復(fù)合絮凝調(diào)理對(duì)湖泊底泥脫水性能研究

徐揚(yáng)帆， 白 堯， 夏新星

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040； 2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，武漢 430040； 4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，武漢 430040； 5.中交二航局市政建設(shè)有限公司，遼寧大連 116600）

河湖中大部分污染物質(zhì)隨著時(shí)間的累積而逐漸沉淀在底泥中，從而使底泥成為河湖內(nèi)源污染的主要來源［1］. 目前治理河、湖底泥內(nèi)源污染的重要措施為疏浚清淤，這也是改善和維護(hù)河流與湖泊水質(zhì)的主要方法之一［2］. 在疏浚清淤過程中，底泥被嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后會(huì)加強(qiáng)底泥內(nèi)部污染物質(zhì)的釋放，從而對(duì)周邊環(huán)境造成二次污染［3］. 國內(nèi)對(duì)疏浚底泥的研究主要集中在淤泥減量化和無害化處置技術(shù)等方面，而底泥脫水是淤泥減量化處理技術(shù)的關(guān)鍵步驟之一［4-6］，范楊臻等研究了絮凝劑的投加量對(duì)淤泥絮凝沉降性能與沉降速度的影響［7］. 在對(duì)淤泥添加絮凝劑進(jìn)行脫水試驗(yàn)過程中的研究發(fā)現(xiàn)，離子型有機(jī)絮凝劑高效絮凝主要機(jī)理為吸附架橋作用，而電中和則起到輔助作用［8］. 因此絮凝劑的投加對(duì)疏浚底泥的脫水處理具有重要的意義.

目前有關(guān)絮凝劑的研究主要在改善污泥脫水性能方面，而投加絮凝劑可以使水中的雜質(zhì)與污泥沉降速度加快. 絮凝劑一般分為天然高分子絮凝劑、無機(jī)高分子絮凝劑、有機(jī)合成和生物絮凝劑等［9-10］，其在淤泥脫水中的主要機(jī)理包括吸附架橋效應(yīng)、電荷中和作用、網(wǎng)捕卷掃作用等［11-12］. 從當(dāng)前工程上使用情況來看，使用量較大，應(yīng)用較為廣泛的絮凝劑為無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑. 而將這兩種絮凝劑通過融合進(jìn)行改進(jìn)，變成一種穩(wěn)定的互溶體系，從而形成一種新的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、絮凝沉降能力更加強(qiáng)的高分子聚合物是目前生產(chǎn)中的研究重點(diǎn)［13］.

本研究以武漢市萬家湖的湖心底泥為研究對(duì)象，通過自主研發(fā)改性劑（self-developed modifier，SDM）與絮凝劑對(duì)淤泥進(jìn)行聯(lián)合調(diào)理，分析不同種類及不同投加量的絮凝劑與SDM對(duì)湖泊底泥脫水特性的影響，并篩選出最優(yōu)配合比，為淤泥脫水在工程應(yīng)用中提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)的儀器設(shè)備包含pH計(jì)、污泥比阻測(cè)定儀、馬弗爐、恒溫鼓風(fēng)干燥箱、多工位恒溫磁力攪拌器、超純水機(jī)、分析天平.

1.2 試驗(yàn)材料

使用抓斗采樣器采集武漢市萬家湖表層20 cm的底泥于塑料桶內(nèi)保持含水率，然后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室. 取回的淤泥部分經(jīng)風(fēng)干磨碎后過2 mm 篩后備用，其基本性質(zhì)按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，其中淤泥有機(jī)質(zhì)含量為7.61%，含水率為63.25%，pH為7.74，污泥比阻為1.58×1012cm/g.

1.3 絮凝劑種類的選擇及自主研發(fā)改性劑配比

目前工程項(xiàng)目上經(jīng)常使用有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)金屬鹽混凝劑一種或多種藥劑聯(lián)合使用，以此來提高淤泥絮凝的脫水效果. 本研究選擇的絮凝劑為目前市面上常用的絮凝劑，分別為聚合氯化鋁（PAC）、聚合氯化鐵（PFC）、陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）、陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）. 研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過粉煤灰、石灰、赤泥等廢料調(diào)理后的淤泥，能有效改善淤泥的沉降效果，并且可以有效降低污泥比阻［14］. 本研究的SDM由工業(yè)廢料組成，分別為磷石膏20%～30%，膨潤土20%～30%，粉煤灰30%～40%，生石灰1%～10%.

