水库疏浚底泥絮凝沉降室内试验研究

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(1.浙江广川工程咨询有限公司，杭州　310020; 2.浙江省水利河口研究院，杭州　310020)

1　研究进展

环保疏浚旨在去除湖库水体中的污染底泥，可有效地清除湖库内源污染，并为湖库水生生态系统的恢复创造条件[1]。湖库底泥沉积物一般由胶粒、黏粒和粉粒等细小土颗粒组成且含有大量重金属、氮磷以及有机物等成分[2]。近年来，环保疏浚已普遍应用于我国南方地区的湖泊清淤工程[3-5]，湖库污染底泥往往具有含水率高、渗透系数小、有机质含量高等特性，疏浚过程中污染底泥被打碎，强化了污染物的释放，使疏浚泥浆中含有大量底泥中的污染物质，这些物质大部分附着在细颗粒上、悬浮在水中，在自然条件下很难有效沉降下来，影响底泥脱水干化效果[6]。疏浚底泥中加入化学絮凝剂可以加快疏浚底泥絮凝沉降，实现泥水快速分离，是目前国内外应用比较广泛的处理技术[7-8]。

化学絮凝剂具有压缩双电层和吸附架桥的功能，可以加速泥水颗粒聚集在一起形成絮凝进行脱稳[6]。目前国内外已经展开了大量有关化学絮凝剂对底泥絮凝沉降的影响研究，范杨臻等[9]、梁启斌等[10]以滇池底泥为试验对象分析了含Al3+,Fe3+絮凝剂的掺量对淤泥絮凝沉降的影响；Tarchitzky等[11]、陈洪松等[12]通过试验分析含Ca2+,Mg2+絮凝剂对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响；赵彬侠等[13]研究了Na2SiO3·9H2O的浓度对絮凝效果的影响；李冲等[14]通过在湖泊疏浚底泥中加入不同类型、不同掺量的PAM絮凝剂来分析底泥的絮凝脱水特征。

目前的研究成果大多采用单因素方法分析不同絮凝剂、不同掺量下泥浆絮凝沉降的变化过程，并未分析不同类型絮凝剂组合对疏浚泥浆絮凝沉降的影响。事实上，絮凝剂的掺量以及组合配比均会直接影响疏浚底泥的絮凝沉降效率[15-16]，本文以通济桥水库疏浚底泥为研究对象，通过室内试验分析单因素絮凝剂和不同有机、无机絮凝剂的组合下疏浚泥浆絮凝沉降的变化规律，并得出絮凝剂最佳配比方案。

2　材料与方法

2.1　试验底泥

试验底泥取自通济桥水库生态清淤工程[17]，其颗粒主要由胶粒、黏粒和粉粒组成，其中黏粒和胶粒的比例超过60%，天然含水率为95.5%，pH值为7.2，属高液限黏土。基本物理性质指标如表1所示。

2.2　试验方法

2.2.1疏浚泥浆配制及试验仪器

疏浚底泥通过绞吸式挖泥船扰动吸挖后形成疏浚泥浆，体积变成了原来的3～4倍[18]。试验设定疏浚泥浆的初始含水率为400%，由含水率换算可配置泥样所需的质量。试验主要仪器包括1 000 mL烧杯、1 000 mL沉降柱量筒、无极可变速电动搅拌机、搅拌棒以及检测余水指标的pH试纸、浊度仪等。

表1　疏浚底泥基本物理性质指标Table 1　Basic physical properties of dredged sediment

2.2.2试验试剂

试验选择的絮凝剂主要包括有机絮凝剂PAM(聚丙烯酰胺)，无机絮凝剂PAC(聚合氯化铝)、FeCl3,Na2CO3,Na2SiO3·9H2O,KAl(SO4)2·12H2O。试验先研究各试剂单独添加下对疏浚泥浆的絮凝沉降以及余水水质的影响，然后通过优化选择絮凝沉降快、水质清的絮凝剂进行组合配比，进一步分析组合絮凝剂对疏浚底泥絮凝沉降的效果。试剂选择方案如表2所示。

