三種絮凝劑對疏浚淤泥脫水降污特性的影響

王菲 王賢平

摘要：針對疏浚淤泥含水率高、污染嚴(yán)重的情況，以武漢市官橋湖底泥為研究對象，利用板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾實(shí)驗(yàn)，以含水率、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）為指標(biāo)，考察3種絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM），氯化鋁（AlCl3），氯化鐵（FeCl3）及其投加量對淤泥的脫水率和降污效果的影響，并比較了不同放置時(shí)間下，泥餅污染物浸出濃度變化情況。結(jié)果表明：PAM在5‰投加量時(shí)的脫水效果最好;FeCl3對濾液中TN、TP的去除作用較好，AlCl3對COD的降低作用較好;泥餅浸出液中TN、TP濃度隨放置時(shí)間延長而增大，COD逐漸降低并趨于穩(wěn)定。單一絮凝劑能顯著改善淤泥脫水性能，但不能穩(wěn)定泥餅中的污染物。

關(guān)鍵詞：疏浚淤泥;淤泥脫水;絮凝劑;脫水降污;武漢市官橋湖

中圖法分類號：TV851文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.010

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0061 - 04

1 研究背景

湖泊底泥是入湖污染物的主要積蓄場所。隨著湖泊周圍居住人口密度增大，各種生活、工業(yè)生產(chǎn)排放物進(jìn)入湖泊，底泥中有機(jī)物沉積，氮、磷、鉀、微量元素和各種微生物含量劇增，在一定條件下再次釋放，成為湖泊水質(zhì)的重要污染源之一[1]。自20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)已開始對城市湖泊進(jìn)行清淤治理。清出淤泥的含水率極高，占地大且污染嚴(yán)重[2]，為便于運(yùn)輸以及后續(xù)的處置利用，必須進(jìn)行脫水處理[3]。由于淤泥黏粒含量高、滲透性能差，需先經(jīng)過調(diào)理后再進(jìn)行機(jī)械脫水。一般采用化學(xué)調(diào)理法，通過添加絮凝劑改善淤泥理化性質(zhì)，提高淤泥脫水性能[4-6]。國內(nèi)許多學(xué)者就絮凝劑的種類和用量對脫水效率的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：相對無機(jī)絮凝劑而言，有機(jī)高分子絮凝劑用量少、絮凝速度快，針對不同泥質(zhì)適當(dāng)選取絮凝劑種類及投加量能夠顯著改善淤泥的脫水性能[7-8]，進(jìn)一步降低含水率需機(jī)械脫水。高含水率淤泥在機(jī)械脫水過程中產(chǎn)出泥餅的同時(shí)排出大量濾液，目前圍繞降低泥餅含水率的研究較多，但是忽視了濾液的水質(zhì)情況，嚴(yán)重污染的淤泥壓濾濾液中殘留的污染物質(zhì)濃度較高，隨意排放易造成二次污染，泥餅在堆放過程中也會向周圍環(huán)境釋放污染物。

因此，本文主要選取陽離子聚丙烯酰胺（PAM），氯化鋁（AlCl3）和氯化鐵（FeCl3）等3種常見絮凝劑，通過板框機(jī)壓濾實(shí)驗(yàn)，研究不同絮凝劑對淤泥脫水速率的影響，著重探討壓濾出水及泥餅中污染物的去除率和固定性，以期對淤泥脫水降污同位處理和資源化利用提供建議。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及物料

實(shí)驗(yàn)所用淤泥取自武漢市東湖子湖官橋湖。由于官橋湖屬營養(yǎng)化水體，底泥中主要污染物質(zhì)為有機(jī)質(zhì)，氮、磷營養(yǎng)鹽，具體含量如表1所示。因此該實(shí)驗(yàn)以總氮（TN）、總磷（TP）和化學(xué)需氧量（COD）為分析指標(biāo)，考察板框壓濾機(jī)內(nèi)絮凝劑脫磷、脫氮及降低COD的效果。實(shí)驗(yàn)采用PAM、AlCl3和FeCl3等3種常見絮凝劑。主要設(shè)備為板框式壓濾機(jī)。淤泥中有機(jī)質(zhì)測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[9]中重鉻酸鉀容量法，氮、磷參照土壤全氮、全磷的測定方法，分別采用半微量開氏法、鉬銻抗比色法。淤泥初始含水率為90%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)由3個(gè)部分組成，淤泥壓濾脫水、濾液測定和泥餅測定。首先分別按干泥質(zhì)量的1‰，3‰，5‰，7‰取PAM，AlCl3，F(xiàn)eCl3，在1 000 mL燒杯中配成溶液，倒入裝有淤泥的進(jìn)料筒中，攪拌5 min 后靜置2 h，通過隔膜泵將泥漿輸送至板框壓濾機(jī)中進(jìn)行壓濾實(shí)驗(yàn)。控制進(jìn)料壓力0.7 MPa，壓濾壓力1.2 MPa。然后測定濾液中TN、TP濃度，COD值和壓濾后濾餅含水率。泥餅在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)1 d和28 d后再分別測定浸出液中各代表性污染物指標(biāo)。浸出液參照HJ557-2009《固體廢棄物浸出毒性浸出方法》[10]制備，各指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[9]測定：COD，重鉻酸鉀法;TN，過硫酸鉀氧化紫外分光光度計(jì)法;TP，過硫酸鉀消解鉬銻抗分光光度法。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 絮凝劑對淤泥脫水的影響