1.4 試驗(yàn)分析方法

1.4.1 絮凝劑單因素試驗(yàn) 向100 g原始淤泥中加入267.5 mL純水得到含水率為90%的泥漿作為試驗(yàn)的處理對(duì)象. 按配制質(zhì)量濃度均為1%的絮凝劑溶液備用，絮凝劑及SDM投加量見表1. 在多工位恒溫磁力攪拌器上采用邊攪拌邊注入的方式，轉(zhuǎn)速50 r/min，慢速2 min內(nèi)加完絮凝劑. 置于量筒內(nèi)沉淀30 min，記錄淤泥沉降比.

表1 絮凝劑單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Single factor test design of flocculants

待淤泥沉降30 min 后，使用小型泵或針管抽走上清液，收集尾水，上清液取出測(cè)定pH，下部沉積淤泥取出測(cè)定含水率、pH、污泥比阻. 測(cè)定污泥比阻過程中，控制抽濾壓力為0.35 MPa，記錄下泥餅干化開裂時(shí)間t，抽濾后的泥餅也取出測(cè)定含水率和pH，計(jì)算整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的脫水率.

1.4.2 絮凝劑復(fù)配方案 絮凝試驗(yàn)先研究單獨(dú)添加各絮凝劑時(shí)，對(duì)上覆水pH及淤泥沉降的影響，之后選擇絮凝沉降效果較好的絮凝劑進(jìn)行組合，進(jìn)一步分析組合絮凝劑對(duì)底泥絮凝沉降的效果.

1.4.3 板框壓濾實(shí)驗(yàn) 將復(fù)配好的絮凝劑與SDM 進(jìn)行淤泥板框壓濾實(shí)驗(yàn)，隔膜板框壓濾機(jī)的過濾面積為0.8 m×0.8 m，將含水率為80%的淤泥800 L置于1000 L污泥調(diào)理罐中，加入絮凝劑及自主改性劑SDM 對(duì)淤泥進(jìn)行調(diào)理，以160 rmin 攪拌30 min. 攪拌結(jié)束后由螺桿泵輸送至貯泥罐，采用壓縮空氣將貯泥罐中的淤泥壓入壓濾機(jī)內(nèi)，其中進(jìn)料壓力為0.5 MPa，進(jìn)料時(shí)間75 min，壓榨壓力為0.9 MPa，壓榨時(shí)間10 min.板框壓濾實(shí)驗(yàn)主要考察泥餅含水率、泥餅厚度及尾水pH.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 絮凝劑及SDM試驗(yàn)

2.1.1 絮凝劑單參試驗(yàn) 本試驗(yàn)中污泥沉降比隨PAC投量增加而呈上升趨勢(shì)（圖1），當(dāng)投加量為2 g/kg 時(shí)，污泥沉降比達(dá)到最大為72.55%. 而投加不同濃度的PFC 后，污泥沉降比變化不大，在59%～62%的范圍內(nèi).本試驗(yàn)向淤泥分別投加不同濃度的APAM和CPAM對(duì)淤泥進(jìn)行調(diào)理，均出現(xiàn)了絮狀的礬花，但礬花的沉降性較差，均未觀察到與上清液明顯分層的現(xiàn)象. 這可能是由于在未投加PAC的情況下，PAM凝聚過程中形成顆粒較大絮凝體并未脫去穩(wěn)定性，導(dǎo)致絮狀的礬花無法沉降.

圖1 不同絮凝劑調(diào)理下污泥沉降比及污泥比阻的變化Fig.1 Changes of sludge sedimentation ratio and sludge specific resistance under the conditioning of different flocculants

一般認(rèn)為，污泥比阻在1012～1013cm/g的污泥為難過濾的污泥，比阻小于0.4×1012cm/g 屬于易過濾污泥.本研究中原狀淤泥比阻為1.58×1012cm/g，因此屬于難過濾淤泥. 而投加藥劑調(diào)理后，污泥比阻隨PAC 投加量增加而減小，而隨PFC 投加的濃度卻呈先增加后上升趨勢(shì). 當(dāng)PFC 的投加量為2 g/kg 時(shí)，污泥比阻最低為1.2×1011cm/g. 這是因?yàn)殡S著PFC 投加量的加大，溶液中三價(jià)鐵水解生成帶正電荷的多羥基聚合物，使溶液中帶負(fù)電荷離子的濃度增加，當(dāng)溶液中的負(fù)電荷離子濃度過高時(shí)，使絮凝體也帶上相反電荷，從而增大了膠粒之間的排斥力，讓絮凝效果減弱，使污泥比阻增大［15-16］.

