絮凝剂提高疏浚泥浆泥水分离性能研究

刘黎黎， 张伟， 徐得潜， 陈慧， 吴立人， 李云龙

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 合肥 230009； 2.安徽省交通勘察设计院有限公司， 合肥 230011）

河湖疏浚用于改善河湖水质、 保证河道正常泄洪和航运畅通， 同时产生大量疏浚泥浆［1］。 疏浚泥浆含水率高， 体积大， 投加絮凝剂处理后， 可减少堆场面积和淤泥体积， 便于运输和水资源利用， 减少环境污染。

研究人员对投加絮凝剂泥水分离技术进行研究， 并取得一些成果。 梁启斌等［2］和杨莉等［3］研究发现滇池疏浚底泥的Al2（SO4）3最佳投加量为170 mg／L， 处理后的上清液可直接排放。 李川等［4］提出一种基于传统的化学辅助脱水法和真空预压法的自由水渗透法的污染底泥快速干化新工艺。 郭利芳［5］研制一种新型共价键型絮凝剂用于疏浚底泥深度脱水。 牛美青等［6］研究表明无机混凝剂与有机混凝剂联用对泥水的分离效果明显好于单一混凝剂。马文浩等［7］利用沉降柱进行泥浆絮凝沉降试验， 选出有机和无机絮凝剂最佳复配比。 杨磊［8］利用有机-无机、 有机-生物复配絮凝剂提高絮凝效果。郭利芳等［9］研究表明复合絮凝剂对底泥具有高效的脱水作用， 以及对重金属具有良好的稳定效果。郭亚萍等［10］将三氯化铁与聚乙烯醇进行复配， 以改善生活污泥脱水效果。 刘自莲等［11］考察研究了微生物絮凝剂的特性及其在污泥脱水和改善污泥沉降性能方面的应用。

以上研究均未考虑含泥量和动态情况下对絮凝剂选择及沉降效果的影响， 基于河道疏浚泥浆泥水分离特点， 即上清液直排水体、 减少堆场占地面积和泥浆干化时间， 采用淤泥沉降比、 下降速率、 剩余淤泥体积和上清液SS 浓度等淤泥沉降性能指标进行絮凝剂筛选和优化， 并考虑淤泥性质差异造成的含泥量不同， 采用静置试验和动态试验方法， 在不考虑泥浆pH 值和温度等因素影响的情况下， 对絮凝剂提高疏浚泥浆泥水分离效果进行研究。

1 材料与方法

1.1 试验泥浆

本研究选择安徽省当涂县姑溪河作为试验泥样的采样地点。 疏浚所产生的泥浆都输送至河流附近的抛泥区， 泥样用筛网将树枝、 石头等杂质去除，再将其冷藏密封保存于冰箱中。 泥浆基本性质如表1 所示。

表1 泥浆性质Tab. 1 Characteristics of slurry

1.2 试验用絮凝剂

综合絮凝剂的絮凝效果、 经济性及对环境的影响， 试验初步确定8 种絮凝剂， 包括4 种低分子絮凝剂： 氧化钙（CaO）、 氢氧化钙（Ca（OH）2）、 氯化铝（AlCl3）和三氯化铁（FeCl3）； 4 种高分子絮凝剂：聚合氯化铝（PAC）、 聚合氯化铝铁（PAFC）、 聚合硫酸铁（PFS）和聚丙烯酰胺（PAM）， 上述絮凝剂均为分析纯。

1.3 动态试验装置

动态泥水分离装置如图1 所示， 其中絮凝、 沉淀和溢流区域容积依次为0.09、 0.72 和0.06 m3。

图1 泥水分离装置Fig. 1 Mud-water separator

1.4 试验方法

（1） 量筒静置试验。 将200 mL 含泥量为5%的泥浆样本倒入250 mL 量筒中， 再倒入不同剂量的药剂充分搅拌后静置沉淀， 并观察泥浆沉降效果。 泥浆沉降性能指标包括： 清浑界面下降速率v60， 即60 min 后清浑界面的下降体积与时间比值；淤泥沉降比SV30， 即泥浆与药剂混合液在量筒静置30 min 后沉降的淤泥占原混合液体积的百分数［12］；1 h 后淤泥体积V1h， 即静止1 h 后量筒内底部淤泥的体积； 上清液SS 浓度， 即上清液中固体悬浮物含量。 通过上述指标分别筛选出最佳无机低分子和高分子絮凝剂， 将两者进行比较确定最佳絮凝方案。 配置含泥量分别为10% 和15% 的泥浆以验证絮凝效果， 并探求含泥量和药剂投加量的关系。

