化学药剂对水电工程砂石系统生产废水泥渣脱水特性影响研究

龚本洲 王钰捷 张志胜 陈雯 李亮

摘要：为了有效处理砂石系统生产的废水泥渣，避免其对生态环境的破坏，采用PAC、PAM、FeCl₃、CaO、PAC+PAM、PAC+CaO、PAM+CaO处理泥渣，研究泥渣脱水性能。结果表明：PAM+CaO联合投加对改善泥渣脱水特性效果最好;当CaO投药量为0.59%、PAM投药量为0.012%时，比阻较不投加化学药剂条件下减小了40%。通过压滤试验，不投加药剂条件下，泥饼厚度仅3mm，且无力学强度，泥饼含水率25%;PMA和CaO联合投加条件下，泥饼厚度可达14mm，并具有一定力学强度，泥饼含水率仅为22%。研究成果可为今后国内外砂石项目的建设运营提供借鉴。

关键词：砂石废水泥渣;脱水性能;比阻试验;压滤试验;化学药剂

中图法分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2020）12-0048-05

1研究背景

在水电站工程施工中，大规模混凝土所需的砂石骨料普遍采用人工制取的方式提供。为确保混凝土质量，在人工砂石骨料加工过程中，处理砂石料中的泥土杂质是一个重大课题，较成熟的方法是采用大量洁净水对砂石料进行清洗，将骨料的泥渣及石粉含量控制在规范规定的范围内，从而产生相应排放量的高悬浮物废水。水电站施工期砂石加工系统生产废水中主要污染物成分为悬浮固体，废水中SS质量浓度一般高达30000～100000mg/L，有的甚至更高（视料源及加工工艺不同而变）。若不作任何处理直接排放，砂石加工系统的废水，将会破坏施工区生态环境，造成河道淤积，河床抬高，进而影响水生生物的生存环境。

砂石加工系统废水处理过程中会产生大量泥渣，由于砂石废水泥渣量极大，泥渣未经处理直接进入脱水设备，导致脱水设备运行效率低、泥渣脱水效果差。本文以石料加工系统生产废水泥渣为研究对象，探求不同化学药剂对水电工程砂石加工系统生产废水泥渣脱水特性的影响。

2试验方法

2.1比阻试验

比阻测定试验装置详见图1，根据Carman公式，在压力一定的条件下过滤时，t/V与V成直线关系：

在直角坐标系中，以V为横坐标，t/V为纵坐标，对实测数据进行线性回归，求解斜率b，再利用式（2）求得比阻r。

2.2泥渣脱水试验

试验采用厢式压滤机（滤板为隔膜板，规格1m×1m），研究在调理剂作用下不同含固率泥样脱水能力，脱水试验装置如图2所示。

为模拟工程现场前端加药的时间条件，先向原水样中投加药剂，等其沉降后，将一部分清水排出，使其达到指定的含固率。

假设原泥的重量为M₁，含固率为ω₁，排出水后泥的重量为M₂，指定的含固率为ω₂，由于排出的只有清水，泥样前后所含的干泥总重是不变的，因此有：

3泥渣脱水特性试验

比阻试验表明，白鹤滩水电站三滩泥渣脱水性能良好。本节采用小型厢式压滤机进行泥渣脱水试验，压滤机试验的主要工作参数有压滤时间、压滤压力和进浆浓度等。每组试验将分别测定压滤后的泥饼厚度、含水率及尾水SS等指标。

一般认为，污泥比阻值在1×10¹²～4×10¹²m/kg之间时进行机械脱水较为适宜。对无机高分子、有机高分子和无机盐等不同种类调理剂及其投药量进行比阻试验，筛选出适宜的药剂，可供泥渣脱水能力试验参考。

白鹤滩水电站三滩原水样沉降浓缩加药量与泥渣比阻试验加药量转换如表1所示（加药量为药剂质量与干泥质量之比）。比阻试验泥渣采用原水样沉降浓缩后的底部泥浆，以期模拟沉淀池沉降分离过程。因此调理剂投加量即为原水样絮凝沉降投药量，投加不同调理剂条件下泥渣比阻值如表2所示。

（1）PAC、PAM、FeCl₃、CaO單独投加条件下，比阻较不投加调理剂均有不同程度地增大，其中PAM在0.006%投加量条件下比阻增大幅度最大，较不投加调理剂增大520%。

（2）PAC+PAM和PAC+CaO两种联合投加方式条件下，比阻较不投加调理剂均有不同程度增大，最高增幅244%。

（3）PAM+CaO联合投加条件下，当CaO投药量为0.59%时，比阻较不投加调理剂减小40%;当CaO投药量增大时，比阻较不投加调理剂稍有增大。这表明PAM和CaO联合投加有利于泥渣脱水。

