湖泊淤泥脱水固化复合调理剂优化及其作用机制

王龙涛 夏新星

摘要：针对湖泊淤泥脱水固化处置的难题，采用有机絮凝剂、无机絮凝剂与骨架构建剂组成的复合调理剂对湖泊淤泥进行改性调理，通过响应曲面法优化各组分的配比，并探讨复合调理剂的作用机制。结果表明：复合调理剂的最优组合为依次投加4.11 g/L聚合氯化铝（PAC）、0.18 g/L 阴离子聚丙烯酰胺（APAM）和18.06 g/L低碱性淤泥固结剂（LAC）；使用后污泥比阻降低87.6%，压滤脱水时间减少70.6%，尾水pH达到排放标准，脱水效率较生石灰提升5.9%。复合调理剂作用机制为PAC组分降低淤泥的Zeta电位绝对值9.5 mV，从而减少淤泥颗粒之间的静电斥力；后续加入的APAM发挥吸附-架桥的作用，聚集淤泥细颗粒为较大的絮体，利于淤泥颗粒间水分的排出；最后掺入的LAC则发挥了骨架构建剂的作用，在淤泥脱水压实过程中形成排水通道，提升了淤泥泥饼的孔隙度6.4%，进一步提升了脱水效果。研究成果可为湖泊淤泥的高效环保处置提供参考。

摘要：湖泊淤泥； 脱水固化； 絮凝剂； 骨架构建剂； 响应曲面法

中图法分类号： X705

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.008

0 引 言

近年来，中国城市黑臭水体整治、流域水环境治理等环保工程数量和规模逐年增长［1］。生态清淤作为湖泊内源污染控制的重要工程手段，在实施过程中会产生大量湖泊淤泥，仅江苏省太湖到2014年就产生了3 000万m3淤泥［2］。高含水率的湖泊淤泥大量堆积，会占用大量的土地，造成环境污染。淤泥机械脱水处置工艺由于占地面积小、脱水效果显著等优势，逐渐在各大湖泊治理工程中得到广泛应用［3-4］。机械脱水主要依靠压力或离心力等物理作用脱除淤泥中的自由水，因此淤泥脱水性能对淤泥处置效率有重要影响。筛选合适的调理剂以降低淤泥脱水阻力，提升淤泥处置效率，是目前淤泥环保处置的研究热点。

絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PFC）和无机调理剂生石灰、粉煤灰是常用的淤泥调理剂，部分学者开展了不同种类调理剂改善淤泥脱水性能的研究。李婷等探究了有机絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）对疏浚淤泥的混凝效果，结果显示在PAM的作用下，疏浚泥浆能在短时间内形成较大、密实的絮体，实现泥水快速分离［5］。Cui等指出使用无机调理剂生石灰处置淤泥虽然脱水效果显著，但是存在余水和干化淤泥碱性过高的缺陷，需要寻找具有低碱性的无机调理剂作为生石灰的替代品［6］。李亚林等提出粉煤灰、石膏、钢渣粉等无机调理剂在淤泥脱水过程中虽不参与絮凝反应，但是由于自身物理强度能够在淤泥脱水过程中起到骨架构架的作用，利于淤泥内部水分排出［7-8］。彭秀达等则采用聚合氯化铝（PAC）、PAM和粉煤灰对淤泥进行调理，分析认为絮凝剂PAC和PAM在淤泥脱水过程中能起到吸附架桥和电中和作用，无机调理剂粉煤灰则能够提供孔隙通道，从而提高淤泥脱水效率，二者作用机理存在差异［9］。王慧等比较了PAM、聚硅酸铁（PAFC）、十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）、碳酸钠、FeCl3等调理剂单一使用和复配使用对淤泥脱水性能的影响，结果显示絮凝剂PAM和无机调理剂粉煤灰组成的复配型药剂效果较好［10］。以上研究表明，单一PAM、PAC等絮凝剂在淤泥调理过程中应用广泛，絮凝剂与无机骨架构建剂复配使用能进一步提升淤泥脱水性能。采用絮凝剂与低碱性的粉煤灰、钢渣粉等骨架构建剂组成复合调理剂相对于传统单一絮凝剂、强碱性的生石灰具有潜在优势。目前，基于絮凝-骨架构建复合调理湖泊淤泥的研究较少，对各调理剂组分的适宜添加量、使用配比和添加顺序也缺乏系统研究。