（2） 动态泥水分离试验。 抛泥区一般设置在疏浚河流的附近， 因采用大型机械对征收土地进行挖方而成。 绞吸船将泥浆抽送至抛泥区前段进行长时间自然沉淀， 缓慢流至末段溢流或设置溢流板， 通过观察上清液高度调整溢流板高度。 在泥水分离装置模拟抛泥区的试验中， 考虑到投加药剂需要与泥浆进行充分混合和反应， 因此在装置中增加挡板，先进行充分的混合反应将大部分泥浆留在反应区，再通过溢流孔至沉淀区进行细颗粒的沉降， 清水再溢流过挡板在溢流区收集。

动态泥水分离试验中， 将淤泥加水配成含泥量为5% 的泥浆盛放在200 L 的泥桶中， 按设定的浓度将絮凝剂加水混合后放置在桶中， 泥浆和药剂通过水泵抽至装置前段， 泥浆流量为160 L／h， 絮凝剂流量为14.4 L／h。 试验兼顾经济性和上清液SS含量来比较方案优劣。

1.5 分析方法

清浑界面下降速率v60和淤泥沉降比SV30分别按下式计算：

式中： V 为清浑界面60 min 下降体积， mL；V1为混合液沉降30 min 后底部淤泥体积， mL； V0为原混合液体积， mL。

1 h 后淤泥体积V1h直接观测， 上清液SS 浓度采用SS-1Z 悬浮物测试仪测定。

2 结果与讨论

2.1 最佳絮凝剂选择

2.1.1 无机低分子絮凝剂筛选和优化

采用量筒静置试验对4 种低分子絮凝剂进行筛选， 含泥量为5%， 絮凝剂投加量为100 mg／L， 结果见表2。 由表2 可知， 疏浚泥浆投加絮凝剂可明显改善泥浆沉降性能， 其原因是絮凝剂形成絮体矾花物质吸附在淤泥颗粒上， 甚至进入淤泥的孔隙中将淤泥原有的间隙水挤出， 降低淤泥含水率， 减少颗粒之间的排斥作用， 同时， 已脱稳颗粒在絮凝剂絮体吸附架桥作用下重新凝聚， 形成具有更大比表面积的矾花物质， 从而促进淤泥的脱水絮凝， 改善其沉降性能。

表2 无机低分子絮凝剂处理泥浆沉降性能指标比较Tab. 2 Comparison of settling performance indexes of slurry treated with inorganic low molecular flocculants

综合考虑SV30、 v60、 V1h和上清液SS 浓度， 泥水分离效果最好的絮凝剂是Ca（OH）2。 再分别投加50、 100 和200 mg／L 的絮凝剂Ca（OH）2至含泥量为5% 的泥浆并迅速搅拌， 初步确定最佳投加量约为100 mg／L。 为进一步确定Ca（OH）2的最佳投加量， 取4 个250 mL 量筒加入200 mL 含泥量为5%的泥浆， 在Ca（OH）2投加量分别为70、 100、 130和160 mg／L 的条件下进行试验， 投加完Ca（OH）2溶液后迅速搅拌， 在沉降结束时记录并计算相关数据， 结果见表3。 由表3 可知， 当Ca（OH）2的投加量为70 mg／L 时， SV30、 v60和V1h等指标均为最佳， 而其上清液SS 的质量浓度为286 mg／L。

表3 不同Ca（OH）2 投加量下泥浆沉降性能指标比较Tab. 3 Comparison of settling performance indexes of slurry with different Ca（OH）2 dosage

2.1.2 高分子絮凝剂筛选和优化

通过量筒静置试验对4 种高分子絮凝剂进行筛选， 含泥量为5%， 絮凝剂投加量均为100 mg／L，结果见表4。

表4 高分子絮凝剂处理后泥浆沉降性能指标比较Tab. 4 Comparison of settling performance indexes of slurry after treated by polymer flocculants

