CaPFS調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)河道底泥電滲脫水的影響

陳宇涵，楊 楠，方 靜，劉述澤，皮科武,2

(1. 湖北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，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，武漢 430068)

前 言

近年來(lái)，疏浚底泥的干化與生態(tài)處置成為了河湖生態(tài)治理的關(guān)注重點(diǎn)[1]。板框壓濾、帶式脫水和離心脫水相繼應(yīng)用于工程實(shí)際[2-3]；一些新興技術(shù)，如電滲脫水、超聲波脫水在某些場(chǎng)合也得到了應(yīng)用[4]。由于電滲脫水能脫除淤污泥顆粒間自由水及少部分間隙水，因而被備受關(guān)注[5]。當(dāng)在含飽和水的粘土中插入電極，施加一定的電壓，粘土顆粒及陰離子在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極移動(dòng)；帶有極性的水分子會(huì)向陰極流動(dòng)并脫離底泥顆粒，實(shí)現(xiàn)電滲脫水[5]。當(dāng)然也有加入高分子絮凝劑，利用其網(wǎng)捕和卷掃的能力降低污泥比阻，提高污泥脫水性能[6-7]。然而，電滲技術(shù)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[8]。為此，有學(xué)者通過(guò)摻混土壤[9]或利用纖維構(gòu)建脫水通道[10]，強(qiáng)化污泥脫水性能，提高電滲脫水效率。所以，能否通過(guò)預(yù)調(diào)理改善底泥的物化性質(zhì)，縮短底泥后繼脫水時(shí)間，并降低其脫水能耗值得深入研究。

本文以武漢市某河道疏浚底泥為對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)室前期合成的鈣基聚合硫酸鐵(CaPFS)對(duì)其進(jìn)行調(diào)理后進(jìn)行電滲脫水。調(diào)理后通過(guò)一定時(shí)間的反應(yīng)、而后采用20V的垂直電場(chǎng)進(jìn)行脫水，以此探索調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)底泥電滲脫水性能的影響及規(guī)律，以提高底泥的電滲脫水速率，縮短電滲脫水時(shí)間，降低底泥脫水成本。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 CaPFS制備

據(jù)本課題組前期研究，采用過(guò)氧化氫氧化法制備聚合硫酸鐵，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)4h，即制得鈣基聚合硫酸鐵( Calcium-based Polyferric Sulfate，CaPFS) 液態(tài)產(chǎn)品[11-12]。液態(tài)CaPFS呈紅褐色、全鐵含量為21%～22%、pH值2.35～2.38、鹽基度13.6%～14.4%、相對(duì)密度為2.38～2.45g/cm3。真空干燥液態(tài)CaPFS，而后研磨過(guò)100目篩，即得CaPFS固態(tài)產(chǎn)品，備用。固態(tài)CaPFS為紅褐色粉末、易受潮。

1.1.2 底泥及性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用底泥取自武漢市洪山區(qū)某河，取泥點(diǎn)為北緯30°29′8.14″、東經(jīng)114°18′21.46″。為保證試驗(yàn)用泥一致性，一批采樣500～1 000kg，先用10目網(wǎng)篩將樹枝、石頭、塑料等雜質(zhì)去除，而后充分?jǐn)嚢?0min，再將其常溫、密封保存在塑料桶中。上述處理后底泥部分理化指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用底泥基本性質(zhì)Tab.1 Properties of the sediment used in the experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。脫水反應(yīng)器主體為有機(jī)玻璃圓柱(ф=6.5 cm，H=15cm)，采用石墨圓盤電極為陽(yáng)極、不銹鋼篩網(wǎng)(ф1.0 mm)為陰極，通過(guò)導(dǎo)線與直流電源(TPR3005-2D, 0-60V，0-5A，中國(guó))連接，滲出水用玻璃杯盛裝，通過(guò)電子天平稱重，電化學(xué)參數(shù)采用多功能測(cè)定表(杭州瑞東，中國(guó))進(jìn)行記錄。

圖1 電滲脫水實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for electro-dewatering

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.2.1 在1.1.2所獲底泥基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)含水率至68%±0.5%，并按文獻(xiàn)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[11]，按0.5 gFe/kgDS(Dry solids, DS)控制量加入1.1.1制備的CaPFS，攪拌均勻。

1.2.2.2 秤取上述調(diào)理后的底泥150 g裝入上述圖1所示脫水反應(yīng)器，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)因素設(shè)置反應(yīng)時(shí)間1 h、3 h、5 h、10 h、15 h。

