李小雨， 操家順， 馮 騫， 漆 磊

（1.河海大學環(huán)境學院， 江蘇 南京 210098； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著我國城市化率的提高，工業(yè)化程度逐漸提高，以及市民數(shù)量的急速增長，未經(jīng)適當處理的生產(chǎn)、生活污水直接排入城市河流、湖泊，使得城市河、湖的污染問題日益加劇，這也成為制約城市環(huán)境提升的主要問題之一。

河流、湖泊底泥是陸源性入河、湖污染物的主要蓄積場所，也是河、湖污染的潛在污染源，即使在有效的控制了河、湖的外源污染的情況下，底泥作為河、湖的內(nèi)源污染源，仍有可能使水質發(fā)生富營養(yǎng)化。底泥生態(tài)疏浚是一種徹底去除河、湖內(nèi)源污染的方式，是城市污染水體整治的關鍵步驟，旨在去除河、湖水體中的污染底泥，降低底泥中污染物向水中的釋放量，進而減少內(nèi)源污染對河、湖的影響，改善水體水質。

目前，我國城鎮(zhèn)中，由于日益增多的生態(tài)疏浚工程的開展，產(chǎn)生了大量的疏浚底泥。若將未經(jīng)干化脫水的疏浚底泥隨意堆棄，一則占用土地較多，二則有可能造成二次污染。因此，須大力開展底泥干化研究，有效防止疏浚底泥的二次污染，進一步實現(xiàn)資源化利用。

目前，疏浚底泥干化技術主要有如下幾大類：絮凝脫水技術、工程物理排水技術、機械脫水技術、土工管袋過濾脫水技術和電滲井點干化技術。其中，絮凝脫水技術是通過向泥漿內(nèi)投加絮凝劑，使泥漿混合物中某些固相聚集形成絮團，使之“脫穩(wěn)”，以實現(xiàn)泥水分離的技術[1]。由于其操作方法簡單、沉降速度快、干化成本較低，日益成為研究疏浚底泥干化技術的重點。絮凝劑是絮凝干化技術的核心，其種類、用量、pH值等使用條件直接影響干化的效果，因此，絮凝劑的研究是絮凝干化技術研究的重中之重，將會進一步促進該技術的發(fā)展。以下將重點介紹絮凝劑的種類及優(yōu)缺點、絮凝干化技術原理及其在疏浚底泥干化中的應用進展。

1 絮凝劑的分類

絮凝劑可以按照其性質分為化學絮凝劑和微生物絮凝劑兩大類，其中化學絮凝劑又可按照其化學成分分為無機、有機、和復合絮凝劑[2]。這幾類絮凝劑的使用中發(fā)現(xiàn)如下優(yōu)缺點，見表1。

表1 各類絮凝劑的優(yōu)缺點

2 絮凝脫水技術機理

2.1 化學絮凝劑的脫水機理

（1）無機高分子絮凝劑脫水機理

無機高分子絮凝劑的脫水機理主要為電中和架橋過程。首先，水體中膠粒上的羥基被高分子吸附，即與高分子發(fā)生配位和互補。然后，繼續(xù)與溶液中的羥基相互作用產(chǎn)生水解，進而在表面生成氫氧化鋁/鐵凝膠沉淀物，進一步粘結團聚，見圖1[2]。

鋁鹽和鐵鹽在水中首先發(fā)生水解，然后表面絡合、聚合，進而膠凝沉淀。研究發(fā)現(xiàn)，共存陰離子可以參與絮凝劑的水解，在聚鋁/鐵中加入一定量的或可以提高絮凝劑的分子量和所帶電荷量，有效增強絮凝效果。鐵鹽絮凝劑的特點是毒性低、價格便宜，絮凝過程十分迅速，較難控制。鋁鹽絮凝劑的絮凝效果好，絮凝過程相對較慢易于控制，但鋁鹽具有一定毒性。