表2　试剂选择方案Table 2　Selection of flocculants

2.2.3试验步骤

(1)将215 g泥样放置1 000 mL烧杯中，加水至700 mL，先人工搅拌使大团粒破碎，再电动搅拌5 min，形成均匀泥浆，模拟疏浚底泥结构遭到充分破坏,如图1(a)。

(2)将配置泥浆倒入1 000 mL量筒，并加水至1 000 mL。然后用人工搅拌并加入絮凝剂，模拟疏浚底泥管道泵送和添加试剂过程，如图1(b)。

图1　疏浚泥浆扰动和泵送过程模拟Fig.1　Simulating the stirring and pumping ofdredged mud

(3)搅拌结束后即开始计时，观察沉积柱中泥水混合物的沉积过程，并记录土水界面的下降量，取上清液作为疏浚底泥余水处理后的水样，测定pH和去浊度指标。

3　结果与分析

3.1　PAM对疏浚底泥絮凝沉降的影响

加入PAM后各疏浚泥样沉降面明显，但上清液呈浑浊态。各组沉降试验的含水率在第50 min左右出现拐点，300 min后含水率接近180%，基本趋于稳定，见图2。

图2　不同种类、不同掺量PAM对疏浚底泥絮凝的影响Fig.2　Influence of different kinds and different dosagesof PAM on the settling of dredged sediment

添加PAM的泥浆均比原状土絮凝沉降快，其中300万阴离子型PAM的絮凝效果更好，这是因为阴离子型PAM的分子链中含有一定量的极性基能够对已脱稳的凝聚颗粒起吸附架桥作用，从而使其快速形成大的絮体，易于分离。絮凝效果最佳的是掺量10 mL方案，这是因为10 mL掺量下底泥絮体破碎过程中颗粒表面产生的负电荷已经被中和。继续添加后，过量的电荷再次包围着底泥颗粒形成稳态结构，进而阻碍了细小颗粒的絮凝沉降，减缓了固液分离。

相对原状土，加入PAM对上清液的pH值影响不大。但上清液去浊率较低，均在10%以内(图3)，这表明PAM可以促进底泥絮凝沉降，但不能有效降低上清液的浊度。

图3　不同种类、不同掺量PAM对上清液pH值和去浊率的影响Fig.3　Influence of different kinds and different dosagesof PAM on the pH value of supernate and turbidity-reducing rate

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

3.2　CO32-,SiO32-及Ca2+对疏浚底泥絮凝沉降的影响

由图4可知，加入Na2SiO3·9H2O和CaCl2的泥样沉降不明显，这和赵彬侠等[13]在工业废水试验中得出的SiO32-可以有效促进水中悬浮物凝胶后絮凝沉降，以及陈忠杰等[19]在煤泥水试验中得出的Ca2+可以加快泥土颗粒絮凝沉降的结果有所不同，这可能是因为疏浚泥浆与工业废水和煤泥水的差异所致，疏浚底泥的颗粒大小和有机质含量会影响SiO32-和Ca2+的促凝效果。

加入Na2CO3的泥样在刚开始的5 min内沉降柱无明显变化，随后开始出现急剧沉降；含水率在前40 min内急剧减小至220%左右后基本趋于稳定，这说明CO32-可以促进细土颗粒的絮凝结合成大颗粒，提高颗粒的沉降速率。

由图5可知，加入Na2CO3,Na2SiO3·9H2O和CaCl2的上清液pH值呈碱性，加入Na2SiO3·9H2O和CaCl2对上清液几乎没有去浊作用，而加入Na2CO3上清液浊度改善较小。

图5　Na2CO3,Na2SiO3·9H2O和CaCl2对上清液pH值和去浊率的影响Fig.5　Effects of Na2CO3, Na2SiO3·9H2O, and CaCl2on the pH value of supernate and turbidity-reducing rate