淤泥加入PAC調(diào)理，沉降30 min后，沉淀淤泥含水率在83.56%～85.52%之間（圖2），其中PAC 為0.5 g/kg時(shí)最低為83.56%. 抽濾后淤泥泥餅的含水率隨PAC投量增加而呈上升趨勢(shì). 全過程中淤泥的脫水率在PAC 濃度為0.5 g/kg 最高為91.97%，當(dāng)PAC 投加量為3 g/kg 時(shí)全過程中淤泥的脫水率最低為89.57%.

圖2 PAC調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率Fig.2 The moisture content of sludge and mud cake and thedehydration rate of the whole process under PAC conditioning

淤泥加入PFC調(diào)理沉降30 min后，沉淀淤泥含水率變化不大，均值為81%（圖3），其中PFC投加量為2 g/kg時(shí)最低為80.88%. 抽濾后淤泥泥餅的含水率在PFC 投加量為3 g/kg 時(shí)最高為47.92%，PFC 投加量為0.5 g/kg最低為42.37%. 全過程中淤泥的脫水率隨PFC 投加量增加而呈下降趨勢(shì)，范圍為90.56%～92.31%.

圖3 PFC調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率Fig.3 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PFC conditioning

從表2可以看出，在不同投加量PAC、PFC對(duì)淤泥的調(diào)理下，其上清液、沉淀淤泥pH及泥餅pH均為中性，符合污水《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ 343—2010）和泥餅《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)》（GB/T 24600—2009）回用標(biāo)準(zhǔn).

表2 絮凝劑調(diào)理下上清液及淤泥pH變化Tab.2 Changes of pH of supernatant and sludge under conditioning of flocculants

本研究中PAC對(duì)淤泥的脫水效果要優(yōu)于PFC，相對(duì)于鐵鹽水解生成的多羥基絡(luò)合物，鋁鹽水解生成的多核絡(luò)合物往往具有較高的正電荷和比表面積，可以迅速吸附水體中帶負(fù)電荷的雜質(zhì)，中和膠體電荷、壓縮雙電層及降低膠體電位，促進(jìn)膠體和懸浮物等物質(zhì)快速脫穩(wěn)、凝聚和沉淀［17-18］. 因此選擇PAC進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn).

2.1.2 SDM 試驗(yàn) 由圖4 可知，隨著SDM 投加量的增加，沉淀淤泥的含水率呈下降趨勢(shì)，而抽濾泥餅的含水率呈先增加后減小，當(dāng)SDM投加量為30 g/kg時(shí)，其含水率最高為43.68%. 全過程的脫水率變化并不顯著，范圍為91.12%～92.98%.

圖4 SDM調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率Fig.4 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under self-developed pharmaceutical conditioning

隨著SDM投加量的加大（表3），污泥沉降比呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而上清液、沉淀淤泥和泥餅的pH呈上升趨勢(shì)，污泥比阻不斷降低. 綜合考慮，SDM 投加量在25～30 g/kg 范圍內(nèi)是比較合理的，尤其是投加量在25 g/kg左右時(shí)性價(jià)比最高.

表3 SDM調(diào)理下淤泥理化特性變化Tab.3 Changes in the physical and chemical properties of sludge under self-developed modifier conditioning

2.2 絮凝劑復(fù)配試驗(yàn)

工程上通常使用PAC和PAM進(jìn)行復(fù)配，而根據(jù)絮凝劑單參實(shí)驗(yàn)可以得出，向淤泥中投加量為0.5 g/kg的PAC 效果最好，因此本研究選擇投加量為0.5 g/kg PAC 與10 mg/kg、15 mg/kg、20 mg/kg、50 mg/kg 的APAM、CPAM分別進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn).

PAC+APAM組合的污泥沉降比隨APAM投量的增加而降低（圖5），當(dāng)APAM濃度為50 mg/kg，污泥沉降比最低為44.23%. PAC+CPAM 組合的污泥沉降比均高于PAC+APAM 組合，當(dāng)CPAM濃度達(dá)到15 mg/kg時(shí)，其比值趨于穩(wěn)定. 復(fù)配試驗(yàn)中PAC+APAM 組合的淤泥比阻變化差異較小，范圍為7.2×1010～8.3×1010cm/g，且均低于PAC+CAPM 組合. 隨著CAPM 投量增加，其淤泥比阻呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)CPAM 投加量為15 mg/kg時(shí)，其污泥比阻最大為1.67×1011cm/g.