1.2.2.3 待反應(yīng)時(shí)間結(jié)束后，接通電源開始電滲脫水(據(jù)課題組前期研究，槽電壓直接選擇20 V[7])。記錄濾液質(zhì)量、電極電流、泥餅電阻、逐時(shí)耗電量和瞬時(shí)電壓(V)，剛開始每1min記錄1次，10min后每5 min記錄1次上述參數(shù)，當(dāng)相鄰兩次濾液產(chǎn)生量連續(xù)3次小于0.5 g時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)，此時(shí)即為脫水終點(diǎn)[7]。

上述不同調(diào)理反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)重復(fù)3～5次，最終以均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)。

1.3 分析與計(jì)算

1.3.1 含水率(WC，wt%)：指淤泥中水分所占的比例[7, 13]。

(1)

其中，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)。

1.3.2 脫水能耗(EEC, kWh/t濾液)：指達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)脫除單位質(zhì)量的水所消耗的電能。

(2)

式中，EEC表示脫水能耗 (kWh/t濾液)；U表示槽電壓(V)；I表示電流(A)；t表示脫水時(shí)間(min)；mf表示濾液質(zhì)量(t)。

1.3.3 脫水速率或?yàn)V液產(chǎn)生速率(DR, g/min)：?jiǎn)挝粫r(shí)間所收集的濾液量或從底泥中脫除水的質(zhì)量[7-8]。

(3)

式中，DR為脫水速率或?yàn)V液產(chǎn)生速率(g/min)；mf為濾液質(zhì)量(g)；t為脫水時(shí)間(min)。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫水速率的影響

每個(gè)樣取150g底泥，按0.5 gFe/kgDS控制量加入CaPFS進(jìn)行化學(xué)調(diào)理。攪拌結(jié)束后，裝入圖1所示反應(yīng)器。待靜置反應(yīng)1 h、3 h、5 h、10 h及15 h時(shí)，分別對(duì)不同樣品采用20V電壓進(jìn)行電滲脫水，收集脫出水量。圖2表示收集到的濾液量與靜置反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，圖3則為脫水速率及達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)間隨靜置反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。

圖2 收集濾液量隨電滲脫水時(shí)間的變化Fig.2 Variation of the filtrate amount with the electrodewatering time

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)脫水速率及達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)刻的影響Fig.3 The effect of reaction time on the dewatering rate and time of reaching the end-point of dehydration

圖2顯示隨著調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的增加，相同脫水時(shí)間內(nèi)從底泥脫除出水的量先快速增加然后趨于平緩，1～5 h的調(diào)理反應(yīng)時(shí)間在脫水前40 min內(nèi)的增加趨勢(shì)基本一致，10～15 h調(diào)理時(shí)間在前5 min的脫水量明顯高于1～5 h對(duì)應(yīng)調(diào)理時(shí)間的。圖3所示濾液產(chǎn)生速率與達(dá)到終點(diǎn)脫水時(shí)間隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的變化表明：實(shí)驗(yàn)前5 min，調(diào)理反應(yīng)10～15 h的濾液產(chǎn)生速率達(dá)到最大，而調(diào)理反應(yīng)1 h的底泥其濾液產(chǎn)生量最為緩慢。但在10 min后調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)濾液產(chǎn)生速率影響不是很大。隨著電滲脫水的進(jìn)行，呈現(xiàn)的達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)刻也有所差異，調(diào)理反應(yīng)15 h的底泥其時(shí)刻為65±3 min，而調(diào)理反應(yīng)1h的底泥則為90±9 min。

按達(dá)到終點(diǎn)脫水時(shí)刻對(duì)應(yīng)的平均脫水速率計(jì)算，隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的增加，其平均脫水速率是增加的，從調(diào)理反應(yīng)1h對(duì)應(yīng)的0.33±0.07 g/min增加到15 h對(duì)應(yīng)的0.40±0.06 g/min。分析認(rèn)為：調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)促進(jìn)所添加的CaPFS中有效成分與底顆粒表面的更好結(jié)合，壓縮了顆粒表面雙電層，減少了自由水與顆粒表層的粘附，致使顆粒間自由水更利于滲出[7,11]。

2.2 電極電流與泥餅電阻隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的變化

CaPFS的加入雖然增加了泥餅電解質(zhì)含量，能降低泥餅電阻；但CaPFS也加速泥餅水分的滲出，也會(huì)增加泥餅的電阻。加入CaPFS調(diào)理后靜置反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)泥餅電阻隨脫水時(shí)間的延長(zhǎng)的變化如圖4所示。

圖4 調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)泥餅電阻隨脫水時(shí)間延長(zhǎng)的影響Fig.4 Effect of conditioning reaction time on the mud cake resistance with increasing dehydration time

