絮凝浓缩武汉市巡司河底淤泥的研究
2016-09-27肖曲皮科武陈抒雨王会君
肖曲,皮科武,陈抒雨,王会君
(1.湖北工业大学 资源与环境学院,武汉 430068;2.河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室,武汉 430068)
絮凝浓缩武汉市巡司河底淤泥的研究
肖曲1,皮科武1,陈抒雨2,王会君2
(1.湖北工业大学 资源与环境学院,武汉 430068;2.河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室,武汉 430068)
目的 研究武汉市巡司河底淤泥在不同无机絮凝剂及PAM的助凝作用下淤泥清浑分界面的沉降速率、淤泥浓缩比以及淤泥沉降指数的变化情况。方法 采用实验研究的方法,对巡司河底淤泥进行沉降实验,并通过沉降分析找到最佳脱水效果的脱水剂。结果 当淤泥 质量分数为10%时,Ca(OH)2取得的絮凝脱水效果最好,Ca(OH)2投加比为5 g/L,PAM投加比为0.04 g/L时,淤泥清浑分界面的沉降速率最大可达到3.7 cm/min,淤泥浓缩比为3.94,淤泥沉降指数为24.9%。结论 Ca(OH)2和PAM对巡司河底淤泥的脱水有促进效果,淤泥在Ca(OH)2和PAM共同作用下先后经历了自由沉降、絮凝沉降、区域沉淀和压缩沉降。
河道淤泥;脱水;絮凝浓缩;清浑界面沉降
目前,我国城市河道淤泥积累及由此带来的污染日益严重,由于河道淤泥具有“二高一低”(高含水率、高压缩性、低渗透性)的特点,给其综合治理带来了极大的困难。对城市河道淤泥脱水方法主要有自然干化法[1]、离心法[2]、板框压滤法[3]、土工管袋法[4]、化学混凝法[5—6]及电渗析法[7]。化学混凝法主要向淤泥中加入混凝剂,通过对淤泥中胶体进行电中和、吸附架桥和网捕卷扫等作用,使胶体脱稳,从而使淤泥中水分脱除,同时化学絮凝对淤泥中有机质、重金属等也有较好的去除效果。因化学混凝操作简便、药剂价格低廉、效果相对较好,从而使其受到研究者的日益青睐。
希莫等人以污泥比阻为判定标准,以FeCl3和Al2(SO4)3为脱水剂,通过实验确定其最佳投加量为:FeCl3(0.01 g/mL)7.9%,Al2(SO4)3(0.01 g/mL)16.6%[8]。范杨臻等人以滇池淤泥为脱水对象,分别以FeCl3和AlCl3为脱水剂,通过对清浑分界面沉降速度的分析得出,FeCl3和AlCl3的最佳投加浓度分别为5 mmol/L和9 mmol/L。实验还研究了有机物颗粒(麦麸、木屑)的加入对混凝效果的影响,结果表明,有机颗粒的加入,能够明显加快混凝的沉降速度,对淤泥的浊度也有很好的降低作用[9]。
为更好地得到脱水作用,研究者们将目光移到了复合脱水剂上,将两种甚至多种脱水剂复合,得到一种全新的复合脱水剂,使其发挥更好的作用。刘林双等人以南湖水为研究对象,通过实验得出一种能使淤泥快速沉降脱水的泥沙脱水剂(FAS:FeCl3,PAM,NaNO3),结果表明:当脱水剂的比例为0.015%~0.035%,淤泥初始质量分数在18%~22%时,淤泥的脱水效果和速率都达到最佳值[10]。
武汉素有“百湖之市”的称号,在武汉市环境保护“十二五”规划中,就明确指出要大力推进重点流域和湖泊的环境保护,巡司河的整治工作也位列其中[11]。巡司河位于武昌城区南端,是主城武昌东南地区的主要排水河道,由发源于武昌江夏区八分山北麓的数条溪流汇成,并流入汤逊湖,经南湖武泰闸在鲇鱼套汇入长江。全长16 km,汇水面积约460 km2。上游自河源到汤逊湖,沿途多低山丘陵,中游自汤逊湖西北端出口到武泰闸,地势平缓,多农田菜地,下游至河口。
巡司河水体的主要污染物质是耗氧有机物(BOD)、挥发酚与氨态氮。在每年的6—11月为长江汛期,该期间武泰闸关闭,河水不能流动,河内污染物质便大量积累,在武泰闸关闸期间巡司河污染相当严重,属4~5级水质[12]。上覆水体的污染程度直接决定着下层淤泥的性质。巡司河淤泥的有机物成分复杂,难降解性有机物毒性强,并且颗粒较细,比重较小,呈胶体状态且黏度较大,流动性较差[13]。在淤泥中含量最多的是水,可达总质量的80%~95%,在后续的淤泥处理过程中,由于淤泥的高含水率,严重制约了淤泥的处理与处置。因此只有先将淤泥的水分去除,缩小其体积,才有利于淤泥的后续处理,从而实现巡司河的综合治理。
