徐揚帆， 白 堯， 夏新星

（1.中交第二航務工程局有限公司，武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設施智能制造技術(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有限公司，遼寧大連 116600）

河湖中大部分污染物質(zhì)隨著時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，底泥被嚴重擾動后會加強底泥內(nèi)部污染物質(zhì)的釋放，從而對周邊環(huán)境造成二次污染［3］. 國內(nèi)對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淤泥絮凝沉降性能與沉降速度的影響［7］. 在對淤泥添加絮凝劑進行脫水試驗過程中的研究發(fā)現(xiàn)，離子型有機絮凝劑高效絮凝主要機理為吸附架橋作用，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、無機高分子絮凝劑、有機合成和生物絮凝劑等［9-10］，其在淤泥脫水中的主要機理包括吸附架橋效應、電荷中和作用、網(wǎng)捕卷掃作用等［11-12］. 從當前工程上使用情況來看，使用量較大，應用較為廣泛的絮凝劑為無機絮凝劑和有機絮凝劑. 而將這兩種絮凝劑通過融合進行改進，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的高分子聚合物是目前生產(chǎn)中的研究重點［13］.

本研究以武漢市萬家湖的湖心底泥為研究對象，通過自主研發(fā)改性劑（self-developed modifier，SDM）與絮凝劑對淤泥進行聯(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用中提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

本試驗的儀器設備包含pH計、污泥比阻測定儀、馬弗爐、恒溫鼓風干燥箱、多工位恒溫磁力攪拌器、超純水機、分析天平.

1.2 試驗材料

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，然后運回實驗室. 取回的淤泥部分經(jīng)風干磨碎后過2 mm 篩后備用，其基本性質(zhì)按照國家標準進行測定，其中淤泥有機質(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

目前工程項目上經(jīng)常使用有機高分子絮凝劑、無機高分子絮凝劑、無機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 試驗分析方法

1.4.1 絮凝劑單因素試驗 向100 g原始淤泥中加入267.5 mL純水得到含水率為90%的泥漿作為試驗的處理對象. 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 絮凝劑單因素試驗設計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，上清液取出測定pH，下部沉積淤泥取出測定含水率、pH、污泥比阻. 測定污泥比阻過程中，控制抽濾壓力為0.35 MPa，記錄下泥餅干化開裂時間t，抽濾后的泥餅也取出測定含水率和pH，計算整個實驗過程的脫水率.

1.4.2 絮凝劑復配方案 絮凝試驗先研究單獨添加各絮凝劑時，對上覆水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行組合，進一步分析組合絮凝劑對底泥絮凝沉降的效果.

1.4.3 板框壓濾實驗 將復配好的絮凝劑與SDM 進行淤泥板框壓濾實驗，隔膜板框壓濾機的過濾面積為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 對淤泥進行調(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內(nèi)，其中進料壓力為0.5 MPa，進料時間75 min，壓榨壓力為0.9 MPa，壓榨時間10 min.板框壓濾實驗主要考察泥餅含水率、泥餅厚度及尾水pH.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 絮凝劑及SDM試驗

2.1.1 絮凝劑單參試驗 本試驗中污泥沉降比隨PAC投量增加而呈上升趨勢（圖1），當投加量為2 g/kg 時，污泥沉降比達到最大為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).本試驗向淤泥分別投加不同濃度的APAM和CPAM對淤泥進行調(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. 當PFC 的投加量為2 g/kg 時，污泥比阻最低為1.2×1011cm/g. 這是因為隨著PFC 投加量的加大，溶液中三價鐵水解生成帶正電荷的多羥基聚合物，使溶液中帶負電荷離子的濃度增加，當溶液中的負電荷離子濃度過高時，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. 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PAC 投加量為3 g/kg 時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，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)標準》（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）回用標準.

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對淤泥的脫水效果要優(yōu)于PFC，相對于鐵鹽水解生成的多羥基絡合物，鋁鹽水解生成的多核絡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進行復配實驗.

2.1.2 SDM 試驗 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，而抽濾泥餅的含水率呈先增加后減小，當SDM投加量為30 g/kg時，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，而上清液、沉淀淤泥和泥餅的pH呈上升趨勢，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左右時性價比最高.

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 絮凝劑復配試驗

工程上通常使用PAC和PAM進行復配，而根據(jù)絮凝劑單參實驗可以得出，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分別進行復配試驗.

PAC+APAM組合的污泥沉降比隨APAM投量的增加而降低（圖5），當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CPAM濃度達到15 mg/kg時，其比值趨于穩(wěn)定. 復配試驗中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，當CPAM 投加量為15 mg/kg時，其污泥比阻最大為1.67×1011cm/g.

圖5 不同復配絮凝劑調(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APAM 為20 mg/kg 時，其全過程脫水率達到最大為91.43%，而脫水率最低處為90.76%. 對于PAC+CPAM復配組合，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相同，當CPAM 為15 mg/kg時，其含水率最高. 而全程脫水率的變化趨勢與PAC+APAM復配組合相同，當CPAM為20 mg/kg時達到最大為91.68%. 表4 中能直接反映在復配絮凝劑調(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. 并且PAC+APAM復合絮凝劑對淤泥的絮凝效果要優(yōu)于單一絮凝劑，因為復合絮凝劑既可以讓無機絮凝劑發(fā)揮無機金屬鹽中帶電荷金屬離子的電中合作用，同時也可以讓有機高分子絮凝劑作為大分子基團發(fā)揮吸附架橋作用以及利用吸附的活性基團從而使其具有網(wǎng)捕作用，網(wǎng)捕其他雜質(zhì)，從而強化了絮凝效果［19-21］.

2.3 板框壓濾實驗

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

表5 板框?qū)嶒灲Y(jié)果Tab.5 Results of plate and frame experiment

3 結(jié)論

1）當向淤泥中分別加入不同投量的PAC、PFC、APAM和CPAM時，PAC對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PAC 為0.5 g/kg 時的效果要優(yōu)于其他三個投加量（1 g/kg、2 g/kg、3 g/kg），SDM投加量在25 g/kg左右時效果最優(yōu)；

2）當選擇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分別進行復配時，PAC+APAM復配組合要優(yōu)于PAC+CPAM組合，且當APAM的投加量為20 mg/kg時效果最好；

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.