圖4顯示，泥餅電阻隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的增加先減小后升高，在調(diào)理反應(yīng)時(shí)間為10 h時(shí)，泥餅電阻整體增幅達(dá)到最小。脫水前期(30min內(nèi))，由于電場(chǎng)力的作用，陽(yáng)極處水分流向陰極，此時(shí)陽(yáng)極流入的水分加之陰極本來(lái)所含水分，及水分所含離子足夠維持電極電流通過(guò)[7]，因此泥餅表現(xiàn)出較低的電阻和呈現(xiàn)較高的電極電流，當(dāng)然此時(shí)陰極處污泥含水率也是最高的。但隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，陽(yáng)極處泥餅含水率逐漸下降，增大了與電極接觸的阻力[12]，而陰極泥餅含水率也在下降、離子逐漸減少，泥餅導(dǎo)電性逐漸變差，電極電流密度逐漸減小，泥餅電阻整體陡然增加(如圖4所示，脫水時(shí)間50min后很明顯)。

當(dāng)然由于電化學(xué)腐蝕，也增加了陰極與泥餅間的電阻，導(dǎo)致電極電流的減小[7, 14]，如圖5所示。如調(diào)理反應(yīng)1 h終點(diǎn)電極電流為13.98±1.67 A/m2，而對(duì)應(yīng)調(diào)理反應(yīng)10 h的電極電流密度為25.81±3.23 A/m2，整體增加了84.6%。分析圖5可知，脫水終點(diǎn)時(shí)刻電極電流隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的增加整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

圖5 調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)電極 電流密度隨脫水時(shí)間延長(zhǎng)的影響Fig.5 Effect of conditioning reaction time on the electrode current density with increasing dehydration time

2.3 脫水能耗隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的變化

脫水能耗是衡量污泥電滲脫水的一個(gè)重要指標(biāo)，由于底泥存在一定的電阻，其脫水能耗與泥餅電阻有著一定的關(guān)系[7, 14]。根據(jù)不同脫水時(shí)刻對(duì)應(yīng)脫出水量與累計(jì)耗能的變化，建立泥餅含水率與脫出水能耗的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 調(diào)理反應(yīng)時(shí)間對(duì)泥餅含水率與能耗關(guān)系的影響Fig.6 Effect of conditioning reaction time on the final moisture content of mud cake and energy consumption

圖6表明，調(diào)理反應(yīng)10 h泥餅最終含水率對(duì)應(yīng)的脫水能耗相比調(diào)理反應(yīng)1 h明顯的降低。隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的變化，泥餅最終含水率與脫水能耗整體呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。通過(guò)泥餅最終含水率與脫水能耗的關(guān)系，構(gòu)建如下式(4)和(5)所示關(guān)系(以調(diào)理反應(yīng)1 h和10 h為例)。

EEC1=-6.48×WC+538.42(1h,R2=0.8969)

(4)

EEC10=-19.17×WC+1269.80(10h,R2=0.9918)

(5)

分析推測(cè)：調(diào)理反應(yīng)時(shí)間較短(1～5 h)，泥餅顆粒表面雙電層被壓縮，顆粒層間自由水在電場(chǎng)力作用下，其包含的陽(yáng)離子往陰極急速遷移，所耗電能基本用于離子的電遷移，故脫水效率相對(duì)較低及能耗高，表現(xiàn)為泥餅含水率較高[7, 12, 15]；隨后自由水電滲透所耗電能相比離子電遷移低，故表現(xiàn)為增幅緩慢。而繼續(xù)延長(zhǎng)調(diào)理反應(yīng)時(shí)間(10～15 h)，CaPFS水解后離子擴(kuò)散與顆粒表層及自由水中離子反應(yīng)沉淀，顯著減少了泥餅中可自由移動(dòng)的離子總量，因此用于電遷移的能耗減少，所耗電耗基本用于自由水的電滲脫除，故能耗相對(duì)較低，因此，適當(dāng)延長(zhǎng)調(diào)理反應(yīng)時(shí)間有利于降低底泥電滲脫水能耗，提高能源利用效率[14, 16]。

對(duì)比Zhang[17]與Weber[18]的研究可發(fā)現(xiàn)，對(duì)污泥進(jìn)行電滲脫水，當(dāng)其含水率達(dá)到59%時(shí)，其脫水能耗為135kWh/t水；當(dāng)泥餅厚度從1cm增加到7cm時(shí)，能耗也會(huì)從90 kWh/t水增加到275 kWh/t水[7, 19]。其原因主要認(rèn)為是由于泥餅含固率的增加導(dǎo)致其脫水變得困難[19]。