圖1是不同絮凝劑在不同濃度下淤泥脫水后的泥餅含水率變化曲線。

圖1顯示，隨著絮凝劑投加量的增加，壓濾后泥餅的含水率隨之減少。但當(dāng)投加量>5‰時(shí)，效果不明顯，其中PAM的脫水速率最快，泥餅含水率最低。對于鐵鹽和鋁鹽而言，隨著投加量增大，擴(kuò)散層中反離子濃度增大，雙電層電位降低，從而引起ζ電位下降和擴(kuò)散層厚度被壓縮，膠體顆粒失去穩(wěn)定性迅速凝聚，在機(jī)械壓力作用下，淤泥中的間隙水和結(jié)合水更容易被分離出來[11]。然而投加量過多，會使膠體粒子帶上相反電荷而重新懸浮，從而降低脫水效果。另外，由于鐵鹽和鋁鹽水解產(chǎn)生羥基多核絡(luò)合物，形成的絮團(tuán)緊密穩(wěn)定，在靠近濾布處形成一薄層“硬殼”，阻止濾液流出，因此脫水速率較慢，而且泥餅含水率較高。對于PAM而言，由于高分子橋連作用，形成的絮體較大[12]，經(jīng)過泵送進(jìn)入板框腔體后，在壓力作用下形成的濾餅通透性較好，濾液容易透過濾布流出。但投加過量時(shí)，膠體表面被高分子絮凝劑所飽和，表面無吸附空位而使絮凝劑失去架橋作用，因此繼續(xù)增大投加量，淤泥脫水效果不明顯。

3.2 絮凝劑對濾液污染物去除率的影響

淤泥經(jīng)板框壓濾機(jī)脫水后產(chǎn)生的濾液中仍殘留部分污染物質(zhì)，測定其中的污染物指標(biāo)以分析絮凝劑的降污效果。圖2～4分別是濾液中TN、TP、COD值隨絮凝劑比例的變化曲線。

圖2～3表明隨著絮凝劑比例的提高，濾液中TN、TP總體上呈現(xiàn)出下降趨勢，在投加量為3‰～5‰時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，此時(shí)PAM，F(xiàn)eCl3，AlCl3對總氮去除率分別為32.90%，78.77%，74.29%，總磷去除率分別為22.56%，72.18%，69.01%。PAM脫水過程迅速，然而對污染物吸附力度不夠，這可能與其分子表面的活性基團(tuán)有關(guān)。高分子團(tuán)聚體粒較大，封閉了淤泥內(nèi)部氮、磷的吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致吸附量下降。另外，PAM形成的絮團(tuán)疏松，水分透過時(shí)吸附反應(yīng)不充分也可能是致使濾液中殘留的N、P含量較高的原因。鐵鹽和鋁鹽在水解過程中形成大量的氫氧化物絮體沉淀有很強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)礬花沉淀時(shí)也可以網(wǎng)捕卷掃一部分非溶解性的磷。由于鐵鹽形成的礬花密度大，沉降性能好，吸附卷掃除磷的效果也優(yōu)于鋁鹽。而且，F(xiàn)eCl3水解產(chǎn)生的Fe3+和OH-及PO43-之間的強(qiáng)親和力，使溶液中可能會有Fe2.5PO4（OH）4.5及Fe1.6H2PO4（OH）3.8等難溶絡(luò)合物，通過絡(luò)合吸附作用可除去更多的磷[13]。

