复合絮凝调理对湖泊底泥脱水性能研究

徐扬帆， 白 尧， 夏新星

（1.中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040； 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，武汉 430040； 4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，武汉 430040； 5.中交二航局市政建设有限公司，辽宁大连 116600）

河湖中大部分污染物质随着时间的累积而逐渐沉淀在底泥中，从而使底泥成为河湖内源污染的主要来源［1］. 目前治理河、湖底泥内源污染的重要措施为疏浚清淤，这也是改善和维护河流与湖泊水质的主要方法之一［2］. 在疏浚清淤过程中，底泥被严重扰动后会加强底泥内部污染物质的释放，从而对周边环境造成二次污染［3］. 国内对疏浚底泥的研究主要集中在淤泥减量化和无害化处置技术等方面，而底泥脱水是淤泥减量化处理技术的关键步骤之一［4-6］，范杨臻等研究了絮凝剂的投加量对淤泥絮凝沉降性能与沉降速度的影响［7］. 在对淤泥添加絮凝剂进行脱水试验过程中的研究发现，离子型有机絮凝剂高效絮凝主要机理为吸附架桥作用，而电中和则起到辅助作用［8］. 因此絮凝剂的投加对疏浚底泥的脱水处理具有重要的意义.

目前有关絮凝剂的研究主要在改善污泥脱水性能方面，而投加絮凝剂可以使水中的杂质与污泥沉降速度加快. 絮凝剂一般分为天然高分子絮凝剂、无机高分子絮凝剂、有机合成和生物絮凝剂等［9-10］，其在淤泥脱水中的主要机理包括吸附架桥效应、电荷中和作用、网捕卷扫作用等［11-12］. 从当前工程上使用情况来看，使用量较大，应用较为广泛的絮凝剂为无机絮凝剂和有机絮凝剂. 而将这两种絮凝剂通过融合进行改进，变成一种稳定的互溶体系，从而形成一种新的结构更加稳定、絮凝沉降能力更加强的高分子聚合物是目前生产中的研究重点［13］.

本研究以武汉市万家湖的湖心底泥为研究对象，通过自主研发改性剂（self-developed modifier，SDM）与絮凝剂对淤泥进行联合调理，分析不同种类及不同投加量的絮凝剂与SDM对湖泊底泥脱水特性的影响，并筛选出最优配合比，为淤泥脱水在工程应用中提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验仪器

本试验的仪器设备包含pH计、污泥比阻测定仪、马弗炉、恒温鼓风干燥箱、多工位恒温磁力搅拌器、超纯水机、分析天平.

1.2 试验材料

使用抓斗采样器采集武汉市万家湖表层20 cm的底泥于塑料桶内保持含水率，然后运回实验室. 取回的淤泥部分经风干磨碎后过2 mm 筛后备用，其基本性质按照国家标准进行测定，其中淤泥有机质含量为7.61%，含水率为63.25%，pH为7.74，污泥比阻为1.58×1012cm/g.

1.3 絮凝剂种类的选择及自主研发改性剂配比

目前工程项目上经常使用有机高分子絮凝剂、无机高分子絮凝剂、无机金属盐混凝剂一种或多种药剂联合使用，以此来提高淤泥絮凝的脱水效果. 本研究选择的絮凝剂为目前市面上常用的絮凝剂，分别为聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PFC）、阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）. 研究发现经过粉煤灰、石灰、赤泥等废料调理后的淤泥，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由工业废料组成，分别为磷石膏20%～30%，膨润土20%～30%，粉煤灰30%～40%，生石灰1%～10%.

1.4 试验分析方法

1.4.1 絮凝剂单因素试验 向100 g原始淤泥中加入267.5 mL纯水得到含水率为90%的泥浆作为试验的处理对象. 按配制质量浓度均为1%的絮凝剂溶液备用，絮凝剂及SDM投加量见表1. 在多工位恒温磁力搅拌器上采用边搅拌边注入的方式，转速50 r/min，慢速2 min内加完絮凝剂. 置于量筒内沉淀30 min，记录淤泥沉降比.

表1 絮凝剂单因素试验设计Tab.1 Single factor test design of flocculants

待淤泥沉降30 min 后，使用小型泵或针管抽走上清液，收集尾水，上清液取出测定pH，下部沉积淤泥取出测定含水率、pH、污泥比阻. 测定污泥比阻过程中，控制抽滤压力为0.35 MPa，记录下泥饼干化开裂时间t，抽滤后的泥饼也取出测定含水率和pH，计算整个实验过程的脱水率.

1.4.2 絮凝剂复配方案 絮凝试验先研究单独添加各絮凝剂时，对上覆水pH及淤泥沉降的影响，之后选择絮凝沉降效果较好的絮凝剂进行组合，进一步分析组合絮凝剂对底泥絮凝沉降的效果.

