加量增加到0.6 gFe/kgDS時(shí)，D50和D90進(jìn)一步減小，細(xì)小顆粒增加了底泥脫水的阻力，導(dǎo)致脫水效率下降。