王菲 王賢平

摘要：針對疏浚淤泥含水率高、污染嚴重的情況，以武漢市官橋湖底泥為研究對象，利用板框壓濾機進行壓濾實驗，以含水率、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）為指標，考察3種絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM），氯化鋁（AlCl3），氯化鐵（FeCl3）及其投加量對淤泥的脫水率和降污效果的影響，并比較了不同放置時間下，泥餅污染物浸出濃度變化情況。結(jié)果表明：PAM在5‰投加量時的脫水效果最好;FeCl3對濾液中TN、TP的去除作用較好，AlCl3對COD的降低作用較好;泥餅浸出液中TN、TP濃度隨放置時間延長而增大，COD逐漸降低并趨于穩(wěn)定。單一絮凝劑能顯著改善淤泥脫水性能，但不能穩(wěn)定泥餅中的污染物。

關(guān)鍵詞：疏浚淤泥;淤泥脫水;絮凝劑;脫水降污;武漢市官橋湖

中圖法分類號：TV851文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.010

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0061 - 04

1 研究背景

湖泊底泥是入湖污染物的主要積蓄場所。隨著湖泊周圍居住人口密度增大，各種生活、工業(yè)生產(chǎn)排放物進入湖泊，底泥中有機物沉積，氮、磷、鉀、微量元素和各種微生物含量劇增，在一定條件下再次釋放，成為湖泊水質(zhì)的重要污染源之一[1]。自20世紀90年代以來，國內(nèi)已開始對城市湖泊進行清淤治理。清出淤泥的含水率極高，占地大且污染嚴重[2]，為便于運輸以及后續(xù)的處置利用，必須進行脫水處理[3]。由于淤泥黏粒含量高、滲透性能差，需先經(jīng)過調(diào)理后再進行機械脫水。一般采用化學調(diào)理法，通過添加絮凝劑改善淤泥理化性質(zhì)，提高淤泥脫水性能[4-6]。國內(nèi)許多學者就絮凝劑的種類和用量對脫水效率的影響進行了研究，結(jié)果表明：相對無機絮凝劑而言，有機高分子絮凝劑用量少、絮凝速度快，針對不同泥質(zhì)適當選取絮凝劑種類及投加量能夠顯著改善淤泥的脫水性能[7-8]，進一步降低含水率需機械脫水。高含水率淤泥在機械脫水過程中產(chǎn)出泥餅的同時排出大量濾液，目前圍繞降低泥餅含水率的研究較多，但是忽視了濾液的水質(zhì)情況，嚴重污染的淤泥壓濾濾液中殘留的污染物質(zhì)濃度較高，隨意排放易造成二次污染，泥餅在堆放過程中也會向周圍環(huán)境釋放污染物。

因此，本文主要選取陽離子聚丙烯酰胺（PAM），氯化鋁（AlCl3）和氯化鐵（FeCl3）等3種常見絮凝劑，通過板框機壓濾實驗，研究不同絮凝劑對淤泥脫水速率的影響，著重探討壓濾出水及泥餅中污染物的去除率和固定性，以期對淤泥脫水降污同位處理和資源化利用提供建議。

2實驗部分

2.1 實驗設(shè)備及物料

實驗所用淤泥取自武漢市東湖子湖官橋湖。由于官橋湖屬營養(yǎng)化水體，底泥中主要污染物質(zhì)為有機質(zhì)，氮、磷營養(yǎng)鹽，具體含量如表1所示。因此該實驗以總氮（TN）、總磷（TP）和化學需氧量（COD）為分析指標，考察板框壓濾機內(nèi)絮凝劑脫磷、脫氮及降低COD的效果。實驗采用PAM、AlCl3和FeCl3等3種常見絮凝劑。主要設(shè)備為板框式壓濾機。淤泥中有機質(zhì)測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[9]中重鉻酸鉀容量法，氮、磷參照土壤全氮、全磷的測定方法，分別采用半微量開氏法、鉬銻抗比色法。淤泥初始含水率為90%。

