正交試驗法在河道底泥脫水調(diào)理劑篩選試驗中的應(yīng)用

王茜徵，王 慧，翟曉峰，李化山，桂 丕

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518000)

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正交試驗法在河道底泥脫水調(diào)理劑篩選試驗中的應(yīng)用

王茜徵，王 慧*，翟曉峰，李化山，桂 丕

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，廣東深圳 518000)

[目的]篩選具有良好底泥脫水效果的脫水調(diào)理劑。[方法]設(shè)置了對照(不添加調(diào)理劑)和配方Ⅰ、配方 Ⅱ 2個試驗組，其中試驗組以底泥比阻為試驗指標，以藥劑成分為因素、藥劑用量為水平，設(shè)計正交試驗，篩選各配方的最佳組合。[結(jié)果]配方 Ⅰ 的最優(yōu)配比為活性炭0.034 0 g，粉煤灰0.085 0 g，生石灰粉0.034 0 g，聚合氯化鋁鐵0.169 8 g，比阻為2.12×109m/kg；配方 Ⅱ 的最優(yōu)配比為鐵粉0.014 8 g，硫代硫酸鈉0.040 0 g，甲殼素0.012 5 g，檸檬酸0.014 8 g，比阻為53.70×109m/kg。[結(jié)論]正交試驗法在底泥脫水領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用性，不僅可以快速有效地篩選出脫水效果好的藥劑，也對脫水調(diào)理藥劑的配比起到優(yōu)化作用，對實際生產(chǎn)起到重要作用。

正交試驗法；底泥；脫水；比阻

隨著國民生活水平的提高，環(huán)境污染問題受到廣泛關(guān)注，從最初可見的水污染、空氣污染到一些潛在的環(huán)境污染，河道底泥淤積所造成的內(nèi)源污染也成為備受關(guān)注的污染類型之一。底泥的生物毒性已被證實，如樂安江20～195 km段沉積物均顯示出毒性[1]。底泥對水體富營養(yǎng)化也有很大影響，如云南滇池中80%的氮和90%的磷都分布在底泥中[2]。因此，河道底泥的治理是削減水體污染的有效途徑之一。目前，治理河道底泥的方法有原位處理和異位處理2種。原位處理方法包括原位物理、化學(xué)和生物控制法[3-6]，具有占地面積小、工藝流程簡單等優(yōu)點，但同時存在所需周期長、易引入二次污染和增加底泥量等問題；異位處理法雖然工藝復(fù)雜，所需成本較高，但不易造成二次污染，且對于急需清淤的河道效果明顯，因此作為常見的河道底泥處理方法。河道底泥異位處理是在底泥疏浚的基礎(chǔ)上，對底泥進行淋洗、固化穩(wěn)定化、焚燒、濃縮和脫水干化等處理[7-9]。我國每年因港口建設(shè)、維護及河湖治理產(chǎn)生了大量的疏浚底泥[10]，為防止疏浚底泥堆積產(chǎn)生二次污染，縮短減量化時間，底泥普遍采用 “添加脫水調(diào)理劑+機械脫水” 的處理方法。該方法也是快速實現(xiàn)底泥減量化及后續(xù)資源化利用的一項實用技術(shù)[11]，其核心是調(diào)理劑的種類、配比及機械脫水參數(shù)[12-16 ]。然而，現(xiàn)有的脫水調(diào)理劑種類繁多[17]，效果不同，成分配比不明確，導(dǎo)致脫水調(diào)理劑的成分確定工作難度大、負荷重。為快速準確地確定脫水調(diào)理劑的配方，常采用正交試驗法。筆者運用正交試驗法篩選河道底泥脫水調(diào)理藥劑及其最佳配比，旨在為今后配制新的底泥脫水調(diào)理劑提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗對象：采自深圳某河工業(yè)區(qū)及其宿舍區(qū)附近底泥，該底泥黑臭，且?guī)в休^多細顆粒泥砂。試驗配制泥漿的稀釋用水與底泥取自同一區(qū)域，為所采底泥的上覆河水，pH為6.5～7.5，呈灰綠色，有臭味。

調(diào)理劑成分：活性炭粉末、粉煤灰、生石灰粉、聚合氯化鋁鐵、鐵粉、硫代硫酸鈉、甲殼素、檸檬酸、硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉、水泥粉和鐵氧體。

儀器設(shè)備：六聯(lián)攪拌器(同步數(shù)顯)、真空泵(1 L)、真空表、布氏漏斗(1 mL、10 cm)、具塞計量筒(250 mL)及一些基本試驗器材等。

1.2 試驗設(shè)計 設(shè)空白組、配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 3個處理?？瞻捉M：不向泥漿中添加任何調(diào)理劑；配方 Ⅰ:在泥漿中添加活性炭粉末、粉煤灰、生石灰粉、聚合氯化鋁鐵；配方 Ⅱ:在泥漿中添加鐵粉、硫代硫酸鈉、甲殼素、檸檬酸、硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉、水泥粉和鐵氧體。其中，配方 Ⅱ 的后5種成分均有確定配比，而配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 的前4種只有配比范圍，需要通過正交試驗確定具體的配比參數(shù)。該試驗以加藥后的底泥比阻作為底泥脫水性能的指標。試驗裝置如圖1所示。