1.4.3 板框压滤实验 将复配好的絮凝剂与SDM 进行淤泥板框压滤实验，隔膜板框压滤机的过滤面积为0.8 m×0.8 m，将含水率为80%的淤泥800 L置于1000 L污泥调理罐中，加入絮凝剂及自主改性剂SDM 对淤泥进行调理，以160 rmin 搅拌30 min. 搅拌结束后由螺杆泵输送至贮泥罐，采用压缩空气将贮泥罐中的淤泥压入压滤机内，其中进料压力为0.5 MPa，进料时间75 min，压榨压力为0.9 MPa，压榨时间10 min.板框压滤实验主要考察泥饼含水率、泥饼厚度及尾水pH.

2 试验结果及分析

2.1 絮凝剂及SDM试验

2.1.1 絮凝剂单参试验 本试验中污泥沉降比随PAC投量增加而呈上升趋势（图1），当投加量为2 g/kg 时，污泥沉降比达到最大为72.55%. 而投加不同浓度的PFC 后，污泥沉降比变化不大，在59%～62%的范围内.本试验向淤泥分别投加不同浓度的APAM和CPAM对淤泥进行调理，均出现了絮状的矾花，但矾花的沉降性较差，均未观察到与上清液明显分层的现象. 这可能是由于在未投加PAC的情况下，PAM凝聚过程中形成颗粒较大絮凝体并未脱去稳定性，导致絮状的矾花无法沉降.

图1 不同絮凝剂调理下污泥沉降比及污泥比阻的变化Fig.1 Changes of sludge sedimentation ratio and sludge specific resistance under the conditioning of different flocculants

一般认为，污泥比阻在1012～1013cm/g的污泥为难过滤的污泥，比阻小于0.4×1012cm/g 属于易过滤污泥.本研究中原状淤泥比阻为1.58×1012cm/g，因此属于难过滤淤泥. 而投加药剂调理后，污泥比阻随PAC 投加量增加而减小，而随PFC 投加的浓度却呈先增加后上升趋势. 当PFC 的投加量为2 g/kg 时，污泥比阻最低为1.2×1011cm/g. 这是因为随着PFC 投加量的加大，溶液中三价铁水解生成带正电荷的多羟基聚合物，使溶液中带负电荷离子的浓度增加，当溶液中的负电荷离子浓度过高时，使絮凝体也带上相反电荷，从而增大了胶粒之间的排斥力，让絮凝效果减弱，使污泥比阻增大［15-16］.

淤泥加入PAC调理，沉降30 min后，沉淀淤泥含水率在83.56%～85.52%之间（图2），其中PAC 为0.5 g/kg时最低为83.56%. 抽滤后淤泥泥饼的含水率随PAC投量增加而呈上升趋势. 全过程中淤泥的脱水率在PAC 浓度为0.5 g/kg 最高为91.97%，当PAC 投加量为3 g/kg 时全过程中淤泥的脱水率最低为89.57%.

图2 PAC调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率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调理沉降30 min后，沉淀淤泥含水率变化不大，均值为81%（图3），其中PFC投加量为2 g/kg时最低为80.88%. 抽滤后淤泥泥饼的含水率在PFC 投加量为3 g/kg 时最高为47.92%，PFC 投加量为0.5 g/kg最低为42.37%. 全过程中淤泥的脱水率随PFC 投加量增加而呈下降趋势，范围为90.56%～92.31%.

图3 PFC调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率Fig.3 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PFC conditioning

从表2可以看出，在不同投加量PAC、PFC对淤泥的调理下，其上清液、沉淀淤泥pH及泥饼pH均为中性，符合污水《污水排入城镇下水道水质标准》（CJ 343—2010）和泥饼《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》（GB/T 24600—2009）回用标准.

表2 絮凝剂调理下上清液及淤泥pH变化Tab.2 Changes of pH of supernatant and sludge under conditioning of flocculants

本研究中PAC对淤泥的脱水效果要优于PFC，相对于铁盐水解生成的多羟基络合物，铝盐水解生成的多核络合物往往具有较高的正电荷和比表面积，可以迅速吸附水体中带负电荷的杂质，中和胶体电荷、压缩双电层及降低胶体电位，促进胶体和悬浮物等物质快速脱稳、凝聚和沉淀［17-18］. 因此选择PAC进行复配实验.

2.1.2 SDM 试验 由图4 可知，随着SDM 投加量的增加，沉淀淤泥的含水率呈下降趋势，而抽滤泥饼的含水率呈先增加后减小，当SDM投加量为30 g/kg时，其含水率最高为43.68%. 全过程的脱水率变化并不显著，范围为91.12%～92.98%.

图4 SDM调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率Fig.4 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under self-developed pharmaceutical conditioning

随着SDM投加量的加大（表3），污泥沉降比呈现先增加后降低的趋势，而上清液、沉淀淤泥和泥饼的pH呈上升趋势，污泥比阻不断降低. 综合考虑，SDM 投加量在25～30 g/kg 范围内是比较合理的，尤其是投加量在25 g/kg左右时性价比最高.