压滤试验条件如表3所示，压滤试验结果如表4、图3和图4所示。

（1）不投加药剂条件下，压滤尾水浑浊，泥饼厚度仅3mm，且无力学强度，泥饼内部和表面含有较多附着水，含水率25%。

（2）PMA和CaO联合投加条件下，压滤尾水TSS 32mg/l，泥饼厚度可达14mm，并具有一定的力学强度，泥饼表面附着水分较少，含水率22%。

4泥渣脱水特性分析

4.1泥渣中水分形态

污泥中水分的存在形式有多种分类，Cosenza将污泥中的水分分成两大类：自由水和结合水。自由水是指污泥在脱水过程中，污泥中水分性质不随周围固体颗粒存在而发生变化的那部分水分。相对于自由水，结合水是指与固体颗粒存在相互作用力的水分。根据水分与污泥颗粒间作用力的不同，可将其分成3种。

（1）内部结合水。以化学键力与污泥颗粒结合的水分。

（2）表面结合水。以吸附、吸收的方式固定在固体表面。

（3）机械结合水。存在于毛细管内或者絮体内的水分。

污泥的水分分布特性与污泥的机械脱水性能关系密切。结合水越多，机械脱水越难。一般而言，不同水分形式的结合强度依次为自由水<机械结合水<表面结合水<内部结合水。与市政、工业等废水不同，砂石加工废水是无机悬浮物废水，沉渣中几乎不含有机质和微生物，内部结合水含量较少。

4.2泥渣調理机理

水电工程砂石加工废水处理系统产生泥渣脱水难度与固体颗粒的密度和粒径有关。密度越小的泥渣，相同重量体积越大，因此水分含量越高，脱水越困难。泥渣粒度越小，其表面积越大，结合水的水量越多，脱水越困难;泥渣粒度均匀，颗粒间空隙较大，虽然能容纳较多水分，但其水分易受重力作用排除。泥渣粒度不均匀，细颗粒将充填在粗颗粒空隙中，颗粒间空隙较小，水分较难排除。

泥渣调理的目的是将无定形的胶样污泥转变成有空隙的物质，便于释出其中的水分。脱水过程中使用调理剂以期改善滤液澄清度或提高过滤速度，按照其作用机理可分为介质型和化学调理剂。介质型调理剂只靠物理或机械作用来改善过滤物料，不涉及吸附作用或化学作用，是一些分散的、不同尺寸分布的固体颗粒或添加物质。在过滤过程中，它们起着过滤介质的作用，主要应用于固体颗粒小且对滤液有较高要求的场合。化学调理剂指通过吸附或化学作用改善过滤过程。

不投加调理剂条件下，泥渣比阻值在适宜直接机械脱水比阻范围内。多种药剂比阻试验表明，PAM和CaO联合投加可进一步改善泥渣的脱水性能，这也表明絮凝沉降试验所推荐药剂与泥渣脱水调理需求一致。

脱水试验表明，在泥渣不进行调理的条件下，由于白鹤滩水电站三滩泥渣粒径较小（中值粒径约3.43μm），固体颗粒容易穿过和堵塞滤布，造成压滤尾水水质较差，滤饼薄且无力学强度。采用CaO和PAM进行调理后，压滤尾水澄清，泥饼较厚且力学强度较好。CaO水溶液主要成分是Ca（OH）₂，Ca²⁺和OH^-。一方面，相关研究表明水的硬度对废水沉降有较大影响，当硬度较大时，水中Ca²⁺、Mg²⁺含量增高，这些离子可以在固体颗粒表面吸附，改变颗粒表面电位，使颗粒表面水化作用发生变化，促使颗粒凝聚。另一方面，Ca（OH）₂是一种介质型调理剂，在其表面具有吸附胶体的能力，使得形成的滤饼具有格子型结构，保持良好的渗透性，使得细颗粒不易粘附堵塞滤布;PAM通过架桥作用，细颗粒形成絮团，改变物料粒度组成，提高滤饼渗透率，加快过滤速度。

5结语

PAM和CaO联合投加对砂石系统生产废水泥渣脱水性能改善效果显著。当CaO投药量为0.59%、PAM投药量为0.012%时，比阻从不加药的0.85×10¹²m/kg降至0.51×10¹²m/kg。通过压滤试验，在PMA和CaO联合投加条件下，泥饼厚度从不加药的3mm增至14mm，泥饼含水率从25%降低至22%。该方法适用于砂石系统生产废水泥渣的有效处理，从而实现生态环境保护，可为今后国内外砂石项目的建设运营提供借鉴。

（编辑：唐湘茜）