水庫疏浚底泥絮凝沉降室內(nèi)試驗(yàn)研究

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(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，杭州　310020; 2.浙江省水利河口研究院，杭州　310020)

1　研究進(jìn)展

環(huán)保疏浚旨在去除湖庫水體中的污染底泥，可有效地清除湖庫內(nèi)源污染，并為湖庫水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)創(chuàng)造條件[1]。湖庫底泥沉積物一般由膠粒、黏粒和粉粒等細(xì)小土顆粒組成且含有大量重金屬、氮磷以及有機(jī)物等成分[2]。近年來，環(huán)保疏浚已普遍應(yīng)用于我國南方地區(qū)的湖泊清淤工程[3-5]，湖庫污染底泥往往具有含水率高、滲透系數(shù)小、有機(jī)質(zhì)含量高等特性，疏浚過程中污染底泥被打碎，強(qiáng)化了污染物的釋放，使疏浚泥漿中含有大量底泥中的污染物質(zhì)，這些物質(zhì)大部分附著在細(xì)顆粒上、懸浮在水中，在自然條件下很難有效沉降下來，影響底泥脫水干化效果[6]。疏浚底泥中加入化學(xué)絮凝劑可以加快疏浚底泥絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)泥水快速分離，是目前國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的處理技術(shù)[7-8]。

化學(xué)絮凝劑具有壓縮雙電層和吸附架橋的功能，可以加速泥水顆粒聚集在一起形成絮凝進(jìn)行脫穩(wěn)[6]。目前國內(nèi)外已經(jīng)展開了大量有關(guān)化學(xué)絮凝劑對底泥絮凝沉降的影響研究，范楊臻等[9]、梁啟斌等[10]以滇池底泥為試驗(yàn)對象分析了含Al3+,Fe3+絮凝劑的摻量對淤泥絮凝沉降的影響；Tarchitzky等[11]、陳洪松等[12]通過試驗(yàn)分析含Ca2+,Mg2+絮凝劑對細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響；趙彬俠等[13]研究了Na2SiO3·9H2O的濃度對絮凝效果的影響；李沖等[14]通過在湖泊疏浚底泥中加入不同類型、不同摻量的PAM絮凝劑來分析底泥的絮凝脫水特征。

目前的研究成果大多采用單因素方法分析不同絮凝劑、不同摻量下泥漿絮凝沉降的變化過程，并未分析不同類型絮凝劑組合對疏浚泥漿絮凝沉降的影響。事實(shí)上，絮凝劑的摻量以及組合配比均會(huì)直接影響疏浚底泥的絮凝沉降效率[15-16]，本文以通濟(jì)橋水庫疏浚底泥為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析單因素絮凝劑和不同有機(jī)、無機(jī)絮凝劑的組合下疏浚泥漿絮凝沉降的變化規(guī)律，并得出絮凝劑最佳配比方案。

2　材料與方法

2.1　試驗(yàn)底泥

試驗(yàn)底泥取自通濟(jì)橋水庫生態(tài)清淤工程[17]，其顆粒主要由膠粒、黏粒和粉粒組成，其中黏粒和膠粒的比例超過60%，天然含水率為95.5%，pH值為7.2，屬高液限黏土?；疚锢硇再|(zhì)指標(biāo)如表1所示。

2.2　試驗(yàn)方法

2.2.1疏浚泥漿配制及試驗(yàn)儀器

疏浚底泥通過絞吸式挖泥船擾動(dòng)吸挖后形成疏浚泥漿，體積變成了原來的3～4倍[18]。試驗(yàn)設(shè)定疏浚泥漿的初始含水率為400%，由含水率換算可配置泥樣所需的質(zhì)量。試驗(yàn)主要儀器包括1 000 mL燒杯、1 000 mL沉降柱量筒、無極可變速電動(dòng)攪拌機(jī)、攪拌棒以及檢測余水指標(biāo)的pH試紙、濁度儀等。

表1　疏浚底泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1　Basic physical properties of dredged sediment

2.2.2試驗(yàn)試劑

試驗(yàn)選擇的絮凝劑主要包括有機(jī)絮凝劑PAM(聚丙烯酰胺)，無機(jī)絮凝劑PAC(聚合氯化鋁)、FeCl3,Na2CO3,Na2SiO3·9H2O,KAl(SO4)2·12H2O。試驗(yàn)先研究各試劑單獨(dú)添加下對疏浚泥漿的絮凝沉降以及余水水質(zhì)的影響，然后通過優(yōu)化選擇絮凝沉降快、水質(zhì)清的絮凝劑進(jìn)行組合配比，進(jìn)一步分析組合絮凝劑對疏浚底泥絮凝沉降的效果。試劑選擇方案如表2所示。