在獲取的調(diào)理劑成分范圍內(nèi)，通過設(shè)計正交試驗，以成分種類為因素，成分含量為水平，優(yōu)化2種調(diào)理劑的成分配比。配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 均有4種成分作為因素，3個設(shè)定的加藥量作為水平，因素與水平見表1、2。

1.3 操作方法 以環(huán)保絞吸船疏浚的泥漿平均含水率95%為初始含水率。通過測定底泥樣品含水率計算加水量，將采集的河水按計算量加入底泥中，配制成含水率為95%的初始泥漿。取配制的初始泥漿100 mL于250 mL燒杯中，分別按不同種類調(diào)理劑的加藥步驟及加藥量進行調(diào)理。設(shè)定快速攪拌速度為300 r/min，慢速攪拌速度為100 r/min，并用配制好的初始底泥做空白處理進行對比試驗。各處理調(diào)理方案：空白：配制含水率為95%的初始泥漿→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min;調(diào)理劑 Ⅰ:泥漿配制→活性炭、粉煤灰和生石灰添加→慢速攪拌3 min→聚合氯化鋁鐵→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min;調(diào)理劑 Ⅱ:泥漿配制→調(diào)理劑添加→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min。

注：1.固定鐵架；2.計量筒；3.抽氣接管；4.布氏漏斗；5.吸濾筒；6.真空泵；7.真空表；8.調(diào)節(jié)閥；9.放空閥；10.硬塑料管；11.硬橡皮管。Note: 1.Fixed brand; 2.Hopper; 3.Suction nozzle; 4.Buchner funnel; 5.Suction filter cartridge; 6.Vacuum pump; 7.Vacuum gauge; 8.Control valve; 9.Air release valve; 10.Hard plastic tube; 11.Hard rubber tube.圖1 比阻測定裝置Fig.1 The device of testing specific resistance

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表2 配方 Ⅱ 因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 配方 Ⅰ 的正交試驗結(jié)果 由表3可知，配方 Ⅰ 各成分的比阻極差不同，其中生石灰粉和聚合氯化鋁均較粉煤灰和活性炭粉的比阻極差大，說明生石灰粉和聚合氯化鋁在調(diào)理劑的脫水中所起的作用相對較大。原因與各成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，即活性炭粉和粉煤灰的主要作用是充當(dāng)調(diào)理過程的骨架，而生石灰粉不僅可以提高顆粒密度，還可以調(diào)節(jié)底泥環(huán)境的酸堿度，聚合氯化鋁鐵作為一種無機高分子化合物，可以在調(diào)解過程中發(fā)揮網(wǎng)捕、卷掃的作用，促使底泥中膠粒脫穩(wěn)，將細小松散的污泥微粒聚集成密集的大顆粒，經(jīng)重力作用沉降后，污泥顆粒間隙中的游離水和間隙水得以從污泥中析出，從而達到脫水效果。通過正交分析，得出最優(yōu)組合為A2B2C3D3，其所對應(yīng)的比阻值為43.60×109m/kg，較2.12×109m/kg大，因此就比阻而言，配方 Ⅰ 的最優(yōu)配方為A1B3C3D3。此外，根據(jù)對底泥過濾后的濾餅含水率、濾液濁度、pH及沉降性能的測定結(jié)果，組合A1B3C3D3同樣具有優(yōu)勢。

表3 配方 Ⅰ 的正交試驗結(jié)果

從圖2可以看出，不同藥劑成分呈現(xiàn)不同的脫水特征，對于活性炭粉，其添加量過多或者過少時，都會使比阻增大，從而導(dǎo)致脫水效果變差，這是由于活性炭粉具有一定的吸附能力，其多孔的表面會吸附一些顆粒物，從而使粒徑變大，顆粒物下沉，同時活性炭粉吸附于絮凝物上，有利于絮體的架橋，使脫水效果變好。但是由于該試驗pH均大于7，活性炭表面帶負電[18]，當(dāng)其添加量達到一定量時，其負電作用大于吸附作用，顆粒相互排斥，恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，脫水效果變差。粉煤灰對底泥脫水的作用效果與活性炭粉類似，添加量過多或者過少均不利于底泥脫水。隨著生石灰粉添加量的增加，底泥比阻不斷減小，即底泥脫水性能不斷提升，原因是生石灰不僅可以調(diào)節(jié)底泥pH，而且生石灰中的鈣與污泥中的有機物結(jié)合，可以提高污泥的顆粒密度，使污泥更容易與水分離。聚合氯化鋁鐵加入污泥中后經(jīng)水解縮聚可形成大量的氫氧化物固體從水中析出，這些氫氧化物一般都是聚合體，如[Al(OH)3]n，可以網(wǎng)捕、卷帶水中的細小膠粒形成絮狀物。隨著聚合氯化鋁鐵加入量的增加，比阻隨之減小，底泥的脫水性能也隨之提升，可見，聚合氯化鋁鐵越多，其產(chǎn)生的網(wǎng)捕、卷掃作用越強。雖然生石灰粉和聚合氯化鋁鐵的脫水性能隨著添加量的增大而增強，但投藥量的增加不僅會使底泥量增大，造成后期處理負荷過大，同時使得藥劑被浪費。此外，生石灰投加量過大，也會使出水水質(zhì)pH過高，造成水體污染。因此，各成分的用量不僅要滿足提升底泥脫水性能的要求，同時還應(yīng)該結(jié)合經(jīng)濟成本和環(huán)境影響將其控制在合理的范圍內(nèi)。因此，配方 Ⅰ 的最優(yōu)配比方案為活性炭粉0.040 7 g，粉煤灰0.101 9 g,生石灰粉0.135 8 g，聚合氯化鋁鐵0.067 9 g。