文中拟采用Ca(OH)2和PAM作为巡司河河道淤泥的脱水剂,重点研究淤泥在Ca(OH)2和PAM的作用下,清浑界面沉降速率、淤泥浓缩比和淤泥沉降指数与Ca(OH)2和PAM之间的关系。欲探索出制约高含水率淤泥脱水困难的根本原因,建立淤泥絮凝脱水效果和脱水过程控制的关系,复配出一种无机-有机复合絮凝脱水剂。用于城市河道淤泥脱水,解决目前无机脱水剂用量大、絮凝效果差,有机脱水剂成本高的问题,为典型的富含有机质城市河道淤泥的脱水提供新的方法、技术及工艺路线。
1 试验
1.1淤泥材料
试验泥样采自武汉市巡司河湖北工业大学路段 , 采样 点为 东经 114°19'5.8116"、北纬30°29'20.99",泥水分界层0~50 cm。为保证试验底泥的一致性,集中一批采样,采取底泥先用筛网将树枝、石头等杂质去除,再将底泥密封保存在塑料桶中备用。
1.2Ca(OH)2与PAM的准备
Ca(OH)2准备:将Ca(OH)2在105℃下去水干燥24 h,再用硅钵将其研磨至过200目网筛,取筛下物为实验用品。
PAM的准备:将PAM在105℃下去水干燥24 h,配置质量分数为0.1%的PAM溶液,放置冰箱待用。
1.3主要仪器设备
试验所用仪器设备有紫外可见分光光度计(752,中国)、粒度分析仪(MS2000,英国)、电子式数显搅拌器(OS20-S,中国)、Zeta电位分析仪(SZP-10,德国)、黏度计(NDJ-8S,中国)以及六联搅拌器(ZR4-6,中国)等。
1.4试验方法
试验在常温下进行,为保证初始淤泥浓度一致,每次试验前将备用淤泥用滤纸进行抽滤,抽滤后滤饼的含固率为44%左右。称取一定量滤饼,置于500 mL烧杯中加水搅拌,配制成不同浓度的淤泥溶液,然后加入不同絮凝剂,并迅速置于搅拌机下搅拌。搅拌一定时间后迅速将混合液倒入500 mL塑料量筒中沉降实验,每隔一段时间,记录清浑分界面下降情况。
试验淤泥的体积分数为5%~20%,Ca(OH)2和PAM投加量分别为1~11 g/L与0.01~0.06 g/L不等。
1.5检测手段与方法
1)清浑界面下降速度:
式中:v为清浑界面下降速度,cm/min;t为混合液进行实验的时间,min;H为清浑界面在t时间内下降的高度,cm。
2)淤泥浓缩倍数。淤泥浓缩倍数是指混合液的质量与沉降一定时间后底部淤泥的质量之比。
式中:m1为500 mL淤泥混合液中水的质量,g;m2为500 mL淤泥混合液中干淤泥的质量,g;mt为500 mL淤泥混合液沉降t时间后,上清液的质量,g。
3)淤泥沉降比。污泥沉降比又称30 min沉降率,它是指混合液在量筒内静置30 min后沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率:
式中:SV30为淤泥沉降比,%;V1为混合液在500 mL量筒内沉降30 min后,底部淤泥的体积,mL;V0为原混合液体积,500 mL;
2 结果与讨论
2.1淤泥基本性质
由于实验所用淤泥长期处于水下,结构较为松散,空隙比大,干燥后经200目筛分,测其物化指标:pH为7~8,含固率为5%~10%,有机质体积分数为4%~6%,电位为-11.7 mV,黏度为0.859 Pa·s。
淤泥原样粒径分布采用激光粒度分析仪进行测定,结果如图1所示。该淤泥黏粒体积分数(<0.005 mm)为18.47%,粉粒颗粒(0.005~0.074 mm)为 58.05%,砂粒颗粒为(>0.074 mm)23.48%[14]。由图1可知,实验淤泥大部分颗粒集中在粒径为0.005~0.074 mm。这说明实验所用淤泥原样颗粒较细小,含水率高,其粒径分布更接近粉质粘土[15]。
图1 淤泥原样颗粒级配曲线Fig.1 Grain-size distribution curves of the silt
2.2Ca(OH)2投加量对絮凝浓缩淤泥的影响