2.4 隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)泥餅水分的變化

電滲脫水過(guò)程中，底泥含水會(huì)因顆粒相互作用被擠出、也因電場(chǎng)力的作用被滲出，還有部分由于電滲過(guò)程中泥餅升溫予以蒸發(fā)。隨CaPFS調(diào)理反應(yīng)時(shí)間的變化，這種升溫帶來(lái)的蒸發(fā)也將存在一定的差異，如圖7所示。

圖7 靜置反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)底泥含水三相分布的影響Fig.7 Effect of reaction time increasing on the three phase distribution of water-bearing sediment

如圖7所示，脫水過(guò)程中收集到的實(shí)物水分(收集水)、泥餅升溫?zé)釗p失水分(蒸發(fā)水)及最終采用重量法測(cè)得泥餅水分(泥中水)隨隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)的變化來(lái)看，蒸發(fā)水有所增加，但整體比例在2%～6%，而收集水維持在46%～54%，剩余41%～48%的水分仍然駐留在泥餅之中。預(yù)使顆粒間水分實(shí)現(xiàn)有效遷移，則需施加足夠的電壓，則必然導(dǎo)致泥餅升溫，因此部分水分從泥餅蒸發(fā)析出[7, 12, 15]。電滲脫水可以使底泥含水率整體從70%降至50%以內(nèi)，但其能耗卻高達(dá)300kWh/t水[7, 14, 17]。

2.5 電滲脫水效果對(duì)比

為進(jìn)一步考察采用CaPFS調(diào)理與否對(duì)底泥電滲脫水效果的影響。將68%±0.5 %的底泥，按0.5 gFe/kgDS添加CaPFS調(diào)理10h后，垂直電場(chǎng)20V下條件下進(jìn)行電滲脫水。并進(jìn)行0gFe/kgDS的CaPFS調(diào)理對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。CaPFS的加入增加泥餅電解質(zhì)含量，提高泥餅導(dǎo)電性能，從而在較短時(shí)間內(nèi)有利于增強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)顆粒間水分的遷移作用力[7, 12]，因此出現(xiàn)有CaPFS調(diào)理時(shí)達(dá)到脫水終點(diǎn)時(shí)刻(75±3min)短于無(wú)CaPFS調(diào)理(110±2min)的結(jié)果。調(diào)理后的底泥在短時(shí)間內(nèi)滲出的濾液比未調(diào)理的底泥略多，故導(dǎo)致有CaPFS調(diào)理時(shí)平均脫水速率(0.38±0.06)g/min明顯高于無(wú)CaPFS調(diào)理(0.21±0.03)g/min時(shí)的效果，最終導(dǎo)致調(diào)理后泥餅含水率較未調(diào)理降低了接近3%。雖然CaPFS調(diào)理后會(huì)略微增加底泥脫水電流(特別是剛開始5～10min內(nèi))，但脫水時(shí)間明顯縮短，考慮脫水能耗方面，CaPFS調(diào)理后的底泥脫除1噸水的能耗較未調(diào)理的低37.3±1.5kWh?？梢?jiàn)，CaPFS的調(diào)理能促進(jìn)河道底泥水分的電滲脫除，有利于取得更好的脫水效果。

表2 CaPFS調(diào)理與否對(duì)底泥電滲脫水的影響Tab.2 Effect of CaPFS conditioning on electrodewatering efficiency of sediment

3 結(jié) 論

3.1 對(duì)起始含水率為68%±0.5 %的底泥，按0.5 gFe/kgDS添加鈣基聚合硫酸鐵(CaPFS)調(diào)理反應(yīng)10 h后，采用20V槽電壓進(jìn)行電滲脫水，75±3 min即到達(dá)脫水終點(diǎn)，期間平均脫水速率為0.38±0.06 g/min，泥餅最終含水率下降到59.8%±1.6 %。

3.2 泥餅電阻隨調(diào)理反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，調(diào)理反應(yīng)10 h的泥餅其電阻降至最低，對(duì)此電滲脫水時(shí)，其脫水終點(diǎn)時(shí)刻電極電流密度仍為25.81±3.23 A/m2，相比調(diào)理反應(yīng)1 h的底泥增加了84.6%。

3.3 CaPFS 中Ca和Fe共同作用壓縮了底泥顆粒表面雙電層促進(jìn)顆粒再聚集和壓實(shí)，加速泥餅顆粒間離子的電遷移與自由水的電滲脫除，因此添加CaPFS后底泥電滲脫水時(shí)間縮短、脫水能效明顯提升，有效解決了底泥電滲脫水時(shí)間長(zhǎng)、能耗高的問(wèn)題，為電滲透在河湖疏浚底泥深度脫水工程中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。