疏浚底泥的絮凝干化脱水技术的研究进展

李小雨， 操家顺， 冯 骞， 漆 磊

（1.河海大学环境学院， 江苏 南京 210098； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063）

0 引言

随着我国城市化率的提高，工业化程度逐渐提高，以及市民数量的急速增长，未经适当处理的生产、生活污水直接排入城市河流、湖泊，使得城市河、湖的污染问题日益加剧，这也成为制约城市环境提升的主要问题之一。

河流、湖泊底泥是陆源性入河、湖污染物的主要蓄积场所，也是河、湖污染的潜在污染源，即使在有效的控制了河、湖的外源污染的情况下，底泥作为河、湖的内源污染源，仍有可能使水质发生富营养化。底泥生态疏浚是一种彻底去除河、湖内源污染的方式，是城市污染水体整治的关键步骤，旨在去除河、湖水体中的污染底泥，降低底泥中污染物向水中的释放量，进而减少内源污染对河、湖的影响，改善水体水质。

目前，我国城镇中，由于日益增多的生态疏浚工程的开展，产生了大量的疏浚底泥。若将未经干化脱水的疏浚底泥随意堆弃，一则占用土地较多，二则有可能造成二次污染。因此，须大力开展底泥干化研究，有效防止疏浚底泥的二次污染，进一步实现资源化利用。

目前，疏浚底泥干化技术主要有如下几大类：絮凝脱水技术、工程物理排水技术、机械脱水技术、土工管袋过滤脱水技术和电渗井点干化技术。其中，絮凝脱水技术是通过向泥浆内投加絮凝剂，使泥浆混合物中某些固相聚集形成絮团，使之“脱稳”，以实现泥水分离的技术[1]。由于其操作方法简单、沉降速度快、干化成本较低，日益成为研究疏浚底泥干化技术的重点。絮凝剂是絮凝干化技术的核心，其种类、用量、pH值等使用条件直接影响干化的效果，因此，絮凝剂的研究是絮凝干化技术研究的重中之重，将会进一步促进该技术的发展。以下将重点介绍絮凝剂的种类及优缺点、絮凝干化技术原理及其在疏浚底泥干化中的应用进展。

1 絮凝剂的分类

絮凝剂可以按照其性质分为化学絮凝剂和微生物絮凝剂两大类，其中化学絮凝剂又可按照其化学成分分为无机、有机、和复合絮凝剂[2]。这几类絮凝剂的使用中发现如下优缺点，见表1。

表1 各类絮凝剂的优缺点

2 絮凝脱水技术机理

2.1 化学絮凝剂的脱水机理

（1）无机高分子絮凝剂脱水机理

无机高分子絮凝剂的脱水机理主要为电中和架桥过程。首先，水体中胶粒上的羟基被高分子吸附，即与高分子发生配位和互补。然后，继续与溶液中的羟基相互作用产生水解，进而在表面生成氢氧化铝/铁凝胶沉淀物，进一步粘结团聚，见图1[2]。

铝盐和铁盐在水中首先发生水解，然后表面络合、聚合，进而胶凝沉淀。研究发现，共存阴离子可以参与絮凝剂的水解，在聚铝/铁中加入一定量的或可以提高絮凝剂的分子量和所带电荷量，有效增强絮凝效果。铁盐絮凝剂的特点是毒性低、价格便宜，絮凝过程十分迅速，较难控制。铝盐絮凝剂的絮凝效果好，絮凝过程相对较慢易于控制，但铝盐具有一定毒性。

图1 无机高分子絮凝剂絮凝机理

（2）有机高分子絮凝剂脱水机理

有机高分子絮凝剂的作用机理主要为高分子吸附架桥作用及电中和作用。高分子浓度较低时，长链状的有机高分子通过架桥作用将多个胶粒联在一起，从而絮凝。高分子达到一定浓度后，胶粒表面完全被吸附的高分子覆盖，则胶粒之间无法继续通过高分子的桥架作用相联。当高分子与胶粒的聚合物与其他胶粒所带电荷相反时，会通过定量吸附作用聚集，发生絮凝。此时为电中和作用[2]。另外,其絮凝过程还具有网捕作用,使得沉降更加迅速，见图2。

图2 吸附架桥模型

2.2 微生物絮凝剂脱水机理

微生物絮凝剂是一种天然高分子絮凝剂，成分主要为微生物菌体或其产生的具有絮凝活性的次级代谢产物，其主要化学成分为粘多糖、蛋白质、糖蛋白、纤维素和脱氧核糖核酸等。微生物絮凝剂来源与种类广泛，不同絮凝剂的性质差异较大。

目前，吸附架桥、电性中和及卷扫网捕等是比较公认的絮凝机理[3]。通常单一机理不能完全解释同一絮凝过程，絮凝过程往往是由多种机理共同作用导致的。TAKAGI等[4]由青霉属真菌产生的絮凝剂PF-1，其聚氨基半乳糖链可以吸附带负电荷的颗粒，形成的聚合物分子间可以产生架桥，从而产生稳定的絮状物和沉淀物。BAR-OR等[5]发现从细菌、酵母菌及土壤颗粒中分离出来的带负电的多糖，可以通过阳离子桥，将悬浮的黏土颗粒吸附于临近带负电的黏土颗粒表面，使黏土颗粒絮凝。这类絮凝剂的絮凝效果取决于其分子的长度和单位长度的带电基团数量（即电荷密度）。这些因素决定絮凝剂与颗粒间的架桥程度。

