摘 要： 本文研究了淤泥絮凝劑、有機質(zhì)含量、溫度、PH值和淤泥顆粒粒度等關(guān)鍵因素對淤泥脫水性能的影響, 通過檢驗淤泥比阻和泥餅含水率, 比較了不同絮凝劑的脫水效果, 分析了不同有機質(zhì)含量和顆粒粒度對淤泥脫水性能的變化規(guī)律, 測試了淤泥脫水較佳溫度和pH值范圍。結(jié)果表明:聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑都能有效改善淤泥中的脫水性能, 絮凝劑的投入量應控制在2%3%;環(huán)境溫度20℃時, 淤泥的脫水性能較高;淤泥較佳的反應pH值范圍在9-11;淤泥中所含粗顆粒越多, 脫水后泥餅含水率越低, 脫水性能越好。較后提出了脫水性能綜合調(diào)理的方法。

近年來, 湖泊、河涌淤積污染問題引起廣泛關(guān)注, 需要治理的湖泊中待清的淤泥總量高達4.8億m, 而淤泥因高含水率、高有機質(zhì)以及包含成分復雜的有毒有機物和重金屬污染[1-2], 使其處置成為政府和城鎮(zhèn)居民關(guān)注的焦點, 因此如何快速、安全地處置數(shù)量龐大的淤泥, 成為淤泥疏浚工程的關(guān)鍵。

淤泥由于含水率高且含有機質(zhì), 即使采用機械脫水方式, 水分去除率仍有限, 而過高的含水率會增大后續(xù)處理工藝的實施難度[3], 因此需采用物理或化學方法改善污泥脫水性能, 實現(xiàn)有效固液分離, 達到淤泥減量化處理要求。目前關(guān)于淤泥脫水性能改善處理主要側(cè)重于絮凝劑、有機質(zhì)以及處理環(huán)境等方面研究。污泥使用效果較好的絮凝劑包括以陽離子型聚丙烯酰胺為代表的高分子混凝劑, 以及以聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、聚合硫酸鐵為代表的無機絮凝劑[4];張躍俊發(fā)現(xiàn)陰、陽非離子型絮凝劑因為其特征粘黏度和離子性質(zhì)的不同導致絮凝效果不同[5]。周國強研究發(fā)現(xiàn)水熱處理對污泥脫水性能產(chǎn)生影響, 溫度會改善絮凝劑的絮凝效率[6]。邢奕研究發(fā)現(xiàn)PH值是影響淤泥脫水性能的因素之一, 酸性條件下污泥中束縛水的含量較少, 具有較好的脫水性能[7]。目前關(guān)于淤泥脫水的研究側(cè)重于單個因素變化規(guī)律, 但是需要淤泥絮凝劑、有機質(zhì)含量、溫度、PH值和淤泥顆粒粒度等脫水性能關(guān)鍵因素的綜合研究, 通過綜合調(diào)節(jié)各個關(guān)鍵因素進一步改善淤泥脫水性能。

本研究探討了淤泥絮凝劑、有機質(zhì)含量、溫度、PH值和淤泥顆粒粒度等關(guān)鍵因素對淤泥脫水性能的影響, 通過檢驗淤泥比阻和泥餅含水率, 比較了不同絮凝劑的脫水效果, 分析了不同有機質(zhì)含量和顆粒粒度對脫水性能影響的變化規(guī)律, 探求了較佳的溫度、PH值范圍, 并提出了淤泥脫水性能綜合調(diào)理的方法。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

淤泥取自于武漢市東湖疏浚底泥, 淤泥的物理性質(zhì)見表1, 淤泥中粘粒成分主要由高嶺石、石英、長石、伊利石等組成, 黏土礦物成分吸水能力很強, 使得淤泥的含水率達到80%以上。

表1 淤泥物理性質(zhì)

絮凝劑選用聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、陽離子聚丙烯酰胺, 其中聚合氯化鋁和聚合氯化鐵呈顆粒狀, 聚丙烯酰胺呈白色顆粒, 分子量800~1100萬, 陽離子濃度在10%~65%, 水溶性好。有機質(zhì)使用腐殖酸, 呈棕黑色粉末, 含水分2%。