表4 配方 Ⅱ 的正交試驗結(jié)果

2.2 配方 Ⅱ 的正交試驗結(jié)果 由表4可知，檸檬酸的比阻極差較其他3個成分大，可見檸檬酸在該配方中起著重要作用，影響也較大。原因在于檸檬酸可以調(diào)節(jié)底泥pH，對藥劑配方所處的大環(huán)境造成影響，從而對藥劑脫水起重要作用。從圖3可見，檸檬酸濃度越大，底泥比阻越大，也就是當(dāng)檸檬酸濃度較小時，該配方的藥劑才能使底泥具有良好的脫水效果，因此，其他3個成分的添加量與比阻的關(guān)系受檸檬酸濃度的影響，而非僅僅受成分本身性質(zhì)的影響。因此，通過對正交試驗，可以得出最優(yōu)組合為E2F1G1H3，配比方案為鐵粉0.016 0 g,硫化硫酸鈉0.010 1 g，甲殼素0.005 0 g，檸檬酸0.005 9 g。經(jīng)驗證，該組合的比阻為365.00×109m/kg，較正交試驗中的比阻值大。從沉降效果而言，該配方的整體沉降速度都較慢，且沉降不夠徹底，上清液較為渾濁，不作為選取最優(yōu)組合的條件，因此就比阻而言，該配方的最優(yōu)組合為E3F2G1H3，比阻為53.70×109m/kg。

圖2 配方 Ⅰ 中各藥劑添加量對底泥比阻的影響Fig.2 Effect of different dosage of Formula I on SRF to the bottom

圖3 配方 Ⅱ 中各藥劑添加量對底泥比阻的影響Fig.3 Effect of different dosage of Formula Ⅱ on SRF to the bottom

3 結(jié)論與討論

正交試驗法在底泥脫水領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用性，不僅可以快速有效地篩選出脫水效果好的藥劑，也可以優(yōu)化脫水調(diào)理藥劑的配比，對實際生產(chǎn)具有重要作用。該試驗中，配方 Ⅰ 最優(yōu)配比為E1F3G3H3，比阻為2.12×109m/kg；配方 Ⅱ 最優(yōu)配比為E3F2G1H3，比阻為53.70×109m/kg。無論是配方 Ⅰ 還是配方 Ⅱ，脫水效果均是幾種藥劑綜合反應(yīng)的結(jié)果。只有通過正交試驗分析、成本核算和環(huán)境影響分析，才能確定最終的藥劑用量，取得最優(yōu)效果。此外，正交試驗法可以指示配方中各成分起主要作用還是次要作用，在明確各成分作用機理的基礎(chǔ)上可以為研制新的調(diào)理劑配方提供思路。

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Application of Orthogonal Test in Dewatering Conditioners Screening Test for Sediment Sludge

WANG Xi-zheng,WANG Hui*,ZHAI Xiao-feng et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518000)

[Objective] The aim was to select dewatering conditioners efficiently.[Method] A control group(without conditioner) and two experimental groups(formula I and formula Ⅱ) were included in this study.The experimental groups were orthogonal tests,with specific resistance of sludge (SRF) as the index,conditioner compositions as factors and dosages as levels.[Result] The optimal proportion in formula I was：activated carbon powder 0.034 0 g,fly ash 0.085 0 g,quicklime powder 0.034 0 g,polymeric aluminum ferric chloride 0.169 8 g,SRF 2.12×109m/kg; the optimal proportion in formula Ⅱ was：iron powder 0.014 8 g,sodium hyposulfite 0.040 0 g,chitin citric acid 0.014 8 g,SRF 5.37×1010m/kg.[Conclusion] Orthogonal test can be used in sediment dewatering field,not only to select dewatering conditioners with good effect rapidly and effectively,but also to optimize the proportions of conditioners,which is vital to practical production.

Orthogonal test; Sediment sludge; Dewatering; SRF

鐵漢生態(tài)研究院建設(shè)項目(2014B090903015)；鐵漢生態(tài)院士工作站建設(shè)項目(2015B090904008)。

王茜徵(1990- )，女，四川南充人，工程師，碩士，從事污泥脫水干化及資源化、土壤修復(fù)與改良研究。*通訊作者，碩士，從事污泥脫水干化及資源化研究。

2016-09-07

S 181

A

0517-6611(2016)32-0067-04