实验选用淤泥的体积分数为10%,Ca(OH)2投加量从1 g/L到11 g/L不等,试验结果如图2所示。随Ca(OH)2投加量的增加,淤泥清浑界面沉降速率和浓缩倍数逐渐增大;当Ca(OH)2投加量增加到5 g/L后,又逐渐下降,投加量为10 g/L时又取得与5 g/L投加量相近效果。一般而言,絮凝剂越多,其表面所带的正(负)电荷就越多,当其被吸附到胶粒表面时,便中和与其电性相反的胶体颗粒,降低其电势,逐渐使其处于脱稳状态,并利用吸附、网捕等作用将这些脱稳颗粒聚集起来,达到絮凝浓缩的效果[10]。当絮凝剂投加过量会使已脱稳胶体重新吸附带电离子形成新的电荷平衡,使颗粒重新聚集,影响对胶体的絮凝浓缩。因此适量的絮凝剂可以促进淤泥的沉降,达到最佳的絮凝效果。
淤泥沉降比(SV30)随着Ca(OH)2投加量的增加,呈现出先增大后减小的现象。一般来说,沉降比低的淤泥其泥水分离的效果会更好。综上所述,Ca(OH)2投加量为5 g/L和10 g/L时均能取得最佳的效果。实验中发现,当Ca(OH)2投加量达到10 g/L时,淤泥底部有大量Ca(OH)2粉末未能溶解,故后继实验按投加5 g/L Ca(OH)2进行淤泥脱水实验。
图2 Ca(OH)2投加量对絮凝浓缩淤泥的影响Fig.2 Effect of Ca(OH)2on flocculation-thickening
2.3淤泥浓度对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥的影响
Ca(OH)2投加量按5 g/L,淤泥体积分数分别选择5%,10%,15%,20%,研究淤泥浓度对Ca(OH)2絮凝浓缩脱水的影响,结果如图3所示。当淤泥体积分数为5%时,淤泥的沉降速率最快,前30 min清浑界面平均沉降速率为0.63 cm/min,70 min时清浑界面的平均沉降速率为0.29 cm/min。30 min 和70 min相应的浓缩倍数达到3.96和5.10。从沉降比来看,当淤泥浓度达到15%后,其沉降比基本在80%,也就是絮凝沉降30 min,清浑界面几乎没有下降,对淤泥的脱水无明显的影响。虽然淤泥体积分数5%时,清浑界面沉降速率快,但其含泥量很低,导致沉泥含水率相对较高,可达90%。
当淤泥浓度为5%时,即使沉降30 min,沉泥的质量浓度也在8.5 mg/L左右,此时颗粒间进行的是自由沉淀,在沉淀过程中颗粒间互不碰撞,相互作用较小,呈单颗粒状态,各自独立的完成沉淀过程;当淤泥体积分数达到10%,开始沉降时悬浮物的浓度较低,主要进行自由沉降,随着沉降的进行,30 min后,沉泥的质量浓度可达88 mg/L,此时颗粒间进行的是絮凝沉淀,在沉淀过程中,颗粒之间由于相互碰撞产生絮凝作用,使得颗粒的粒径和质量逐渐增大,沉淀速度也不断加快。随着沉降的继续进行,上层的颗粒不断下降,并在重力的作用下挤压下层的颗粒,此时的颗粒浓度越来越大,并开始伴随区域沉降和压缩沉降的进行,颗粒之间相互支撑和挤压,下层颗粒的间隙水不断的被挤出,使淤泥得到浓缩[16]。由此可见,淤泥原样体积分数控制在10%左右相对较好。
图3 淤泥浓度对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥的影响Fig.3 Effect of silt concentration on flocculation-thickening of Ca(OH)2
2.4PAM投加量对絮凝浓缩淤泥过程的影响
控制淤泥体积分数为10%,PAM投加量从0.01 g/L到0.06 g/L不等,试验结果如图4所示。随PAM投加量的增加,淤泥清浑界面沉降速率和浓缩倍数逐渐增大;当PAM投加量从0.03 g/L增加到0.04 g/L时,淤泥清浑界面沉降速率和浓缩倍数发生显著的增加,说明PAM投加量从0.03 g/L到0.04 g/L为絮凝浓缩淤泥的临界点。当PAM投加量在0.04 g/L以下时,淤泥絮体形成的颗粒较小,随着沉降的进行,颗粒粒径逐渐的增大;当PAM投加量达到0.04g/L时,可以明显地发现絮体的颗粒较大,结构松散,形成较大的絮花。继续增加PAM的投加量发现,刚开始时沉降速率和浓缩倍数继续增加,且较之前的投加量(0.04 g/L)增加幅度更明显,但是随着沉降的进行,其效果逐渐恢复到投加量为0.04 g/L时的效果,甚至比0.04 g/L的效果更差。这可能是因为PAM达到最佳投加量时,其所带正电荷将颗粒表面的负电荷中和,若继续投加PAM,过量的正电荷会将颗粒重新包围形成新的稳态结构,阻止絮凝作用的进行,影响絮凝浓缩淤泥的过程。因此适量的絮凝剂可以促进淤泥的沉降,达到最佳的絮凝效果[17]。