表2　試劑選擇方案Table 2　Selection of flocculants

2.2.3試驗(yàn)步驟

(1)將215 g泥樣放置1 000 mL燒杯中，加水至700 mL，先人工攪拌使大團(tuán)粒破碎，再電動(dòng)攪拌5 min，形成均勻泥漿，模擬疏浚底泥結(jié)構(gòu)遭到充分破壞,如圖1(a)。

(2)將配置泥漿倒入1 000 mL量筒，并加水至1 000 mL。然后用人工攪拌并加入絮凝劑，模擬疏浚底泥管道泵送和添加試劑過程，如圖1(b)。

圖1　疏浚泥漿擾動(dòng)和泵送過程模擬Fig.1　Simulating the stirring and pumping ofdredged mud

(3)攪拌結(jié)束后即開始計(jì)時(shí)，觀察沉積柱中泥水混合物的沉積過程，并記錄土水界面的下降量，取上清液作為疏浚底泥余水處理后的水樣，測定pH和去濁度指標(biāo)。

3　結(jié)果與分析

3.1　PAM對疏浚底泥絮凝沉降的影響

加入PAM后各疏浚泥樣沉降面明顯，但上清液呈渾濁態(tài)。各組沉降試驗(yàn)的含水率在第50 min左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，300 min后含水率接近180%，基本趨于穩(wěn)定，見圖2。

圖2　不同種類、不同摻量PAM對疏浚底泥絮凝的影響Fig.2　Influence of different kinds and different dosagesof PAM on the settling of dredged sediment

添加PAM的泥漿均比原狀土絮凝沉降快，其中300萬陰離子型PAM的絮凝效果更好，這是因?yàn)殛庪x子型PAM的分子鏈中含有一定量的極性基能夠?qū)σ衙摲€(wěn)的凝聚顆粒起吸附架橋作用，從而使其快速形成大的絮體，易于分離。絮凝效果最佳的是摻量10 mL方案，這是因?yàn)?0 mL摻量下底泥絮體破碎過程中顆粒表面產(chǎn)生的負(fù)電荷已經(jīng)被中和。繼續(xù)添加后，過量的電荷再次包圍著底泥顆粒形成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而阻礙了細(xì)小顆粒的絮凝沉降，減緩了固液分離。

相對原狀土，加入PAM對上清液的pH值影響不大。但上清液去濁率較低，均在10%以內(nèi)(圖3)，這表明PAM可以促進(jìn)底泥絮凝沉降，但不能有效降低上清液的濁度。

圖3　不同種類、不同摻量PAM對上清液pH值和去濁率的影響Fig.3　Influence of different kinds and different dosagesof PAM on the pH value of supernate and turbidity-reducing rate

圖4　Na2CO3,Na2SiO3·9H2O和CaCl2對疏浚底泥絮凝沉降的影響Fig.4　Effects of Na2CO3, Na2SiO3·9H2O, and CaCl2on the settling of dredged sediment

3.2　CO32-,SiO32-及Ca2+對疏浚底泥絮凝沉降的影響

由圖4可知，加入Na2SiO3·9H2O和CaCl2的泥樣沉降不明顯，這和趙彬俠等[13]在工業(yè)廢水試驗(yàn)中得出的SiO32-可以有效促進(jìn)水中懸浮物凝膠后絮凝沉降，以及陳忠杰等[19]在煤泥水試驗(yàn)中得出的Ca2+可以加快泥土顆粒絮凝沉降的結(jié)果有所不同，這可能是因?yàn)槭杩Ｄ酀{與工業(yè)廢水和煤泥水的差異所致，疏浚底泥的顆粒大小和有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響SiO32-和Ca2+的促凝效果。

加入Na2CO3的泥樣在剛開始的5 min內(nèi)沉降柱無明顯變化，隨后開始出現(xiàn)急劇沉降；含水率在前40 min內(nèi)急劇減小至220%左右后基本趨于穩(wěn)定，這說明CO32-可以促進(jìn)細(xì)土顆粒的絮凝結(jié)合成大顆粒，提高顆粒的沉降速率。

由圖5可知，加入Na2CO3,Na2SiO3·9H2O和CaCl2的上清液pH值呈堿性，加入Na2SiO3·9H2O和CaCl2對上清液幾乎沒有去濁作用，而加入Na2CO3上清液濁度改善較小。

圖5　Na2CO3,Na2SiO3·9H2O和CaCl2對上清液pH值和去濁率的影響Fig.5　Effects of Na2CO3, Na2SiO3·9H2O, and CaCl2on the pH value of supernate and turbidity-reducing rate