2.2 實驗方法

本實驗由3個部分組成，淤泥壓濾脫水、濾液測定和泥餅測定。首先分別按干泥質(zhì)量的1‰，3‰，5‰，7‰取PAM，AlCl3，F(xiàn)eCl3，在1 000 mL燒杯中配成溶液，倒入裝有淤泥的進料筒中，攪拌5 min 后靜置2 h，通過隔膜泵將泥漿輸送至板框壓濾機中進行壓濾實驗。控制進料壓力0.7 MPa，壓濾壓力1.2 MPa。然后測定濾液中TN、TP濃度，COD值和壓濾后濾餅含水率。泥餅在自然狀態(tài)下養(yǎng)護1 d和28 d后再分別測定浸出液中各代表性污染物指標。浸出液參照HJ557-2009《固體廢棄物浸出毒性浸出方法》[10]制備，各指標參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[9]測定：COD，重鉻酸鉀法;TN，過硫酸鉀氧化紫外分光光度計法;TP，過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法。為保證實驗數(shù)據(jù)的代表性，每組實驗重復3次。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 絮凝劑對淤泥脫水的影響

圖1是不同絮凝劑在不同濃度下淤泥脫水后的泥餅含水率變化曲線。

圖1顯示，隨著絮凝劑投加量的增加，壓濾后泥餅的含水率隨之減少。但當投加量>5‰時，效果不明顯，其中PAM的脫水速率最快，泥餅含水率最低。對于鐵鹽和鋁鹽而言，隨著投加量增大，擴散層中反離子濃度增大，雙電層電位降低，從而引起ζ電位下降和擴散層厚度被壓縮，膠體顆粒失去穩(wěn)定性迅速凝聚，在機械壓力作用下，淤泥中的間隙水和結(jié)合水更容易被分離出來[11]。然而投加量過多，會使膠體粒子帶上相反電荷而重新懸浮，從而降低脫水效果。另外，由于鐵鹽和鋁鹽水解產(chǎn)生羥基多核絡(luò)合物，形成的絮團緊密穩(wěn)定，在靠近濾布處形成一薄層“硬殼”，阻止濾液流出，因此脫水速率較慢，而且泥餅含水率較高。對于PAM而言，由于高分子橋連作用，形成的絮體較大[12]，經(jīng)過泵送進入板框腔體后，在壓力作用下形成的濾餅通透性較好，濾液容易透過濾布流出。但投加過量時，膠體表面被高分子絮凝劑所飽和，表面無吸附空位而使絮凝劑失去架橋作用，因此繼續(xù)增大投加量，淤泥脫水效果不明顯。

3.2 絮凝劑對濾液污染物去除率的影響

淤泥經(jīng)板框壓濾機脫水后產(chǎn)生的濾液中仍殘留部分污染物質(zhì)，測定其中的污染物指標以分析絮凝劑的降污效果。圖2～4分別是濾液中TN、TP、COD值隨絮凝劑比例的變化曲線。

圖2～3表明隨著絮凝劑比例的提高，濾液中TN、TP總體上呈現(xiàn)出下降趨勢，在投加量為3‰～5‰時達到最低點，此時PAM，F(xiàn)eCl3，AlCl3對總氮去除率分別為32.90%，78.77%，74.29%，總磷去除率分別為22.56%，72.18%，69.01%。PAM脫水過程迅速，然而對污染物吸附力度不夠，這可能與其分子表面的活性基團有關(guān)。高分子團聚體粒較大，封閉了淤泥內(nèi)部氮、磷的吸附位點，導致吸附量下降。另外，PAM形成的絮團疏松，水分透過時吸附反應不充分也可能是致使濾液中殘留的N、P含量較高的原因。鐵鹽和鋁鹽在水解過程中形成大量的氫氧化物絮體沉淀有很強的吸附能力，同時礬花沉淀時也可以網(wǎng)捕卷掃一部分非溶解性的磷。由于鐵鹽形成的礬花密度大，沉降性能好，吸附卷掃除磷的效果也優(yōu)于鋁鹽。而且，F(xiàn)eCl3水解產(chǎn)生的Fe3+和OH-及PO43-之間的強親和力，使溶液中可能會有Fe2.5PO4（OH）4.5及Fe1.6H2PO4（OH）3.8等難溶絡(luò)合物，通過絡(luò)合吸附作用可除去更多的磷[13]。