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

图7　FeCl3，PAC和KAlSO4·12H2O对上清液pH和去浊率的影响Fig.7　Effects of FeCl3, PAC, and KAlSO4·12H2O onthe pH value of supernate and turbidity-reducing rate

3.3　Fe3+,Al3+对疏浚底泥絮凝沉降的影响

图6,图7分别表示FeCl3,PAC和KAlSO4·12H2O对疏浚底泥絮凝沉降和上清液pH值和去浊率的影响。从图6中可看出，加入FeCl3,PAC和KAlSO4·12H2O后泥样出现明显的清浑分界面，上清液清澈。由图7可知，加入Fe3+,Al3+后，溶液呈酸性。但去浊率很高，均在80%以上，表明Fe3+,Al3+在絮凝沉降过程中能有效起到净水的作用。含Fe3+,Al3+絮凝剂可有效地絮凝细小颗粒，降低上清液的浊度，但由于泥浆颗粒物质量分数较大且相互作用明显，其所形成的沉降阻力难以由此类絮凝剂的架桥絮凝作用克服，因此沉降效果十分有限；而PAM的聚合度大，絮凝体加大加密后能明显提高泥浆颗粒的沉降作用[20]，但相对而言，其在电性中和与网捕方面的效果逊于无机絮凝剂，上清液的浊度相对较高。

3.4　有机-无机絮凝剂组合对疏浚底泥絮凝沉降的影响

综上，选择PAM，Na2CO3，PAC或FeCl3拟定组合方案：①10 mL PAM+2 g PAC；②10 mL PAM+2 g FeCl3+2 g Na2CO3；③10 mL PAM+2 g PAC+2 g Na2CO3，试验结果如图8、图9所示。

图8　有机-无机絮凝剂组合对疏浚底泥絮凝沉降的影响Fig.8　Effect of organic-inorganic flocculantcombination on the settling of dredged sediment

图9　有机-无机絮凝剂组合对上清液pH和去浊率的影响Fig.9　Effect of organic-inorganic flocculantcombination on the pH value of supernate andturbidity-reducing rate

从图8可以看出各组合方案的絮凝沉降量大小为：③>②>①>原状土样，3种组合方案的含水率分别为170%,183%和210%，相对而言，②和③添加Na2CO3后在前200 min内的沉降速率更快。

由图9可知，絮凝沉降稳定后①和②的上清液呈弱酸性，pH值分别为6.5和5.9；③的pH值为7.4，基本呈中性。各组合方案的上清液去浊效果优劣为：③>①>②，加入降浊较好的PAC或FeCl3后各组的去浊率普遍较高，可有效改善上清液水质浑浊度，且总磷(0.045 mg/L)、氨氮(0.284 mg/L)满足一级排放标准，因此，方案③为最佳絮凝剂配比方案。

4　结　论

通过室内试验配制水库疏浚泥浆并分析添加不同有机、无机絮凝剂以及有机-无机絮凝剂组合对疏浚泥浆的絮凝沉降效果及上清液水质的影响，从而确定最佳絮凝剂配比方案。结论如下：

(1)细颗粒、高有机质水库疏浚底泥中加入PAM可以有效促进泥浆的絮凝沉降，增大沉降量，但对上清液的浊度的去除水平较低。

(2)CO32-可以促进疏浚泥浆中细土颗粒絮凝结合成大颗粒，提高颗粒的沉降速率；而SiO32-和Ca2+主要适用于颗粒相对较大及有机质较少的泥浆絮凝，对细粒径和高有机质泥浆的絮凝效果较差。

(3)Fe3+,Al3+在疏浚底泥絮凝沉降过程中可以有效降低上清液的浊度，起到净水作用；但对泥浆絮凝沉降作用效果十分有限。

(4)每1 000 mL疏浚泥浆中加入10 mL PAM+2 g PAC+2 g Na2CO3，初始絮凝沉降速率快，稳定后底泥含水率为170%，且上清液的pH呈中性，去浊率高达85%，为最佳絮凝剂配比方案。

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