表3 SDM调理下淤泥理化特性变化Tab.3 Changes in the physical and chemical properties of sludge under self-developed modifier conditioning

2.2 絮凝剂复配试验

工程上通常使用PAC和PAM进行复配，而根据絮凝剂单参实验可以得出，向淤泥中投加量为0.5 g/kg的PAC 效果最好，因此本研究选择投加量为0.5 g/kg PAC 与10 mg/kg、15 mg/kg、20 mg/kg、50 mg/kg 的APAM、CPAM分别进行复配试验.

PAC+APAM组合的污泥沉降比随APAM投量的增加而降低（图5），当APAM浓度为50 mg/kg，污泥沉降比最低为44.23%. PAC+CPAM 组合的污泥沉降比均高于PAC+APAM 组合，当CPAM浓度达到15 mg/kg时，其比值趋于稳定. 复配试验中PAC+APAM 组合的淤泥比阻变化差异较小，范围为7.2×1010～8.3×1010cm/g，且均低于PAC+CAPM 组合. 随着CAPM 投量增加，其淤泥比阻呈先增加后降低的趋势，当CPAM 投加量为15 mg/kg时，其污泥比阻最大为1.67×1011cm/g.

图5 不同复配絮凝剂调理下污泥沉降比及污泥比阻的变化Fig.5 Changes of sludge sedimentation ratio and sludge specific resistance under the conditionings of different compound flocculants

在PAC+APAM 和PAC+CPAM 调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率如图6 和图7 所示，在PAC+APAM 调理下，沉淀淤泥含水率随APAM 浓度的增加而降低，而抽滤后泥饼含水率变化差异并不显著，范围为43.51%～45.39%. 当APAM 为20 mg/kg 时，其全过程脱水率达到最大为91.43%，而脱水率最低处为90.76%. 对于PAC+CPAM复配组合，随着CPAM 投量的增加，其沉淀淤泥与抽滤泥饼的含水率变化趋势相同，当CPAM 为15 mg/kg时，其含水率最高. 而全程脱水率的变化趋势与PAC+APAM复配组合相同，当CPAM为20 mg/kg时达到最大为91.68%. 表4 中能直接反映在复配絮凝剂调理下，上清液、沉淀淤泥及抽滤泥饼的pH值. 结果表明，添加絮凝剂后，并未明显改变淤泥的pH值.

图6 PAC+APAM调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率Fig.6 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PAC+APAM conditioning

图7 PAC+CPAM调理下淤泥、泥饼含水率及全过程脱水率Fig.7 The moisture content of sludge and mud cake and the dehydration rate of the whole process under PAC+CPAM conditioning

表4 复配絮凝剂调理下上清液及淤泥pH变化Tab.4 The pH changes of the supernatant and sludge under the conditioning of the compound flocculant

本研究中，将APAM和CPAM分别与PAC配合使用后，APAM的处理效果优于CPAM，说明APAM在絮凝沉降过程中表现出良好的絮体化和阴、阳离子的协同作用效应. 并且PAC+APAM复合絮凝剂对淤泥的絮凝效果要优于单一絮凝剂，因为复合絮凝剂既可以让无机絮凝剂发挥无机金属盐中带电荷金属离子的电中合作用，同时也可以让有机高分子絮凝剂作为大分子基团发挥吸附架桥作用以及利用吸附的活性基团从而使其具有网捕作用，网捕其他杂质，从而强化了絮凝效果［19-21］.

2.3 板框压滤实验

将絮凝剂与SDM 的最优投加量用于板框实验，从表5 可以看出，SDM 与PAC+APAM 联合调理的效果，比PAC+APAM 单独调理的效果要好很多，当单独使用PAC+APAM 的投量分别为0.5 g/kg 和20 g/kg 时，泥饼的含水率为29.36%，而加入投量为25 g/kg的SDM时，泥饼含水率降至26%，降低了3.36%.

表5 板框实验结果Tab.5 Results of plate and frame experiment

3 结论

1）当向淤泥中分别加入不同投量的PAC、PFC、APAM和CPAM时，PAC对淤泥脱水的效果最好，其次是PFC，而APAM 和CPAM 的效果并不显著. 并且当PAC 为0.5 g/kg 时的效果要优于其他三个投加量（1 g/kg、2 g/kg、3 g/kg），SDM投加量在25 g/kg左右时效果最优；

2）当选择0.5 g/kg PAC与投加量为10 mg/kg、15 mg/kg、20 mg/kg、50 mg/kg的APAM、CPAM分别进行复配时，PAC+APAM复配组合要优于PAC+CPAM组合，且当APAM的投加量为20 mg/kg时效果最好；

3）在APAM、PAC 和自主研发改性剂SDM 投加量分别为20 g/kg、0.5 g/kg、25 g/kg 的复合调理方案下，板框脱水泥饼含水率可降至26%，脱水效果明显.