圖1 無機高分子絮凝劑絮凝機理

（2）有機高分子絮凝劑脫水機理

有機高分子絮凝劑的作用機理主要為高分子吸附架橋作用及電中和作用。高分子濃度較低時，長鏈狀的有機高分子通過架橋作用將多個膠粒聯(lián)在一起，從而絮凝。高分子達到一定濃度后，膠粒表面完全被吸附的高分子覆蓋，則膠粒之間無法繼續(xù)通過高分子的橋架作用相聯(lián)。當高分子與膠粒的聚合物與其他膠粒所帶電荷相反時，會通過定量吸附作用聚集，發(fā)生絮凝。此時為電中和作用[2]。另外,其絮凝過程還具有網(wǎng)捕作用,使得沉降更加迅速，見圖2。

圖2 吸附架橋模型

2.2 微生物絮凝劑脫水機理

微生物絮凝劑是一種天然高分子絮凝劑，成分主要為微生物菌體或其產(chǎn)生的具有絮凝活性的次級代謝產(chǎn)物，其主要化學成分為粘多糖、蛋白質、糖蛋白、纖維素和脫氧核糖核酸等。微生物絮凝劑來源與種類廣泛，不同絮凝劑的性質差異較大。

目前，吸附架橋、電性中和及卷掃網(wǎng)捕等是比較公認的絮凝機理[3]。通常單一機理不能完全解釋同一絮凝過程，絮凝過程往往是由多種機理共同作用導致的。TAKAGI等[4]由青霉屬真菌產(chǎn)生的絮凝劑PF-1，其聚氨基半乳糖鏈可以吸附帶負電荷的顆粒，形成的聚合物分子間可以產(chǎn)生架橋，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的絮狀物和沉淀物。BAR-OR等[5]發(fā)現(xiàn)從細菌、酵母菌及土壤顆粒中分離出來的帶負電的多糖，可以通過陽離子橋，將懸浮的黏土顆粒吸附于臨近帶負電的黏土顆粒表面，使黏土顆粒絮凝。這類絮凝劑的絮凝效果取決于其分子的長度和單位長度的帶電基團數(shù)量（即電荷密度）。這些因素決定絮凝劑與顆粒間的架橋程度。

3 絮凝劑在底泥干化中的應用

3.1 傳統(tǒng)化學絮凝劑在底泥干化中的應用

傳統(tǒng)無機高分子絮凝劑的優(yōu)勢在于，能夠形成高密度、快沉降的絮凝體。這種絮凝劑不但性能優(yōu)異，而且原料易于獲得，成本較低，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并成功地應用于疏浚底泥的干化處理過程中。為了研究不同種類的脫水絮凝劑對各泥質類型底泥脫水性能的影響，馬濤等[6]選擇聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合氯化鋁(PAC)及陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，分別對沙質、泥質及泥沙混合質3條不同泥質類型的河流底泥的脫水性能進行研究。結果顯示，所有脫水絮凝劑在一定的使用量范圍內(nèi)，對各類型底泥的脫水作用，均可獲得不同程度的改善優(yōu)化。有機高分子絮凝劑因其速效、穩(wěn)定的特點，廣泛應用于疏浚底泥干化。該類絮凝劑處理過程迅速，絮體粗大，沉降快；用量較少，絮凝效果好；工業(yè)化程度較高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可按需控制分合成產(chǎn)物分子量。

段云平[7]為了研究無機/有機絮凝劑的脫水性能，為疏浚底泥的脫水干化提供可行的參考，采用無機類絮凝劑PAC及有機高分子類絮凝劑PAM開展疏浚底泥脫水實驗。實驗結果表明，PAM具有較好的調(diào)理性能，在一定條件下，脫水效果最佳。

單一絮凝劑的使用存在應用面狹窄、絮凝脫水效率低、操作工藝復雜、處理成本較高等諸多不足。為克服上述問題以及無機/有機絮凝劑各自內(nèi)在的缺陷，新型無機-有機復合絮凝系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，并已成為絮凝劑研究的重要發(fā)展方向。一方面，復合絮凝劑應用范圍更廣；另一方面，簡化操作工藝，在保證高效絮凝脫水的的同時，處理費用更低。研究結果表明，無機－有機高分子絮凝混合體系明顯優(yōu)于兩者單一體系的使用效果。張小璐等[8]采用三氯化鐵－聚丙烯酰胺（FeCl3－PAM）復合脫水系統(tǒng)作為河流疏浚底泥的脫水劑，開展相關脫水實驗。研究表明，在一定條件下，復合絮凝劑的脫水性能明顯提高。