圖4表明在3‰投加量時，濾液中COD最低，AlCl3效果最明顯，去除率達到67.49%。隨后繼續(xù)增大投加量，去除率反而下降，說明PAM，F(xiàn)eCl3，AlCl3對有機物的去除有一定限度。其投加比例與COD去除率的關(guān)系還需進一步探討?？傮w看來，相對PAM來說，F(xiàn)eCl3，AlCl3能夠大幅度降低淤泥中污染物含量，使得壓濾出水可以達到三級排放標準。其中FeCl3脫磷、脫氮效果較好，而AlCl3對COD的降低作用較好，但二者對淤泥的脫水速度和效果不如PAM。可以考慮聯(lián)合使用兩種絮凝劑，充分利用有機和無機兩種絮凝劑的優(yōu)點，提高淤泥的脫水降污性能。

3.3 絮凝劑對泥餅中污染物的固定性影響

淤泥經(jīng)過壓濾后，其中污染物一部分隨濾液排出，一部分仍殘留在泥餅中，泥餅在堆放過程中，受到雨水浸瀝等外界環(huán)境的影響，污染物又會重新浸出造成二次污染。本實驗以純水為浸提劑，通過浸出實驗，分別測定1 d和28 d時泥餅浸出液的TN、TP、COD值，將其結(jié)果與未經(jīng)處理的原泥浸出液進行對比，從而判斷3種絮凝劑對污染物的固定化作用。原泥浸出液的主要污染物指標如表2所示。圖5是1 d與28 d泥餅浸出液污染物指標對比曲線。

圖5表明：與未經(jīng)處理的淤泥原樣浸出液相比，1 d時壓濾泥餅浸出液各污染物指標均有所降低;28 d時，氮、磷的浸出濃度都有不同程度的提高，PAM的處理結(jié)果甚至高于原泥，這說明簡單的絮凝結(jié)構(gòu)不足以穩(wěn)固淤泥中的氮、磷污染物，絮凝劑在某種程度上甚至加速了淤泥中非活性形態(tài)的氮、磷元素向活性形態(tài)的轉(zhuǎn)變。淤泥中大分子碳水化合物、腐殖質(zhì)等通過化學絮凝作用被吸附后，易降解部分經(jīng)微生物分解，繼續(xù)釋放出C、N、P、S等營養(yǎng)鹽[14]，這也是養(yǎng)護后期浸出液中氮、磷含量增高的原因。還有研究表明[15]：有機高分子絮凝劑存在降解過程，絮凝脫水20 d后的淤泥性狀與原泥接近，因此PAM處理的淤泥浸出液中氮、磷濃度偏高。COD則隨著時間增長逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這可能與淤泥中有機質(zhì)不斷降解有關(guān)。

由上述實驗結(jié)果分析可知，單一絮凝劑不能對泥餅中的污染物起到良好的固定作用，隨著時間增長，氮、磷浸出濃度增大，長期堆放容易對周圍環(huán)境造成二次污染。

4結(jié) 論

（1）3種絮凝劑對淤泥脫水和降污表現(xiàn)出不同的特點。隨著絮凝劑比例的增加，淤泥脫水率提高，投加量大于5‰時，脫水率增加不明顯，最佳投放量是5‰，此時PAM的脫水效果最好。PAM的降污能力不如FeCl3及AlCl3，其中FeCl3能吸附濾液中70%以上的TN、TP，效果優(yōu)于AlCl3，但后者對COD的降低作用較好，具體的投放比例與COD去除率的關(guān)系仍需要進一步探討。當FeCl3，AlCl3投放量在3‰～5‰范圍內(nèi)，濾液中的TN、TP、COD最低。

（2）不同放置時間下，泥餅浸出液中不同污染物浸出濃度變化情況不同。氮、磷釋放量隨著時間延長而增加，COD則逐漸降低，28 d時浸出濃度趨于穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明：單一絮凝劑不足以穩(wěn)固淤泥中的污染物，經(jīng)處理的泥餅仍然存在較大的二次污染風險。

（3）考慮到有機和無機絮凝劑的優(yōu)點，聯(lián)合使用兩種絮凝劑，將有助于進一步降低淤泥含水率和固定污染物。絮凝劑的復混效用將是下一階段的研究重點。

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（編輯：唐湘茜）