基于不同试验的底泥处理指标测定分析

周志宇

（辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113000）

1 前言

随着城市河道规划建设，河流需要疏浚清淤，疏浚过程中产生的泥沙如不进行处理，将对周围环境造成二次污染[1]。近年来，虽然在河道底泥治理方面取得了一定的研究成果[2-9]，但是对于城市河流沉积物的疏浚方法研究还较少，一方面主要因为城市河道底泥清淤量相比于大中型河流较少，另一方面因为城市河道底泥清淤难度较大[10]。当前，一些地区在河道底泥生态疏浚工程中应用了可实现泥沙快速高效分离的团块絮凝方法[11-15]，此方法具有较好的生态清淤效果，但还未应用到城市河道疏浚清淤中。

2 生态清淤工艺简介

分析生态疏浚技术的适用性，主要需要测量出水的浑浊度及沉淀物。沉积物固化分离的一个重要指标是平均沉降速率，通过干燥来测量污泥的含水量，其主要试剂采用复合氯化铝（PAC），阳离子试剂是标准溶液，有助于絮凝，进行指数测定试验。重力浓缩沉降法是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉降技术，由于悬浮固体浓度较低且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。而结团絮凝法是一项高浓度无机颗粒废水的固液分离技术，具有效率高、体积小、占地省等特点，对河流污泥有较好的处理效果。总体而言，结团絮凝法絮凝剂用量较大，成本较高，对设备有腐蚀性，其所形成的絮状物并不致密且含有大量水分，不利于压力过滤，存在一定的缺陷。

3 试验设备

泥浆浊度主要通过在线实时测量获得，主要试验设备为721分光光度计、PHS-3C精密pH计、电子天平、双速恒温震荡器、电热鼓风干燥器、YXQG02手提式电热压力蒸气锅、箱式电阻炉、智能型混凝试验搅拌仪。

4 底泥处理指标测定

在结团絮凝处理工艺中，有机高分子助凝剂（PAM）的作用主要是为初始粒子与既成结团絮凝体颗粒之间提供附着力，主要起到“吸附架桥”的作用，提高絮状粒子的初始捕集和吸附率，以便提高其结合强度，从而形成致密性好的球状絮凝体。研究表明，形成高密度团聚絮体是实现高效固液分离的关键，提高黏结强度是凝聚絮凝颗粒致密化的前提。PAM通过两方面增强结团絮凝体内部的结合强度，一是絮体颗粒表面PAM的覆盖率，二是结团絮凝体和初始粒子对PAM的吸附比率。本试验目的主要包括两个方面，一是确定PAM投药量对结团絮凝浓缩河道底泥处理工艺效果的影响，二是确定不同进泥浓度条件下PAM的适宜投药量。分析表明，与静态混凝试验相比，由于结团絮凝动态试验中总搅拌强度增加，水流的剪切力增强，使颗粒表面的PAM覆盖率和结团絮凝体颗粒对初始粒子的吸附比率会下降，为了形成致密性好、粒径大、密度高的结团絮凝体颗粒，PAC和PAM的用量均会比静态试验的最佳用量有所增加。

4.1 不同投药比例的底泥浓度影响试验

PAC的混凝作用主要是使水中的胶体颗粒脱稳而凝聚，在结团絮凝工艺中，PAC的作用与普通絮凝工艺中的基本一致，主要使胶体颗粒在管式混合器中脱稳，形成结团絮凝体成长所需的初始粒子。本试验分析结团絮凝浓缩河道底泥处理工艺在不同工况条件下适宜的PAC投药量范围，分析研究PAC投药量对工艺的影响。试验过程中，控制进水污泥浓度，对不同底泥下絮凝处理指标进行测定，结果详见表1—3。

表1 浓度为2.5 g/L的底泥浓度指标测定结果

表2 浓度为3.5 g/L的底泥浓度指标测定结果

表3 浓度为4.5 g/L的底泥浓度指标测定结果

从浓度为2.5 g/L的底泥浓度指标测定结果可看出，当结团絮凝方式下药剂投放量在4.5%以内时，底泥处理的各项指标变化幅度相对较小，处在稳定阶段；随着泥沙浓度的逐渐增加，药剂投放量对其各项指标的影响度逐步加大；当底泥浓度增加到4.5 g/L、药剂投放量在3.15%以内时，底泥处理的各项指标达到较为稳定的状态。总体上可看出，随着底泥浓度的增加，结团絮凝方式下底泥出水浊度值先递减再逐步趋于稳定，当投放药剂比例达到最优状态时，底泥含水量逐渐呈反曲线变化。建议在特定河流的生态疏浚过程中，药剂投加量控制在2.5%～4.9%，以提高底泥生态疏浚效果。