淤泥沉降比随着PAM投加量的增加,呈现先减小后增大的现象过程。一般来说,沉降比低的淤泥其泥水分离的效果会更好。综上所述,PAM投加量为0.04 g/L时能取得最佳的效果。
图4 PAM投加量对絮凝浓缩淤泥的影响Fig.4 Effect of PAM on flocculation-thickening
2.5Ca(OH)2和PAM投加量对絮凝浓缩淤泥过程的影响
控制淤泥的体积分数为10%,Ca(OH)2投加量为5 g/L,加入适当PAM作为助凝剂,探索淤泥浓缩脱水的变化。PAM按0~0.05 g/L比例进行投加,结果如图5所示。可以看出,随PAM投加量的增加,淤泥的沉降速率逐渐增大,浓缩倍数也逐渐增大,沉降比呈现逐渐减小的趋势;当投加量达到0.04 g/L时,淤泥的沉降比达到最小值24.9%;随着PAM投加量的继续增加,沉降比反而开始上升,曲线开始变陡。说明在絮凝剂的投加量较少时,脱去的主要是表面吸附水、间隙水以及毛细结合水,随着絮凝剂的不断增加,内部的结合水也开始逐渐的被脱离出来,但是当絮凝剂的投加量达到0.04 g/L以后,多余的絮凝剂就会反过来粘连周围的絮体,使脱水变得更加困难,絮凝脱水的效果呈现下降的趋势。
综上所述,在Ca(OH)2的投加量为5 g/L时,PAM投加量为0.04 g/L效果较好。
图5 Ca(OH)2和PAM对淤泥絮凝浓缩的影响Fig.5 Effect of Ca(OH)2and PAM on flocculation-thickening
2.6PAM的加入对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥的影响
Ca(OH)2和PAM最佳投加量分别控制为5 g/L 和0.04 g/L,分别投加Ca(OH)2,PAM,或Ca(OH)2+ PAM对淤泥进行浓缩脱水实验,结果如图6所示。当仅投加Ca(OH)2时,淤泥的沉降速率和浓缩倍数都比较低,且沉降比达到39%。将仅投加PAM与同时投加Ca(OH)2+PAM比较发现,两者沉降速率差别不大,但仅有PAM作用时,20 min以内,其浓缩倍数要比两者共同作用时大;20 min后,PAM单独作用时淤泥浓缩倍数趋于平缓,而Ca(OH)2+PAM共同作用时,其浓缩倍数持续增加,且明显大于PAM单独作用时的浓缩倍数。
一般来说,沉降比低的淤泥其泥水分离的效果更好,实验发现,Ca(OH)2+PAM共同作用时,淤泥沉降比为最低,达到24.9%。
PAM的加入对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥有明显的促进作用,分析原因可能是PAM的加入,使絮凝淤泥絮体逐渐结合成大的絮团,减少了颗粒之间的排斥作用,使形成的絮状体更大,更容易沉降[18]。由图6b可知,20 min后,经Ca(OH)2+PAM作用的淤泥絮体进一步呈现压缩沉降,而仅投加PAM的淤泥,其絮体压缩沉降的效果明显下降。70 min后,用Ca(OH)2,PAM和Ca(OH)2+PAM的淤泥体系其浓缩倍数分别为3.11,3.70和3.94,此时淤泥的体积仅为絮凝脱水前的30.75%,25.60%和23.90%。
图6 PAM的加入对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥的影响Fig.6 Effect of PAM on flocculation-thickening of Ca(OH)2
3 结论
1)Ca(OH)2能够有效地加速淤泥的絮凝沉降速率,其最佳的投加量为5 g/L。
2)PAM对淤泥的沉降有明显的促进作用,其最佳的投加量为0.04 g/L。
3)PAM的添加对Ca(OH)2絮凝浓缩淤泥有促进作用,浓缩脱水70 min后,Ca(OH)2,PAM与Ca(OH)2+PAM浓缩脱水的淤泥体系其浓缩倍数分别为3.11,3.70和3.94,淤泥的体积可减少69.25%,74.4%和76.1%。
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Flocculation-thickening of Silt from Xunsi River in Wuhan