3 絮凝剂在底泥干化中的应用

3.1 传统化学絮凝剂在底泥干化中的应用

传统无机高分子絮凝剂的优势在于，能够形成高密度、快沉降的絮凝体。这种絮凝剂不但性能优异，而且原料易于获得，成本较低，已实现工业化生产，并成功地应用于疏浚底泥的干化处理过程中。为了研究不同种类的脱水絮凝剂对各泥质类型底泥脱水性能的影响，马涛等[6]选择聚合氯化铝铁(PAFC)、聚合氯化铝(PAC)及阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，分别对沙质、泥质及泥沙混合质3条不同泥质类型的河流底泥的脱水性能进行研究。结果显示，所有脱水絮凝剂在一定的使用量范围内，对各类型底泥的脱水作用，均可获得不同程度的改善优化。有机高分子絮凝剂因其速效、稳定的特点，广泛应用于疏浚底泥干化。该类絮凝剂处理过程迅速，絮体粗大，沉降快；用量较少，絮凝效果好；工业化程度较高，产品性能稳定，可按需控制分合成产物分子量。

段云平[7]为了研究无机/有机絮凝剂的脱水性能，为疏浚底泥的脱水干化提供可行的参考，采用无机类絮凝剂PAC及有机高分子类絮凝剂PAM开展疏浚底泥脱水实验。实验结果表明，PAM具有较好的调理性能，在一定条件下，脱水效果最佳。

单一絮凝剂的使用存在应用面狭窄、絮凝脱水效率低、操作工艺复杂、处理成本较高等诸多不足。为克服上述问题以及无机/有机絮凝剂各自内在的缺陷，新型无机-有机复合絮凝系统逐渐发展起来，并已成为絮凝剂研究的重要发展方向。一方面，复合絮凝剂应用范围更广；另一方面，简化操作工艺，在保证高效絮凝脱水的的同时，处理费用更低。研究结果表明，无机－有机高分子絮凝混合体系明显优于两者单一体系的使用效果。张小璐等[8]采用三氯化铁－聚丙烯酰胺（FeCl3－PAM）复合脱水系统作为河流疏浚底泥的脱水剂，开展相关脱水实验。研究表明，在一定条件下，复合絮凝剂的脱水性能明显提高。

3.2 新型化学絮凝剂在底泥干化中的应用

近年，新型化学絮凝剂的研究主要集中在研究和开发新型有机高分子絮凝剂。这类絮凝剂除了具有传统有机高分子絮凝剂的优点外，还克服了水体中残余的有机高分子易致崎、致癌、致突变的问题。是目前研究的热点。李妍等[9]以稻壳为原料，十六烷基三甲基溴化铵为阳离子醚化剂，制成天然有机高分子絮凝剂RHF。发现RHF的絮凝脱水性能较好的同时还能有效去除污染物质，改善余水水质。另外RHF与CPAM复配体系可以加快底泥絮凝沉降速度。

此外，研究者们还建立了新的无机-有机复合絮凝体系，更加显著地提高了脱水效率。李潇潇等[10]研究证实，使用PAC/PDMDAAC复合絮凝剂对比使用PAC，投加量可降低20%～35%，且效果更好。对于有机质含量高且含有大量黏粒的超保水性疏浚底泥，传统的絮凝剂难以有效达到脱水要求。Fenton体系[11]可以产生絮凝，并且有操作方便，反应速度快等优点，目前在生活污水处理、含难降解有机物废水处理以及城市污泥处理领域应用较多，而应用于疏浚底泥脱水则相对较少。田宇等[12]详细研究了改良Fenton体系对疏浚底泥脱水性能的影响。结果表明当Fenton体系与CPAM联用时，具有最好的底泥脱水性能。

3.3 微生物絮凝剂在底泥干化中的应用

与化学絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有絮凝性能良好、安全无毒[13]、易于生物降解、对环境影响小[14]的特点，微生物絮凝剂取代大部分传统的无机高分子和合成有机高分子絮凝剂将成为一种趋势。

于荣丽等[15]经过挑选得到一株高效的微生物絮凝剂生产菌F22，运用其生产的絮凝剂进行疏浚底泥脱水实验，发现F22菌株所产絮凝剂拥有良好的底泥脱水性能。于荣丽等[16]将菌株 LMB8优化培养后，运用其产生的微生物絮凝剂进行疏浚底泥快速脱水实验。结果表明，LMB8菌株所产生的絮凝剂对疏浚底泥的絮凝率最高可达83.1%。

4 结语

絮凝干化脱水技术广泛应用于处理生态疏浚底泥工程中。这项技术的发展主要取决于絮凝剂的开发和研制。目前，无机-有机复合高分子絮凝剂作为一类高效絮凝剂，研究和应用较为广泛。但是使用中会无可避免造成水体污染问题。天然高分子絮凝剂由于其低污染性越发引起研究者的关注，其研究方向主要集中在以下2方面：①提高天然高分子絮凝剂的稳定性，并扩展其适用条件；②研究天然高分子无机-有机复合絮凝剂的可行性及其作用机理。微生物絮凝剂由于其高絮凝性、低污染、易降解的特性使之有替代现有传统絮凝剂的趋势。但国内相关研究仍处于初级阶段，其生产制备方法仍不成熟，离大规模工业生产还有相当距离。目前的研究重点集中在以下2方面：①利用分子诊断技术对絮凝剂中的菌种进行生物学定位，了解其生物特性，进一步解释其絮凝机理；②在分子诊断的基础上利用基因技术开发培养更高效的絮凝剂菌种。