1.2 試驗方法

本文通過比阻 (SRF) 和泥餅含水量 (W) 衡量淤泥脫水性能。淤泥有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-水浴法測定, 粒度分析采用激光粒度分析儀, 比阻采用真空抽濾法 (見圖1) , 淤泥經(jīng)板框壓濾機脫水后測定含水率。

圖1 比阻測定裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑對淤泥脫水性能的影響

在淤泥泥漿中投入不同質(zhì)量的聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、陽離子聚丙烯酰胺后, 攪拌一定時間后靜置, 測試淤泥的比阻和泥餅含水率。當絮凝劑投入淤泥中, 可以看到泥漿迅速分為兩層, 并伴有大塊絮狀物產(chǎn)生, 上層液體清澈, 而未投加絮凝劑的淤泥泥漿上層液體較渾濁。聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑加入量對淤泥比阻和含水率的影響如圖2所示, 隨著三種絮凝劑加入量的增加, 淤泥比阻先快速降低, 當絮凝劑加入量達到3%之后, 淤泥比阻值保持穩(wěn)定。聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑加入量對淤泥比阻和含水率的影響如圖3所示, 聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑具有相似的趨勢, 隨著絮凝劑加入量的增加, 淤泥通過壓濾機壓濾后泥餅的含水率呈現(xiàn)先大幅降低后稍有增加的趨勢, 較終趨于穩(wěn)定;當絮凝劑加入量達到2%時, 泥餅含水率趨于穩(wěn)定, 加入量達到3%達到較低值, 聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑對應的含水率分別為41.8%、40.8%和41.8%。只有在絮凝劑投加量適當時才能起到較佳的絮凝效果, 因為此時膠體粒子部分表面被覆蓋, 微粒間才能產(chǎn)生有效的吸附架橋作用[8]。

圖2 不同絮凝劑對淤泥脫水性能的影響

圖3 不同絮凝劑對淤泥含水率的影響

一般認為淤泥比阻值低于10×10s/g時, 具備較好的脫水性能, 淤泥未處理前比阻值10×10s/g, 經(jīng)過聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑的處理后, 脫水性能均得到了大幅改善, 其中聚合氯化鐵對淤泥脫水性能的改善效果較佳;根據(jù)絮凝劑加入量對泥餅泥餅含水率的影響, 三種絮凝劑的加入量應控制在2%~3%;綜合考慮到淤泥脫水性能處理成本, 三種絮凝劑的投入量應控制在2%~3%。

淤泥經(jīng)2%絮凝劑聚合氯化鐵處理前后SEM圖見圖4, 未加入絮凝劑時, 淤泥顆粒之間有大量的空隙, 整個淤泥體系中充斥著大量間隙水和表面吸附水;加入2%聚合氯化鐵絮凝劑后, 淤泥中呈現(xiàn)大量絮體團聚現(xiàn)象。通過兩張照片對比說明絮凝劑加入淤泥中后, 起到吸附橋接作用, 利用絮凝劑自身水化物與淤泥顆粒聚集, 形成團聚絮體, 降低了淤泥顆粒之間的間隙水, 提高了淤泥的脫水性能。

圖4 淤泥經(jīng)2%絮凝劑聚合氯化鐵處理前后SEM圖 (2000)

2.2 有機質(zhì)對淤泥脫水性能的影響

淤泥中有機質(zhì)含量為0.81%, 在淤泥中添加腐殖酸, 攪拌均勻后密封放置一周, 然后根據(jù)重鉻酸鉀容量法測定有機質(zhì)含量, 制得到不同有機質(zhì)含量淤泥樣品, 較后加入一定量聚合氯化鐵絮凝劑進行比阻和泥餅含水率測試。有機質(zhì)含量對淤泥脫水性能的影響見圖5和圖6, 隨著淤泥含量增加, 淤泥比阻值和含水率均增大, 當有機質(zhì)含量很過8%時, 淤泥脫水性能大幅下降。有機質(zhì)中含有大量多價酸根, 能與淤泥中膠體微粒表面的陽離子形成絡合物, 具有較高的吸附性, 但是當有機質(zhì)含量過高時, 自身形成凝膠, 吸附大量泥漿顆粒水分, 導致水分子與顆粒難以分離, 降低了淤泥的脫水性能。