XIAO Qu1,PI Ke-wu1,CHEN Shu-yu2,WANG Hui-jun2
(1.School of Resources and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China; 2.Hubei Province Key Laboratory for Ecological Restoration of Lakes and Utilization ofAlgae,Wuhan 430068,China)
Objective To study the variation of sedimentation rate,concentration ratio and sludge settling index of the suspension-water interface of silt from the Xunsi River in Wuhan under different dosages of Ca(OH)2and PAM.Methods Sedimentation test was carried out for silt from the Xunsi River in Wuhan.The dehydrating agent with optimum dehydration effect was found out through the test.Results The results showed that when the mass fraction was 10%,silt dehydration had the optimum effect with the dose ratio of Ca(OH)25 g/L and PAM 0.04 g/L.In the best situation,the sedimentation rate of the suspension-water interface could reach 3.7 cm/min,the concentration ratio 3.94,and the sludge settling index 24.9%. Conclusion Ca(OH)2and PAM can promote the dehydration of the silt.Silt has gone through four processes:free sedimentation, flocculation sedimentation,regional sedimentation and compression sedimentation under the combined effect of Ca(OH)2and PAM.
river silt;dehydration;flocculation sedimentation;suspension-water interface
2016-03-16;Revised:2016-04-23
10.7643/issn.1672-9242.2016.04.030
TV851
A
1672-9242(2016)04-0185-07
2016-03-16;
2016-04-23
国家自然科学基金(51209190);中国国家合作科技项目(2014DFE70070);湖北省自然科学基金(2013CFB024)
Fund:National Natural Science Foundation(51209190);China's National Cooperation Project of Science and Technology(2014DFE70070); Natural Science Foundation of Hubei Province(2013CFB024)
肖曲(1990—),女,硕士研究生,主要研究方向为城市河道淤泥的脱水。
Biography:XIAO Qu(1990—),Female,Master,Research focus:dehydration of silt from city river.