三种絮凝剂对疏浚淤泥脱水降污特性的影响

王菲 王贤平

摘要：针对疏浚淤泥含水率高、污染严重的情况，以武汉市官桥湖底泥为研究对象，利用板框压滤机进行压滤实验，以含水率、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）为指标，考察3种絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM），氯化铝（AlCl3），氯化铁（FeCl3）及其投加量对淤泥的脱水率和降污效果的影响，并比较了不同放置时间下，泥饼污染物浸出浓度变化情况。结果表明：PAM在5‰投加量时的脱水效果最好;FeCl3对滤液中TN、TP的去除作用较好，AlCl3对COD的降低作用较好;泥饼浸出液中TN、TP浓度随放置时间延长而增大，COD逐渐降低并趋于稳定。单一絮凝剂能显著改善淤泥脱水性能，但不能稳定泥饼中的污染物。

关键词：疏浚淤泥;淤泥脱水;絮凝剂;脱水降污;武汉市官桥湖

中图法分类号：TV851文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.010

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0061 - 04

1 研究背景

湖泊底泥是入湖污染物的主要积蓄场所。随着湖泊周围居住人口密度增大，各种生活、工业生产排放物进入湖泊，底泥中有机物沉积，氮、磷、钾、微量元素和各种微生物含量剧增，在一定条件下再次释放，成为湖泊水质的重要污染源之一[1]。自20世纪90年代以来，国内已开始对城市湖泊进行清淤治理。清出淤泥的含水率极高，占地大且污染严重[2]，为便于运输以及后续的处置利用，必须进行脱水处理[3]。由于淤泥黏粒含量高、渗透性能差，需先经过调理后再进行机械脱水。一般采用化学调理法，通过添加絮凝剂改善淤泥理化性质，提高淤泥脱水性能[4-6]。国内许多学者就絮凝剂的种类和用量对脱水效率的影响进行了研究，结果表明：相对无机絮凝剂而言，有机高分子絮凝剂用量少、絮凝速度快，针对不同泥质适当选取絮凝剂种类及投加量能够显著改善淤泥的脱水性能[7-8]，进一步降低含水率需机械脱水。高含水率淤泥在机械脱水过程中产出泥饼的同时排出大量滤液，目前围绕降低泥饼含水率的研究较多，但是忽视了滤液的水质情况，严重污染的淤泥压滤滤液中残留的污染物质浓度较高，随意排放易造成二次污染，泥饼在堆放过程中也会向周围环境释放污染物。

因此，本文主要选取阳离子聚丙烯酰胺（PAM），氯化铝（AlCl3）和氯化铁（FeCl3）等3种常见絮凝剂，通过板框机压滤实验，研究不同絮凝剂对淤泥脱水速率的影响，着重探讨压滤出水及泥饼中污染物的去除率和固定性，以期对淤泥脱水降污同位处理和资源化利用提供建议。

2实验部分

2.1 实验设备及物料

实验所用淤泥取自武汉市东湖子湖官桥湖。由于官桥湖属营养化水体，底泥中主要污染物质为有机质，氮、磷营养盐，具体含量如表1所示。因此该实验以总氮（TN）、总磷（TP）和化学需氧量（COD）为分析指标，考察板框压滤机内絮凝剂脱磷、脱氮及降低COD的效果。实验采用PAM、AlCl3和FeCl3等3种常见絮凝剂。主要设备为板框式压滤机。淤泥中有机质测定参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[9]中重铬酸钾容量法，氮、磷参照土壤全氮、全磷的测定方法，分别采用半微量开氏法、钼锑抗比色法。淤泥初始含水率为90%。

2.2 实验方法

本实验由3个部分组成，淤泥压滤脱水、滤液测定和泥饼测定。首先分别按干泥质量的1‰，3‰，5‰，7‰取PAM，AlCl3，FeCl3，在1 000 mL烧杯中配成溶液，倒入装有淤泥的进料筒中，搅拌5 min 后静置2 h，通过隔膜泵将泥浆输送至板框压滤机中进行压滤实验。控制进料压力0.7 MPa，压滤压力1.2 MPa。然后测定滤液中TN、TP浓度，COD值和压滤后滤饼含水率。泥饼在自然状态下养护1 d和28 d后再分别测定浸出液中各代表性污染物指标。浸出液参照HJ557-2009《固体废弃物浸出毒性浸出方法》[10]制备，各指标参照《水和废水监测分析方法》（第四版）[9]测定：COD，重铬酸钾法;TN，过硫酸钾氧化紫外分光光度计法;TP，过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法。为保证实验数据的代表性，每组实验重复3次。

3 实验结果与分析

3.1 絮凝剂对淤泥脱水的影响

图1是不同絮凝剂在不同浓度下淤泥脱水后的泥饼含水率变化曲线。

图1显示，随着絮凝剂投加量的增加，压滤后泥饼的含水率随之减少。但当投加量>5‰时，效果不明显，其中PAM的脱水速率最快，泥饼含水率最低。对于铁盐和铝盐而言，随着投加量增大，扩散层中反离子浓度增大，双电层电位降低，从而引起ζ电位下降和扩散层厚度被压缩，胶体颗粒失去稳定性迅速凝聚，在机械压力作用下，淤泥中的间隙水和结合水更容易被分离出来[11]。然而投加量过多，会使胶体粒子带上相反电荷而重新悬浮，从而降低脱水效果。另外，由于铁盐和铝盐水解产生羟基多核络合物，形成的絮团紧密稳定，在靠近滤布处形成一薄层“硬壳”，阻止滤液流出，因此脱水速率较慢，而且泥饼含水率较高。对于PAM而言，由于高分子桥连作用，形成的絮体较大[12]，经过泵送进入板框腔体后，在压力作用下形成的滤饼通透性较好，滤液容易透过滤布流出。但投加过量时，胶体表面被高分子絮凝剂所饱和，表面无吸附空位而使絮凝剂失去架桥作用，因此继续增大投加量，淤泥脱水效果不明显。