圖5 不同復(fù)配絮凝劑調(diào)理下污泥沉降比及污泥比阻的變化Fig.5 Changes of sludge sedimentation ratio and sludge specific resistance under the conditionings of different compound flocculants

在PAC+APAM 和PAC+CPAM 調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率如圖6 和圖7 所示，在PAC+APAM 調(diào)理下，沉淀淤泥含水率隨APAM 濃度的增加而降低，而抽濾后泥餅含水率變化差異并不顯著，范圍為43.51%～45.39%. 當(dāng)APAM 為20 mg/kg 時(shí)，其全過程脫水率達(dá)到最大為91.43%，而脫水率最低處為90.76%. 對(duì)于PAC+CPAM復(fù)配組合，隨著CPAM 投量的增加，其沉淀淤泥與抽濾泥餅的含水率變化趨勢(shì)相同，當(dāng)CPAM 為15 mg/kg時(shí)，其含水率最高. 而全程脫水率的變化趨勢(shì)與PAC+APAM復(fù)配組合相同，當(dāng)CPAM為20 mg/kg時(shí)達(dá)到最大為91.68%. 表4 中能直接反映在復(fù)配絮凝劑調(diào)理下，上清液、沉淀淤泥及抽濾泥餅的pH值. 結(jié)果表明，添加絮凝劑后，并未明顯改變淤泥的pH值.

圖6 PAC+APAM調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率Fig.6 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PAC+APAM conditioning

圖7 PAC+CPAM調(diào)理下淤泥、泥餅含水率及全過程脫水率Fig.7 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PAC+CPAM conditioning

表4 復(fù)配絮凝劑調(diào)理下上清液及淤泥pH變化Tab.4 The pH changes of the supernatant and sludge under the conditioning of the compound flocculant

本研究中，將APAM和CPAM分別與PAC配合使用后，APAM的處理效果優(yōu)于CPAM，說明APAM在絮凝沉降過程中表現(xiàn)出良好的絮體化和陰、陽離子的協(xié)同作用效應(yīng). 并且PAC+APAM復(fù)合絮凝劑對(duì)淤泥的絮凝效果要優(yōu)于單一絮凝劑，因?yàn)閺?fù)合絮凝劑既可以讓無機(jī)絮凝劑發(fā)揮無機(jī)金屬鹽中帶電荷金屬離子的電中合作用，同時(shí)也可以讓有機(jī)高分子絮凝劑作為大分子基團(tuán)發(fā)揮吸附架橋作用以及利用吸附的活性基團(tuán)從而使其具有網(wǎng)捕作用，網(wǎng)捕其他雜質(zhì)，從而強(qiáng)化了絮凝效果［19-21］.

2.3 板框壓濾實(shí)驗(yàn)

將絮凝劑與SDM 的最優(yōu)投加量用于板框?qū)嶒?yàn)，從表5 可以看出，SDM 與PAC+APAM 聯(lián)合調(diào)理的效果，比PAC+APAM 單獨(dú)調(diào)理的效果要好很多，當(dāng)單獨(dú)使用PAC+APAM 的投量分別為0.5 g/kg 和20 g/kg 時(shí)，泥餅的含水率為29.36%，而加入投量為25 g/kg的SDM時(shí)，泥餅含水率降至26%，降低了3.36%.

表5 板框?qū)嶒?yàn)結(jié)果Tab.5 Results of plate and frame experiment

3 結(jié)論

1）當(dāng)向淤泥中分別加入不同投量的PAC、PFC、APAM和CPAM時(shí)，PAC對(duì)淤泥脫水的效果最好，其次是PFC，而APAM 和CPAM 的效果并不顯著. 并且當(dāng)PAC 為0.5 g/kg 時(shí)的效果要優(yōu)于其他三個(gè)投加量（1 g/kg、2 g/kg、3 g/kg），SDM投加量在25 g/kg左右時(shí)效果最優(yōu)；

2）當(dāng)選擇0.5 g/kg PAC與投加量為10 mg/kg、15 mg/kg、20 mg/kg、50 mg/kg的APAM、CPAM分別進(jìn)行復(fù)配時(shí)，PAC+APAM復(fù)配組合要優(yōu)于PAC+CPAM組合，且當(dāng)APAM的投加量為20 mg/kg時(shí)效果最好；

3）在APAM、PAC 和自主研發(fā)改性劑SDM 投加量分別為20 g/kg、0.5 g/kg、25 g/kg 的復(fù)合調(diào)理方案下，板框脫水泥餅含水率可降至26%，脫水效果明顯.