城市廢棄泥漿脫水評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性研究

丁嘉儀， 張春雷， 陳 森， 李 捷， 曾文超， 王 健

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.海盈（南京）水處理技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210029；3.南京環(huán)境集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210026；4.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國(guó)每年產(chǎn)生約3 億m3城市廢棄泥漿，并且隨著城鎮(zhèn)化地不斷加快而增加[1]。 城市廢棄泥漿大多由細(xì)顆粒和黏土礦物組成， 顆粒長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，含水率較高且難以自然沉降[2-3]。對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行減量化和資源化處理利用已經(jīng)成為當(dāng)今解決泥漿難題的必然趨勢(shì)[4-6]。

城市廢棄泥漿脫水藥劑優(yōu)良比選主要借鑒現(xiàn)有的污泥脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括：污泥比阻[7]（specific resistance to filtration，SRF）、毛細(xì)吸水時(shí)間[8]（capillary suction time，CST）、Zeta 電位[9]、顆粒粒徑[10]以及泥餅含水率[5]等，一般沉降過(guò)程中的泥漿沉降速率或泥水界面高度也被作為評(píng)價(jià)脫水藥劑的指標(biāo)。但由于污泥中有機(jī)組分含量高，而城市廢棄泥漿以無(wú)機(jī)物為主，國(guó)內(nèi)外學(xué)者篩選藥劑的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不完全一致， 也鮮有關(guān)于多種指標(biāo)之間相關(guān)性的研究報(bào)道，導(dǎo)致目前脫水藥劑的篩選工作難以標(biāo)準(zhǔn)化， 為城市廢棄泥漿脫水藥劑的高效篩選帶來(lái)了困難。

研究選取4 種脫水藥劑， 開(kāi)展不同種脫水藥劑對(duì)城市廢棄泥漿的沉降及脫水試驗(yàn)， 分析沉降泥的比阻（SRF）、毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）、泥餅含水率等指標(biāo)之間的相關(guān)性，以確定1 個(gè)最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效指導(dǎo)脫水藥劑的篩選。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用脫水藥劑：聚合氯化鋁（PAC，分析純，由麥克林公司提供， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%）、 三氯化鐵（FeCl3， 分析純， 由成都市科隆化學(xué)品有限公司購(gòu)入，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%）、聚合硫酸鐵（PFS，分析純，由麥克林公司提供，鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于21%）和陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM，分析純，由麥克林公司提供，相對(duì)分子質(zhì)量為1.2×104）。

試驗(yàn)所用泥漿取自南京泥漿處置中心泥漿調(diào)節(jié)池， 該泥漿為來(lái)自南京市多個(gè)建筑工地鉆孔灌注樁廢棄泥的混合泥漿。取樣時(shí)利用抓斗取泥器，從調(diào)節(jié)池中抓取底部的泥， 泥漿取回后放入冰箱中4 ℃冷藏，其基本性質(zhì)見(jiàn)表1，廢棄泥漿的粒徑分布曲線見(jiàn)圖1。 由圖1 可以看出，泥漿中砂粒（≥75 μm）占比26%，粉粒（5 ～75 μm）占比68.5%，黏粒（≤5 μm）占比4.5%，表明泥漿主要由細(xì)顆粒粉土組成。

表1 廢棄泥漿基本性質(zhì)

圖1 廢棄泥漿的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)儀器

六聯(lián)磁力攪拌器（SN-MS-6D）、真空過(guò)濾裝置（2XZ-1 型）、污泥毛細(xì)測(cè)試儀（BT33-304M）、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 （GZX-9070 MBE）、 土壤密度計(jì)（TM85型）、電子天平（YP20002）。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）泥漿沉降試驗(yàn)

將廢棄泥漿混合均勻后分別倒入1 000 mL 的燒杯中，采用電動(dòng)攪拌器在300 r/min 轉(zhuǎn)速下快速攪拌5 min 后依次向泥漿中滴入不同摻量的脫水劑，然后在100 r/min 轉(zhuǎn)速下慢速攪拌1 min， 之后將800 mL泥漿倒入1 L 量筒中， 用橡膠塞蓋住量筒上下顛倒5次后，放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，立即打開(kāi)秒表開(kāi)始計(jì)量，記錄不同時(shí)間泥面的高度。 沉降試驗(yàn)共開(kāi)展1 h，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定沉降泥的SRF 和CST 值。 本研究針對(duì)廢棄泥漿采用的4 種脫水劑調(diào)理方案設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 調(diào)理方案

（2）泥漿比阻（SRF）測(cè)定

準(zhǔn)備比阻試驗(yàn)裝置， 在抽濾漏斗中放入定性濾紙并打濕，接觸良好，將量筒試驗(yàn)后排出上清液的沉降泥放入布氏漏斗中，均勻鋪設(shè)厚度約2 cm。 在真空吸力為0.04 MPa 下進(jìn)行抽濾，每隔10 s 記錄濾液體積至泥餅破裂，抽濾結(jié)束后取下泥餅及濾紙，測(cè)定抽濾泥餅含水率并計(jì)算SRF 值。

（3）壓濾脫水試驗(yàn)

試驗(yàn)采用自制壓濾脫水裝置， 該裝置可用于模擬板框壓濾機(jī)的加壓脫水過(guò)程。 壓榨壓力設(shè)定為0.8 MPa，倒入300 mL 沉降泥漿并壓濾60 min，取出泥餅測(cè)定其含水率。