圖6　FeCl3,PAC和KAlSO4·12H2O對疏浚底泥絮凝沉降的影響Fig.6　Effects of FeCl3, PAC, and KAlSO4·12H2Oon the settling of dredged sediment

圖7　FeCl3，PAC和KAlSO4·12H2O對上清液pH和去濁率的影響Fig.7　Effects of FeCl3, PAC, and KAlSO4·12H2O onthe pH value of supernate and turbidity-reducing rate

3.3　Fe3+,Al3+對疏浚底泥絮凝沉降的影響

圖6,圖7分別表示FeCl3,PAC和KAlSO4·12H2O對疏浚底泥絮凝沉降和上清液pH值和去濁率的影響。從圖6中可看出，加入FeCl3,PAC和KAlSO4·12H2O后泥樣出現(xiàn)明顯的清渾分界面，上清液清澈。由圖7可知，加入Fe3+,Al3+后，溶液呈酸性。但去濁率很高，均在80%以上，表明Fe3+,Al3+在絮凝沉降過程中能有效起到凈水的作用。含F(xiàn)e3+,Al3+絮凝劑可有效地絮凝細(xì)小顆粒，降低上清液的濁度，但由于泥漿顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大且相互作用明顯，其所形成的沉降阻力難以由此類絮凝劑的架橋絮凝作用克服，因此沉降效果十分有限；而PAM的聚合度大，絮凝體加大加密后能明顯提高泥漿顆粒的沉降作用[20]，但相對而言，其在電性中和與網(wǎng)捕方面的效果遜于無機(jī)絮凝劑，上清液的濁度相對較高。

3.4　有機(jī)-無機(jī)絮凝劑組合對疏浚底泥絮凝沉降的影響

綜上，選擇PAM，Na2CO3，PAC或FeCl3擬定組合方案：①10 mL PAM+2 g PAC；②10 mL PAM+2 g FeCl3+2 g Na2CO3；③10 mL PAM+2 g PAC+2 g Na2CO3，試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　有機(jī)-無機(jī)絮凝劑組合對疏浚底泥絮凝沉降的影響Fig.8　Effect of organic-inorganic flocculantcombination on the settling of dredged sediment

圖9　有機(jī)-無機(jī)絮凝劑組合對上清液pH和去濁率的影響Fig.9　Effect of organic-inorganic flocculantcombination on the pH value of supernate andturbidity-reducing rate

從圖8可以看出各組合方案的絮凝沉降量大小為：③>②>①>原狀土樣，3種組合方案的含水率分別為170%,183%和210%，相對而言，②和③添加Na2CO3后在前200 min內(nèi)的沉降速率更快。

由圖9可知，絮凝沉降穩(wěn)定后①和②的上清液呈弱酸性，pH值分別為6.5和5.9；③的pH值為7.4，基本呈中性。各組合方案的上清液去濁效果優(yōu)劣為：③>①>②，加入降濁較好的PAC或FeCl3后各組的去濁率普遍較高，可有效改善上清液水質(zhì)渾濁度，且總磷(0.045 mg/L)、氨氮(0.284 mg/L)滿足一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，方案③為最佳絮凝劑配比方案。

4　結(jié)　論

通過室內(nèi)試驗(yàn)配制水庫疏浚泥漿并分析添加不同有機(jī)、無機(jī)絮凝劑以及有機(jī)-無機(jī)絮凝劑組合對疏浚泥漿的絮凝沉降效果及上清液水質(zhì)的影響，從而確定最佳絮凝劑配比方案。結(jié)論如下：

(1)細(xì)顆粒、高有機(jī)質(zhì)水庫疏浚底泥中加入PAM可以有效促進(jìn)泥漿的絮凝沉降，增大沉降量，但對上清液的濁度的去除水平較低。

(2)CO32-可以促進(jìn)疏浚泥漿中細(xì)土顆粒絮凝結(jié)合成大顆粒，提高顆粒的沉降速率；而SiO32-和Ca2+主要適用于顆粒相對較大及有機(jī)質(zhì)較少的泥漿絮凝，對細(xì)粒徑和高有機(jī)質(zhì)泥漿的絮凝效果較差。

(3)Fe3+,Al3+在疏浚底泥絮凝沉降過程中可以有效降低上清液的濁度，起到凈水作用；但對泥漿絮凝沉降作用效果十分有限。

(4)每1 000 mL疏浚泥漿中加入10 mL PAM+2 g PAC+2 g Na2CO3，初始絮凝沉降速率快，穩(wěn)定后底泥含水率為170%，且上清液的pH呈中性，去濁率高達(dá)85%，為最佳絮凝劑配比方案。

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