圖5 有機質(zhì)含量對淤泥脫水性能的影響

圖6 有機質(zhì)含量對淤泥泥餅含水率的影響

2.3 溫度對淤泥脫水性能的影響

將淤泥置于15、20、25、30℃溫度下, 加入一定量絮凝劑測試淤泥脫水性能。不同溫度對淤泥比阻和含水率的影響如圖7所示, 隨著溫度的增加, 淤泥的比阻和含水率平緩降低然后快速升高, 當溫度在20℃時, 淤泥的比阻較低, 這是因為溫度變化會造成淤泥脫水性能的波動, 溫度過高, 絮體顆粒細小、松散、沉降性能差, 而溫度過低, 絮體形成速度緩慢, 因此淤泥在20℃左右脫水性能較佳。

圖7 不同溫度對淤泥比阻和含水率的影響

2.4 PH對淤泥脫水性能的影響

圖8 不同PH值對絮凝劑比阻的影響

圖9 不同PH值對絮凝劑含水率的影響

絮凝劑的PH環(huán)境對淤泥脫水性能的影響十分重要, 通過H2SO4和Ca O調(diào)節(jié)淤泥PH值, 測試投入2%聚合氯化鐵絮凝劑時淤泥的比阻和含水率。不同PH值對淤泥比阻和含水率的影響見圖8和圖9, PH值在6~8時, 淤泥脫水性能較差, 絮凝團聚現(xiàn)象不明顯, 脫水后泥餅不緊密, 而在酸性和堿性條件下, 淤泥比阻值和含水率較低, 淤泥較佳的反應PH值范圍在9-11。這是因為酸性和堿性條件下, 絮凝劑能迅速水解, 陽離子和大分子絡合離子可以迅速與淤泥膠體表面的帶電粒子發(fā)生反應, 迅速產(chǎn)生網(wǎng)捕和壓縮雙電層作用, 形成較大絮體。

2.5 顆粒粒度對淤泥脫水性能的影響

底泥顆粒大小和分布是影響底泥脫水性能的重要因素。底泥的脫水性能隨著細膠體顆粒 (粒徑在1~100μm) 的增加而變差, 因為濾網(wǎng)的孔徑在1~100μm范圍內(nèi), 很膠體顆?？梢远氯麨V網(wǎng), 而小顆粒才能通過, 大顆粒被截留。將淤泥顆粒篩分為粗細兩部分, 粒徑分別為200~63μm和小于63μm兩種, 然后將粗細淤泥顆粒分別加水配置成含水率為90%的泥漿, 投入聚合氯化鐵絮凝劑, 測試淤泥泥餅含水率。淤泥顆粒粒徑對淤泥含水率的影響如表2所示, 淤泥中所含粗顆粒越多, 脫水后泥餅含水率越低, 脫水性能越好。

淤泥中顆粒細小, 比表面積大, 是淤泥中性質(zhì)較活躍的部分, 粘粒在液體中是帶電的, 其表面上的電荷一般由以下三種作用產(chǎn)生: (l) 粘?？偸沁x擇性地吸附與它本身結(jié)晶格架中相同或相似的離子。 (2) 粘粒由許多可解離的小分子締合而成, 與水作用或生成離子發(fā)生基, 而后分解, 再選擇性地吸附與礦物格架上性質(zhì)相同的離子于其表面而帶電。 (3) 粘土礦物中的同晶替代作用可以產(chǎn)生負電, 這種負電荷的數(shù)量取決于晶格中同晶替代的多少, 不受介質(zhì)的PH值影響。由于粘粒表面帶有電荷, 帶電粘粒在水中吸附很性水分子于顆粒的周圍形成水化膜, 在靜電吸引作用, 吸附溶液中與它電荷符號相反的離子聚集在其周圍, 形成反離子層。這部分反離子與粘粒表面上的離子形成的帶電層稱固定層, 而另一部分距顆粒表面較遠的反離子具有擴散到溶液中去的趨勢, 形成了與固定層電荷負號相反的另一帶電層, 稱為擴散層。從固定層邊緣到擴散層末端的距離作為擴散層的厚度, 這樣由固定層和擴散層就構(gòu)成了雙電層。因此淤泥中粘粒含量越大, 擴散層的總體體積越大, 導致水分子難以脫離。