（4）泥漿毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）測(cè)定

試驗(yàn)選用直徑為1 cm 的進(jìn)樣桶，先在下板上放置一片標(biāo)準(zhǔn)濾紙，將上板放置在標(biāo)準(zhǔn)濾紙上，插入進(jìn)樣桶， 將沉降泥迅速倒入， 由于標(biāo)準(zhǔn)濾紙的毛細(xì)作用，水分向四周擴(kuò)散，待水分?jǐn)U散至2 組探針后，即可得到從開(kāi)始至通過(guò)探針的時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響

SRF，CST 是常用于表征泥漿脫水性能的指標(biāo)，其值越小，說(shuō)明泥漿的脫水性能越好。不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響見(jiàn)圖2。 由圖2 可以看出， 隨著不同脫水劑投加量的增加， 沉降泥SRF和CST 值均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，根據(jù)這一趨勢(shì)， 可以得到各種脫水劑的最佳投加量，PAC，F(xiàn)eCl3，PFS，CPAM 的最佳投加量分別為1.25%，2.0%，3.5%，0.7‰。

圖2 不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響

不同脫水劑調(diào)理下沉降泥的SRF 值與CST 值的相關(guān)性分析見(jiàn)表3。 由表3 可以看出，4 種脫水劑作用下沉降泥的SRF 值與CST 值均呈現(xiàn)出了較好的相關(guān)性，但SRF 值與CST 值之間的換算公式差別較大。 將4 種脫水劑作用下的所有沉降泥的SRF 值與CST 值整合做相關(guān)性分析， 得到線性關(guān)系方程，R2為0.692 1，相關(guān)性一般。

表3 SRT 與CST 的相關(guān)性分析

綜上所述，沉降泥的SRF 值與CST 值具有一定的相關(guān)性[11-13]，且可相互替換作為表征同一脫水劑作用下的泥漿的脫水性能指標(biāo)。

2.2 不同種脫水劑調(diào)理后沉降泥的沉降性能分析

不同脫水劑在最佳投加量下的泥漿沉降曲線見(jiàn)圖3。 結(jié)合沉降泥的SRF 和CST 值發(fā)現(xiàn)，泥水分界面高度變化的快慢與SRF 和CST 值并未存在相似的趨勢(shì)，且PAC 與PFS 促沉效果相差不大，而有機(jī)脫水劑的促沉效果優(yōu)于無(wú)機(jī)脫水劑， 這與李悅等[14]人的研究結(jié)果一致，說(shuō)明對(duì)于SRF 和CST 值不能直觀評(píng)價(jià)泥漿沉降性能， 泥漿沉降性同時(shí)取決于脫水劑的化學(xué)性質(zhì)、 分子結(jié)構(gòu)及其與泥漿顆粒的結(jié)合能力等，可考慮用沉降速率或沉降比來(lái)表征。

圖3 不同脫水劑調(diào)理下的泥漿沉降曲線

2.3 SRF，CST 與泥餅含水率的相關(guān)性

為了更進(jìn)一步降低沉降泥含水率、減小體積，很多處理廠選擇機(jī)械脫水的方式進(jìn)行深度處理， 因此脫水后的泥餅含水率也是衡量處理工藝優(yōu)良的重要指標(biāo)。壓濾后泥餅含水率與SRF，CST 之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 泥餅含水率以及與SRF，CST 之間的關(guān)系

由圖4（a）可以看出，SRF 的變化趨勢(shì)與泥餅含水率的變化趨勢(shì)一致，SRF 越小， 泥餅含水率就越低， 且SRF 與泥餅含水率呈線性相關(guān)，R2=0.95，這是由于SRF 測(cè)定原理與壓濾脫水原理類似，均為通過(guò)壓力使泥漿顆粒間的水分快速脫除，因此SRF 能準(zhǔn)確表征泥漿壓濾脫水性能。

由圖4（b）還可以看出，CST 與泥餅含水率也存在一定的相關(guān)性，R2=0.98，說(shuō)明CST 也能夠較好地反映壓濾脫水效果。

相較于SRF，CST 與泥餅含水率的相關(guān)性略好，且在實(shí)際操作過(guò)程中，CST 的測(cè)定更加簡(jiǎn)便，無(wú)過(guò)多條件限制，因此，可通過(guò)測(cè)定CST 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)代替SRF，縮短試驗(yàn)時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）在同一脫水劑作用下，沉降泥的SRF 與CST值呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性， 不同脫水劑作用下的沉降泥的SRF 值與CST 值也存在一定的相關(guān)性。表明沉降泥的SRF 值和CST 值均可作為表征泥漿脫水性能的指標(biāo)。

（2）泥漿沉降速率、沉降泥面高度與SRF，CST值均未存在相似的趨勢(shì)， 不建議將泥漿沉降速率和沉降泥面高度作為評(píng)價(jià)泥漿脫水性能的指標(biāo)。

（3）脫水泥餅含水率與沉降泥的SRF 值和CST值均存在較好的相關(guān)性，且CST 值與脫水泥餅含水率相關(guān)性更好，鑒于實(shí)際操作中沉降泥的CST 值更加簡(jiǎn)便，可考慮將CST 值作為評(píng)價(jià)泥漿脫水性能的指標(biāo)，高效指導(dǎo)泥漿脫水劑優(yōu)選。