圖4表明在3‰投加量時(shí)，濾液中COD最低，AlCl3效果最明顯，去除率達(dá)到67.49%。隨后繼續(xù)增大投加量，去除率反而下降，說明PAM，F(xiàn)eCl3，AlCl3對有機(jī)物的去除有一定限度。其投加比例與COD去除率的關(guān)系還需進(jìn)一步探討?？傮w看來，相對PAM來說，F(xiàn)eCl3，AlCl3能夠大幅度降低淤泥中污染物含量，使得壓濾出水可以達(dá)到三級排放標(biāo)準(zhǔn)。其中FeCl3脫磷、脫氮效果較好，而AlCl3對COD的降低作用較好，但二者對淤泥的脫水速度和效果不如PAM?？梢钥紤]聯(lián)合使用兩種絮凝劑，充分利用有機(jī)和無機(jī)兩種絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)，提高淤泥的脫水降污性能。

3.3 絮凝劑對泥餅中污染物的固定性影響

淤泥經(jīng)過壓濾后，其中污染物一部分隨濾液排出，一部分仍殘留在泥餅中，泥餅在堆放過程中，受到雨水浸瀝等外界環(huán)境的影響，污染物又會重新浸出造成二次污染。本實(shí)驗(yàn)以純水為浸提劑，通過浸出實(shí)驗(yàn)，分別測定1 d和28 d時(shí)泥餅浸出液的TN、TP、COD值，將其結(jié)果與未經(jīng)處理的原泥浸出液進(jìn)行對比，從而判斷3種絮凝劑對污染物的固定化作用。原泥浸出液的主要污染物指標(biāo)如表2所示。圖5是1 d與28 d泥餅浸出液污染物指標(biāo)對比曲線。

圖5表明：與未經(jīng)處理的淤泥原樣浸出液相比，1 d時(shí)壓濾泥餅浸出液各污染物指標(biāo)均有所降低;28 d時(shí)，氮、磷的浸出濃度都有不同程度的提高，PAM的處理結(jié)果甚至高于原泥，這說明簡單的絮凝結(jié)構(gòu)不足以穩(wěn)固淤泥中的氮、磷污染物，絮凝劑在某種程度上甚至加速了淤泥中非活性形態(tài)的氮、磷元素向活性形態(tài)的轉(zhuǎn)變。淤泥中大分子碳水化合物、腐殖質(zhì)等通過化學(xué)絮凝作用被吸附后，易降解部分經(jīng)微生物分解，繼續(xù)釋放出C、N、P、S等營養(yǎng)鹽[14]，這也是養(yǎng)護(hù)后期浸出液中氮、磷含量增高的原因。還有研究表明[15]：有機(jī)高分子絮凝劑存在降解過程，絮凝脫水20 d后的淤泥性狀與原泥接近，因此PAM處理的淤泥浸出液中氮、磷濃度偏高。COD則隨著時(shí)間增長逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這可能與淤泥中有機(jī)質(zhì)不斷降解有關(guān)。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，單一絮凝劑不能對泥餅中的污染物起到良好的固定作用，隨著時(shí)間增長，氮、磷浸出濃度增大，長期堆放容易對周圍環(huán)境造成二次污染。

4結(jié) 論

（1）3種絮凝劑對淤泥脫水和降污表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。隨著絮凝劑比例的增加，淤泥脫水率提高，投加量大于5‰時(shí)，脫水率增加不明顯，最佳投放量是5‰，此時(shí)PAM的脫水效果最好。PAM的降污能力不如FeCl3及AlCl3，其中FeCl3能吸附濾液中70%以上的TN、TP，效果優(yōu)于AlCl3，但后者對COD的降低作用較好，具體的投放比例與COD去除率的關(guān)系仍需要進(jìn)一步探討。當(dāng)FeCl3，AlCl3投放量在3‰～5‰范圍內(nèi)，濾液中的TN、TP、COD最低。

（2）不同放置時(shí)間下，泥餅浸出液中不同污染物浸出濃度變化情況不同。氮、磷釋放量隨著時(shí)間延長而增加，COD則逐漸降低，28 d時(shí)浸出濃度趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單一絮凝劑不足以穩(wěn)固淤泥中的污染物，經(jīng)處理的泥餅仍然存在較大的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

（3）考慮到有機(jī)和無機(jī)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)，聯(lián)合使用兩種絮凝劑，將有助于進(jìn)一步降低淤泥含水率和固定污染物。絮凝劑的復(fù)混效用將是下一階段的研究重點(diǎn)。

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（編輯：唐湘茜）