表2 不同粒度分布淤泥泥餅含水率

2.6 淤泥脫水性能綜合調(diào)理

淤泥脫水性能達到較優(yōu), 需要根據(jù)淤泥自身有機質(zhì)含量和顆粒粒度, 調(diào)整絮凝劑處理時的PH值和溫度等環(huán)境因素。為調(diào)整淤泥PH達到9~11, 固定生石灰加入量為2%, 通過調(diào)整聚合氯化鐵絮凝劑加入量, 尋找淤泥脫水性能較適合的處理條件。

聚合氯化鐵絮凝劑加入量對2%Ca O淤泥比阻和含水率的影響如圖10所示, 從圖中可以看出在生石灰投加量為2%情形下, 聚合氯化鐵投加量為3%時, 泥餅的含水量較低達到39.79%, 此時污泥比阻為1.6×107s/g, 這是因為先投加一定量的生石灰, 起到了穩(wěn)定底泥, 改善底泥PH值的作用, 然后再投加聚合氯化鐵, 使得絮凝劑能在較佳的底泥環(huán)境中形成絮凝沉淀。而當聚合氯化鐵投加過量時, 導致泥漿系統(tǒng)中正電荷增多, 膠體微粒重新獲得穩(wěn)定, 導致脫水性能變差。另一方面, 在試驗結(jié)果的基礎上, 綜合考慮分析, 發(fā)現(xiàn)絮凝劑聚合氯化鐵投加量在2%與3%時, 剩余底泥比阻與泥餅含

圖10 聚合氯化鐵絮凝劑加入量對2%CaO淤泥比阻和含水率的影響

3 結(jié)論

通過本研究得出以下幾個結(jié)論:

聚合氯化鋁、聚合氯化鐵和聚丙烯酰胺三種絮凝劑都能有效改善淤泥中的脫水性能, 綜合考慮到淤泥脫水性能處理成本, 三種絮凝劑的投入量應控制在2%~3%;隨著淤泥含量增加, 淤泥比阻值和含水率均增大, 當有機質(zhì)含量很過8%時, 淤泥脫水性能大幅下降;環(huán)境溫度20℃時, 淤泥的脫水性能較高;淤泥較佳的反應PH值范圍在9-11;淤泥中所含粗顆粒越多, 脫水后泥餅含水率越低, 脫水性能越好。

根據(jù)淤泥絮凝劑、有機質(zhì)含量、顆粒粒度, 對淤泥脫水性能綜合調(diào)理, 調(diào)整生石灰投加量為2%, 聚合氯化鐵投加量為3%時, 泥餅的含水量較低達到39.79%, 污泥比阻為1.6×10s/g。

參考文獻

[1]張鐵軍, 丁建文, 鄧東升, 等.生石灰處理高含水率疏浚淤泥的含水率變化規(guī)律研究[J].巖土力學, 2009, 30 (9) :2775-2778.

[2]李沖, 呂志剛, 陳洪齡, 等.河湖疏浚淤泥的表征、絮凝和脫水[J].環(huán)境工程學報, 2013, 7 (2) :737-742.

[3]丁建文, 洪振舜, 劉松玉.疏浚淤泥流動固化處理與流動性試驗研究[C]//全國青年巖土力學與工程會議.2011.

[4]余志榮, 高廷耀, 周增炎.污泥表面電荷對污泥脫水性能的影響[J].上海環(huán)境科學, 1991 (8) :24-26.

[5]張躍軍, 黃娟鳳, 周莉, 等.不同離子性質(zhì)絮凝劑在淤泥脫水中的脫水作用特征[J].精細化工, 2007, 24 (9) :903-909.

[6]周國強, 歐陽仡欣, 郭宏偉, 等.污泥調(diào)理對其脫水性能的實驗研究[J].環(huán)境工程, 2015 (s1) :570-573.

[7]邢奕, 王志強, 洪晨, 等.不同PH值下胞外聚合物對污泥脫水性能及束縛水含量的影響[J].北京科技大學學報, 2015 (10) :1387-1395.

[8]劉林雙, 楊國錄, 王黨偉.絮凝劑比例以及淤泥濃度對淤泥脫水速率的影響[J].南水北調(diào)與水利科技, 2009, 7 (4) :57-59.