3.2 新型化學絮凝劑在底泥干化中的應用

近年，新型化學絮凝劑的研究主要集中在研究和開發(fā)新型有機高分子絮凝劑。這類絮凝劑除了具有傳統(tǒng)有機高分子絮凝劑的優(yōu)點外，還克服了水體中殘余的有機高分子易致崎、致癌、致突變的問題。是目前研究的熱點。李妍等[9]以稻殼為原料，十六烷基三甲基溴化銨為陽離子醚化劑，制成天然有機高分子絮凝劑RHF。發(fā)現(xiàn)RHF的絮凝脫水性能較好的同時還能有效去除污染物質，改善余水水質。另外RHF與CPAM復配體系可以加快底泥絮凝沉降速度。

此外，研究者們還建立了新的無機-有機復合絮凝體系，更加顯著地提高了脫水效率。李瀟瀟等[10]研究證實，使用PAC/PDMDAAC復合絮凝劑對比使用PAC，投加量可降低20%～35%，且效果更好。對于有機質含量高且含有大量黏粒的超保水性疏浚底泥，傳統(tǒng)的絮凝劑難以有效達到脫水要求。Fenton體系[11]可以產(chǎn)生絮凝，并且有操作方便，反應速度快等優(yōu)點，目前在生活污水處理、含難降解有機物廢水處理以及城市污泥處理領域應用較多，而應用于疏浚底泥脫水則相對較少。田宇等[12]詳細研究了改良Fenton體系對疏浚底泥脫水性能的影響。結果表明當Fenton體系與CPAM聯(lián)用時，具有最好的底泥脫水性能。

3.3 微生物絮凝劑在底泥干化中的應用

與化學絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有絮凝性能良好、安全無毒[13]、易于生物降解、對環(huán)境影響小[14]的特點，微生物絮凝劑取代大部分傳統(tǒng)的無機高分子和合成有機高分子絮凝劑將成為一種趨勢。

于榮麗等[15]經(jīng)過挑選得到一株高效的微生物絮凝劑生產(chǎn)菌F22，運用其生產(chǎn)的絮凝劑進行疏浚底泥脫水實驗，發(fā)現(xiàn)F22菌株所產(chǎn)絮凝劑擁有良好的底泥脫水性能。于榮麗等[16]將菌株 LMB8優(yōu)化培養(yǎng)后，運用其產(chǎn)生的微生物絮凝劑進行疏浚底泥快速脫水實驗。結果表明，LMB8菌株所產(chǎn)生的絮凝劑對疏浚底泥的絮凝率最高可達83.1%。

4 結語

絮凝干化脫水技術廣泛應用于處理生態(tài)疏浚底泥工程中。這項技術的發(fā)展主要取決于絮凝劑的開發(fā)和研制。目前，無機-有機復合高分子絮凝劑作為一類高效絮凝劑，研究和應用較為廣泛。但是使用中會無可避免造成水體污染問題。天然高分子絮凝劑由于其低污染性越發(fā)引起研究者的關注，其研究方向主要集中在以下2方面：①提高天然高分子絮凝劑的穩(wěn)定性，并擴展其適用條件；②研究天然高分子無機-有機復合絮凝劑的可行性及其作用機理。微生物絮凝劑由于其高絮凝性、低污染、易降解的特性使之有替代現(xiàn)有傳統(tǒng)絮凝劑的趨勢。但國內(nèi)相關研究仍處于初級階段，其生產(chǎn)制備方法仍不成熟，離大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有相當距離。目前的研究重點集中在以下2方面：①利用分子診斷技術對絮凝劑中的菌種進行生物學定位，了解其生物特性，進一步解釋其絮凝機理；②在分子診斷的基礎上利用基因技術開發(fā)培養(yǎng)更高效的絮凝劑菌種。