3.2 絮凝剂对滤液污染物去除率的影响

淤泥经板框压滤机脱水后产生的滤液中仍残留部分污染物质，测定其中的污染物指标以分析絮凝剂的降污效果。图2～4分别是滤液中TN、TP、COD值随絮凝剂比例的变化曲线。

图2～3表明随着絮凝剂比例的提高，滤液中TN、TP总体上呈现出下降趋势，在投加量为3‰～5‰时达到最低点，此时PAM，FeCl3，AlCl3对总氮去除率分别为32.90%，78.77%，74.29%，总磷去除率分别为22.56%，72.18%，69.01%。PAM脱水过程迅速，然而对污染物吸附力度不够，这可能与其分子表面的活性基团有关。高分子团聚体粒较大，封闭了淤泥内部氮、磷的吸附位点，导致吸附量下降。另外，PAM形成的絮团疏松，水分透过时吸附反应不充分也可能是致使滤液中残留的N、P含量较高的原因。铁盐和铝盐在水解过程中形成大量的氢氧化物絮体沉淀有很强的吸附能力，同时矾花沉淀时也可以网捕卷扫一部分非溶解性的磷。由于铁盐形成的矾花密度大，沉降性能好，吸附卷扫除磷的效果也優于铝盐。而且，FeCl3水解产生的Fe3+和OH-及PO43-之间的强亲和力，使溶液中可能会有Fe2.5PO4（OH）4.5及Fe1.6H2PO4（OH）3.8等难溶络合物，通过络合吸附作用可除去更多的磷[13]。

图4表明在3‰投加量时，滤液中COD最低，AlCl3效果最明显，去除率达到67.49%。随后继续增大投加量，去除率反而下降，说明PAM，FeCl3，AlCl3对有机物的去除有一定限度。其投加比例与COD去除率的关系还需进一步探讨。总体看来，相对PAM来说，FeCl3，AlCl3能够大幅度降低淤泥中污染物含量，使得压滤出水可以达到三级排放标准。其中FeCl3脱磷、脱氮效果较好，而AlCl3对COD的降低作用较好，但二者对淤泥的脱水速度和效果不如PAM。可以考虑联合使用两种絮凝剂，充分利用有机和无机两种絮凝剂的优点，提高淤泥的脱水降污性能。

3.3 絮凝剂对泥饼中污染物的固定性影响

淤泥经过压滤后，其中污染物一部分随滤液排出，一部分仍残留在泥饼中，泥饼在堆放过程中，受到雨水浸沥等外界环境的影响，污染物又会重新浸出造成二次污染。本实验以纯水为浸提剂，通过浸出实验，分别测定1 d和28 d时泥饼浸出液的TN、TP、COD值，将其结果与未经处理的原泥浸出液进行对比，从而判断3种絮凝剂对污染物的固定化作用。原泥浸出液的主要污染物指标如表2所示。图5是1 d与28 d泥饼浸出液污染物指标对比曲线。

图5表明：与未经处理的淤泥原样浸出液相比，1 d时压滤泥饼浸出液各污染物指标均有所降低;28 d时，氮、磷的浸出浓度都有不同程度的提高，PAM的处理结果甚至高于原泥，这说明简单的絮凝结构不足以稳固淤泥中的氮、磷污染物，絮凝剂在某种程度上甚至加速了淤泥中非活性形态的氮、磷元素向活性形态的转变。淤泥中大分子碳水化合物、腐殖质等通过化学絮凝作用被吸附后，易降解部分经微生物分解，继续释放出C、N、P、S等营养盐[14]，这也是养护后期浸出液中氮、磷含量增高的原因。还有研究表明[15]：有机高分子絮凝剂存在降解过程，絮凝脱水20 d后的淤泥性状与原泥接近，因此PAM处理的淤泥浸出液中氮、磷浓度偏高。COD则随着时间增长逐渐降低并趋于稳定，这可能与淤泥中有机质不断降解有关。

由上述实验结果分析可知，单一絮凝剂不能对泥饼中的污染物起到良好的固定作用，随着时间增长，氮、磷浸出浓度增大，长期堆放容易对周围环境造成二次污染。

4结 论

（1）3种絮凝剂对淤泥脱水和降污表现出不同的特点。随着絮凝剂比例的增加，淤泥脱水率提高，投加量大于5‰时，脱水率增加不明显，最佳投放量是5‰，此时PAM的脱水效果最好。PAM的降污能力不如FeCl3及AlCl3，其中FeCl3能吸附滤液中70%以上的TN、TP，效果优于AlCl3，但后者对COD的降低作用较好，具体的投放比例与COD去除率的关系仍需要进一步探讨。当FeCl3，AlCl3投放量在3‰～5‰范围内，滤液中的TN、TP、COD最低。

（2）不同放置时间下，泥饼浸出液中不同污染物浸出浓度变化情况不同。氮、磷释放量随着时间延长而增加，COD则逐渐降低，28 d时浸出浓度趋于稳定。实验结果表明：单一絮凝剂不足以稳固淤泥中的污染物，经处理的泥饼仍然存在较大的二次污染风险。

（3）考虑到有机和无机絮凝剂的优点，联合使用两种絮凝剂，将有助于进一步降低淤泥含水率和固定污染物。絮凝剂的复混效用将是下一阶段的研究重点。

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（编辑：唐湘茜）