城市废弃泥浆脱水评价指标的相关性研究

2022-08-30丁嘉仪张春雷曾文超

环境科技 2022年4期

丁嘉仪，张春雷，陈森，李捷，曾文超，王健

（1.河海大学环境学院，江苏南京 210098；2.海盈（南京）水处理技术有限公司，江苏南京 210029；3.南京环境集团有限公司，江苏南京 210026；4.南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210000）

0 引言

据统计，我国每年产生约3 亿m3城市废弃泥浆，并且随着城镇化地不断加快而增加[1]。城市废弃泥浆大多由细颗粒和黏土矿物组成，颗粒长期处于稳定的悬浮状态，含水率较高且难以自然沉降[2-3]。对废弃泥浆进行减量化和资源化处理利用已经成为当今解决泥浆难题的必然趋势[4-6]。

城市废弃泥浆脱水药剂优良比选主要借鉴现有的污泥脱水性能评价指标，包括：污泥比阻[7]（specific resistance to filtration，SRF）、毛细吸水时间[8]（capillary suction time，CST）、Zeta 电位[9]、颗粒粒径[10]以及泥饼含水率[5]等，一般沉降过程中的泥浆沉降速率或泥水界面高度也被作为评价脱水药剂的指标。但由于污泥中有机组分含量高，而城市废弃泥浆以无机物为主，国内外学者筛选药剂的评价指标并不完全一致，也鲜有关于多种指标之间相关性的研究报道，导致目前脱水药剂的筛选工作难以标准化，为城市废弃泥浆脱水药剂的高效筛选带来了困难。

研究选取4 种脱水药剂，开展不同种脱水药剂对城市废弃泥浆的沉降及脱水试验，分析沉降泥的比阻（SRF）、毛细吸水时间（CST）、泥饼含水率等指标之间的相关性，以确定1 个最优评价指标，有效指导脱水药剂的筛选。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用脱水药剂：聚合氯化铝（PAC，分析纯，由麦克林公司提供，质量分数为98%）、三氯化铁（FeCl3，分析纯，由成都市科隆化学品有限公司购入，质量分数大于99%）、聚合硫酸铁（PFS，分析纯，由麦克林公司提供，铁质量分数大于21%）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，分析纯，由麦克林公司提供，相对分子质量为1.2×104）。

试验所用泥浆取自南京泥浆处置中心泥浆调节池，该泥浆为来自南京市多个建筑工地钻孔灌注桩废弃泥的混合泥浆。取样时利用抓斗取泥器，从调节池中抓取底部的泥，泥浆取回后放入冰箱中4 ℃冷藏，其基本性质见表1，废弃泥浆的粒径分布曲线见图1。由图1 可以看出，泥浆中砂粒（≥75 μm）占比26%，粉粒（5 ～75 μm）占比68.5%，黏粒（≤5 μm）占比4.5%，表明泥浆主要由细颗粒粉土组成。

表1 废弃泥浆基本性质

图1 废弃泥浆的粒径分布

1.2 试验仪器

六联磁力搅拌器（SN-MS-6D）、真空过滤装置（2XZ-1 型）、污泥毛细测试仪（BT33-304M）、数显鼓风干燥箱（GZX-9070 MBE）、土壤密度计（TM85型）、电子天平（YP20002）。

1.3 试验方法

（1）泥浆沉降试验

将废弃泥浆混合均匀后分别倒入1 000 mL 的烧杯中，采用电动搅拌器在300 r/min 转速下快速搅拌5 min 后依次向泥浆中滴入不同掺量的脱水剂，然后在100 r/min 转速下慢速搅拌1 min，之后将800 mL泥浆倒入1 L 量筒中，用橡胶塞盖住量筒上下颠倒5次后，放置在实验台上，立即打开秒表开始计量，记录不同时间泥面的高度。沉降试验共开展1 h，试验结束后，测定沉降泥的SRF 和CST 值。本研究针对废弃泥浆采用的4 种脱水剂调理方案设置见表2。

表2 调理方案

（2）泥浆比阻（SRF）测定

准备比阻试验装置，在抽滤漏斗中放入定性滤纸并打湿，接触良好，将量筒试验后排出上清液的沉降泥放入布氏漏斗中，均匀铺设厚度约2 cm。在真空吸力为0.04 MPa 下进行抽滤，每隔10 s 记录滤液体积至泥饼破裂，抽滤结束后取下泥饼及滤纸，测定抽滤泥饼含水率并计算SRF 值。

（3）压滤脱水试验

试验采用自制压滤脱水装置，该装置可用于模拟板框压滤机的加压脱水过程。压榨压力设定为0.8 MPa，倒入300 mL 沉降泥浆并压滤60 min，取出泥饼测定其含水率。

（4）泥浆毛细吸水时间（CST）测定

试验选用直径为1 cm 的进样桶，先在下板上放置一片标准滤纸，将上板放置在标准滤纸上，插入进样桶，将沉降泥迅速倒入，由于标准滤纸的毛细作用，水分向四周扩散，待水分扩散至2 组探针后，即可得到从开始至通过探针的时间。

2 试验结果与分析

2.1 不同脱水剂投加量对沉降泥脱水性能的影响

SRF，CST 是常用于表征泥浆脱水性能的指标，其值越小，说明泥浆的脱水性能越好。不同脱水剂投加量对沉降泥脱水性能的影响见图2。由图2 可以看出，随着不同脱水剂投加量的增加，沉降泥SRF和CST 值均呈现出先减小后增大的趋势，根据这一趋势，可以得到各种脱水剂的最佳投加量，PAC，FeCl3，PFS，CPAM 的最佳投加量分别为1.25%，2.0%，3.5%，0.7‰。

图2 不同脱水剂投加量对沉降泥脱水性能的影响

不同脱水剂调理下沉降泥的SRF 值与CST 值的相关性分析见表3。由表3 可以看出，4 种脱水剂作用下沉降泥的SRF 值与CST 值均呈现出了较好的相关性，但SRF 值与CST 值之间的换算公式差别较大。将4 种脱水剂作用下的所有沉降泥的SRF 值与CST 值整合做相关性分析，得到线性关系方程，R2为0.692 1，相关性一般。

表3 SRT 与CST 的相关性分析

综上所述，沉降泥的SRF 值与CST 值具有一定的相关性[11-13]，且可相互替换作为表征同一脱水剂作用下的泥浆的脱水性能指标。

2.2 不同种脱水剂调理后沉降泥的沉降性能分析

不同脱水剂在最佳投加量下的泥浆沉降曲线见图3。结合沉降泥的SRF 和CST 值发现，泥水分界面高度变化的快慢与SRF 和CST 值并未存在相似的趋势，且PAC 与PFS 促沉效果相差不大，而有机脱水剂的促沉效果优于无机脱水剂，这与李悦等[14]人的研究结果一致，说明对于SRF 和CST 值不能直观评价泥浆沉降性能，泥浆沉降性同时取决于脱水剂的化学性质、分子结构及其与泥浆颗粒的结合能力等，可考虑用沉降速率或沉降比来表征。