综 合 考 虑SV30、 v60、 V1h和 上 清 液SS 浓 度，泥水分离效果最好的高分子絮凝剂为PFS。 分别投加50、 100 和200 mg／L 的絮凝剂PFS 至含泥量为5% 的泥浆并搅拌， 初步确定最佳投加量约为200 mg／L。 为进一步确定PFS 最佳投加量， 取4 个250 mL 量筒加入200 mL 含泥量为5%的泥浆， 分别投加0.2% 的PFS 溶液15、 20、 25 和30 mL， 即对应的PFS 投加量分别为150、 200、 250 和300 mg／L， 迅速搅拌至沉降结束时记录并计算相关数据， 结果见表5。 由表5 可知， 当PFS 投加量为200 mg／L 时，SV30、 v60和V1h性能指标均为最佳， 而其上清液SS的质量浓度为71.4 mg／L。

表5 不同PFS 投加量下泥浆沉降性能指标比较Tab. 5 Comparison of settling performance of slurry with different PFS dosage

2.1.3 最佳絮凝剂确定

结合表3 和表5 可以看出， 当无机低分子絮凝剂Ca（OH）2的投加量为70 mg／L 时， 其V1h与高分子絮凝剂PFS 投加量为200 mg／L 时相同， 但上清液SS 浓度明显高于200 mg／L 的PFS， 从保护水环境角度考虑， 确定最佳絮凝剂为200 mg／L 的PFS。

高分子絮凝剂PFS 泥水分离效果好于无机低分子絮凝剂Ca（OH）2， 主要原因是高分子絮凝剂的絮凝体形成速度快， 絮体较大， 沉降速度快等， 同时PFS 具有吸附电中和、 吸附架桥和沉淀物网捕卷扫作用。

2.2 泥浆絮凝试验

将姑溪河淤泥配制成含泥量分别为10% 和15% 的泥浆各4 组， PFS 的投加量分别为200、300、 400 和500 mg／L， 迅速搅拌， 在沉降结束时记录并计算相关数据， 结果见表6。

由表6 可知， 对于含泥量为10% 和15% 的泥浆， PFS 的最佳投加量均为200 mg／L， 该结论与含泥量为5% 的泥浆一致， 且沉降速度较快， 而上清液SS 浓度显著升高。 当泥浆的含泥量在15% 以下时， 絮凝剂最佳投加量与泥浆含泥量基本无关，但是随着泥浆含泥量上升， 沉降速度明显下降， 上清液也变清澈， 剩余淤泥体积显著增加。

表6 不同浓度PFS 处理10%、 15% 泥浆沉降性能指标比较Tab. 6 Comparison of settling performance indexes of 10% and 15% slurry treated by PFS with different concentrations

2.3 动态泥水分离装置试验

动态试验中， 无机絮凝剂Ca（OH）2投加量为70 mg／L， PFS 的投加量为200 mg／L。 絮凝剂与泥浆在管道中混合输送至沉淀区静置沉淀， 到达一定高度经溢流孔进入溢流区， 试验结果如图3、 图4所示。 絮凝剂使用情况对比如表7 所示。

图3 沉淀区Fig. 3 Sedimentation zone

图4 溢流区Fig. 4 Overflow zone

由表7 可知， 当PFS 投加量为200 mg／L 时， 处理每吨泥浆的费用约为0.68 元， 且易使上清液发黄； 当Ca（OH）2投加量为70 mg／L 时， 其费用更低，且上清液通透， 因此在实际抛泥区中进行泥浆的泥水分离时最佳方案为投加70 mg／L 的Ca（OH）2。

表7 絮凝剂使用情况对比Tab. 7 Comparison of flocculants

3 结论

（1） 静态量筒试验中， 当含泥量为5% 时， 最佳絮凝方案为PFS 的投加量为200 mg／L。 泥浆在一定含泥量范围内， 絮凝剂最佳投加量与泥浆含泥量基本无关， 但随着泥浆含泥量上升， 沉降速度明显下降， 剩余淤泥体积显著增加。

（2） 在量筒泥浆静置试验结果的基础上， 通过搭建抛泥区的模型进行动态泥水分离研究， 从经济和泥水分离效果的角度考虑， 选择出70 mg／L的Ca（OH）2作为动态情况下的最佳絮凝剂。

（3） 本文仅从宏观角度对淤泥脱水性能进行了试验、 观测和研究分析， 今后还需要进一步从微观角度对淤泥的脱水性能进行研究。 絮凝剂对泥浆脱水性能影响的机理， 以及脱水过程中的形态变化、化学反应等尚需更深入的研究。