4.2 搅拌速率对底泥生态清淤指标影响分析

在结团絮凝悬浮层中，机械搅拌为凝聚的絮凝物的致密化过程提供动力，同时保证悬浮层内水分分布的均匀性，满足团聚絮体颗粒生长的粒度要求，使工艺能够持续稳定运行。在搅拌转速较小时，减弱了颗粒相互之间的摩擦和挤压作用，由此形成的絮凝物颗粒粒子密度较低、絮体结构松散，沉降性能差；过大的搅拌转速虽然能使絮体密度增加，但水流的剪切力又会对结团絮体颗粒的剥脱能力增强，容易打碎结团絮凝体颗粒，使絮体颗粒粒径减小，不利于工艺稳定运行。因此，只有在适宜的搅拌强度下才能获得致密性好且粒径较大的絮体，获得较好的沉降性能和较高的处理效率。试验过程中，进水污泥浓度控制为3.5 g/L，控制PAC、PAM投加量为各个运行条件的最佳投药量，测试分析不同搅拌速度下底泥生态疏浚效果的各项指标，结果详见表4。

表4 不同搅拌速度下底泥生态疏浚效果测定

从表4可看出，底泥的出水浊度随着搅拌速率的加大而逐步增加，底泥沉降速率受搅拌转速影响较为显著。随着搅拌速率的提高，其底泥沉降颗粒会有所减小。底泥含水率随着搅拌速率递增而逐步减小，但对污泥比阻影响程度相对较小，通过试验分析发现结团絮凝方法可显著提高底泥浓缩比。

4.3 不同停滞时间对生态清淤效果影响分析

原水在反应区水力停留时间的变化会直接引起上升流速的变化，而上升流速反映了结团絮凝固液分离器的表面负荷，在保证结团絮凝系统稳定运行的前提下，提高上升流速即增大了结团絮凝工艺的处理能力。因此，在保证工艺稳定运行的前提下，最大限度地缩短水力停留时间、提高结团絮凝的上升流速有很大的实际意义。研究表明，较短的水力停留时间会增加单位时间内进入悬浮层的初始颗粒数，水流剪切作用增强，反应区内总的搅拌强度增强不利于结团絮凝体颗粒的成长，使得反应区悬浮层污泥浓度降低，致使工艺运行不稳定。本试验目的在于确定在一定进泥浓度下能保证结团絮凝系统稳定运行的最短理论水力停留时间，以及其对工艺效果所产生的影响，为工艺的工程应用提供理论参考，分析结果详见表5。

表5 不同停滞时间对生态清淤效果分析

本试验控制结团絮凝反应区内筒高度为0.9 m、进水污泥浓度为4.5 g/l、固定搅拌转速为9.91 r/min、PAC和PAM的用量是各工况下的最佳用量（分别为3.0%和4.5%），不断增大入流流量，待系统稳定运行时，测定出水浊度、颗粒沉降速度、污泥比阻、出泥含水率和悬浮层污泥浓度。之后，改变结团絮凝反应区内筒高度，每次增高0.2 m，在相同的条件下进行试验，以确定水的浊度，并以浊度为指标分析水力停留时间对该过程的影响。从不同滞留时间对生态疏浚的影响分析可以看出，底泥出水浊度受水滞时间影响较大，当水力停留时间在90 s以上时，出水浊度往往是稳定的，随着水力停滞时间的进一步增加，底泥中固体颗粒的分离密度和分离速度不断降低。

5 结语

随着底泥浓度的增加，结团絮凝方式下底泥出水浊度值先递减再逐步趋于稳定，当投放药剂比例达到最优状态时，泥沙含水量呈反向曲线变化。建议在河道生态清淤过程中，药剂用量控制在2.5%～4.9%，以提高底泥生态疏浚效果。随着搅拌速率的提高，其底泥沉降颗粒有所减小。随着搅拌速度的增加，底泥含水量逐渐降低，但对污泥比阻的影响相对较小。