本研究选取典型湖泊清淤底泥开展复合调理研究，通过调理剂单掺、投加顺序实验明确用于湖泊淤泥调理的有机絮凝剂、无机絮凝剂和骨架构建剂种类，优化各药剂使用顺序和添加量。在此基础上，采用响应曲面法确定各组分的最适投加量，获得用于湖泊淤泥处理的最优复合调理剂，与生石灰开展效果评价分析，并进一步探讨复合调理剂的作用机制，为湖泊淤泥的高效处置提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验淤泥取自湖北省石首市官田湖清淤底泥。官田湖为长江流域典型浅水湖泊，底泥沉积厚度1.0～1.5 m，有轻微氮磷污染，无重金属污染。湖泊底泥通过绞吸船泵送至沉淀池，通过格栅机除去大颗粒杂质后得到均一淤泥泥浆开展相关实验。实验淤泥呈黑灰色，无异味，pH为7.10，含水率为85%，Zeta电位为-13.8 mV，有机质含量（烧失量）為4.3%。采用XRF对淤泥干物质化学组成的测定结果表明，泥浆颗粒主要含有Si、Al、Ca、Fe、O元素（见表1）。泥浆粒径分布测定结果表明，淤泥粒径分布为单峰态，峰形不对称，呈正偏态（见图1）。淤泥颗粒粒径主要分布在1～100 μm范围内，中值粒径D50为15.8 μm，其中黏土（<5 μm）占比为18.3%，粉砂（5～50 μm）占比为67.5%，细沙（50～250 μm）占比为13.3%，中粗砂（0.25～2 mm）占比为0.9%，这说明淤泥以细颗粒的黏土和粉细砂为主，组成颗粒细小。淤泥的污泥比阻为3.44×1011 cm/g，属于难脱水淤泥。以上结果表明，淤泥具有组成颗粒粒径小，含水量高，Zeta电位绝对值大，有机质含量丰富，自然脱水难度大的特征，需要选择合适的调理剂对泥浆进行调理，提高脱水性能。

淤泥调理剂选用有机絮凝剂、无机絮凝剂和骨架构建剂3类调理剂对淤泥进行改性调理，具体药剂种类和性质见表2。有机絮凝剂和无机絮凝剂使用前分别配制成质量浓度为2‰和10%的溶液待用，骨架构建剂直接称取固体粉末进行使用。

1.2 实验方法

按照有机絮凝剂+无机絮凝剂+骨架构建剂的思路配制淤泥复合调理剂，依次开展调理剂单掺实验、调理剂投加顺序实验、响应曲面优化实验和模拟压滤实验。具体实验操作如下：

（1） 调理剂单掺实验。取100 mL淤泥于烧杯中，按照表2分别加入对应投加量的调理剂，置于电动搅拌器（转速为200 r/min）搅拌3 min，保证药剂与淤泥混合均匀，静置反应5 min，随后测定污泥比阻和Zeta电位，根据污泥比阻测定结果筛选最优调理剂种类。

（2） 调理剂投加顺序实验。首先开展絮凝剂投加顺序实验，取100 mL泥浆，首先加入有机絮凝剂，搅拌3 min后投加无机絮凝剂，再次搅拌均匀后测定污泥比阻；另一组实验药剂投加顺序与之相反，通过污泥比阻大小确定有机絮凝剂和无机絮凝剂的投加顺序。确定絮凝剂投加顺序以后，开展絮凝剂与骨架构建剂的投加顺序实验，取100 mL泥浆，按照确定的顺序加入两种絮凝剂，搅拌3 min后投加骨架构建剂，再次搅拌均匀后测定污泥比阻；另一组实验药剂投加顺序与之相反，筛选污泥比阻最低的实验组作为最优的药剂投加顺序。

（3） 响应曲面优化实验。以最优的有机絮凝剂（A）、无机絮凝剂（B）和骨架构建剂（C）投加量为影响因素，以污泥比阻作为响应值，进行3因素3水平响应曲面实验设计，利用 Design Expert 10.0 进行实验设计，并进行实验。根据实验结果进行拟合得到污泥比阻的方程，根据拟合方程确定复合调理剂最优配比。

（4） 淤泥模拟压滤脱水试验。采用自制的淤泥脱水实验装置（见图2）模拟淤泥在机械脱水过程中的压滤脱水过程。实验装置主要由气瓶、调节阀、压滤仓、量筒组成。实验时取200 g淤泥泥浆于烧杯中，加入调理剂进行搅拌调理，随后倒入压滤仓内。调节气瓶调节阀，通过氮气加压至0.4 MPa，打开压滤仓进气口的气阀，压滤仓内淤泥受压开始脱水，尾水透过滤纸进入下部量筒内，定时记录量筒内尾水的体积。压滤进行一段时间后，氮气会透过压滤仓喷出，说明淤泥可压滤水分已排尽，关闭气阀。实验结束后，取出压滤仓内泥饼并测定含水率。本实验同时对比空白淤泥、添加复合调理剂淤泥和添加生石灰调理淤泥的脱水速率。

1.3 分析测试方法

淤泥的污泥比阻（SRF）采用污泥比阻测定仪进行测定，其计算公式为

SRF=2pF2μ×bC（1）

式中：p为过滤压力，Pa；F为过滤面积，cm2；μ为滤液黏度，g/（cm·s）；

C为单位体积滤液与滤渣体积比值;

b为滤液体积V和时间t按照t/V-V作出的关系曲线的斜率。

淤泥含水率采用重量法进行测定，将泥样置于105 ℃烘箱内烘至恒重，以减少的重量占原始淤泥重量的百分比作为淤泥含水率。pH采用pH计（雷磁 PHBJ-260）进行测定。淤泥Zeta电位采用Zeta电位分析仪（Malvern Zetasizer Nano ZS90）进行测定。淤泥的微观形貌采用环境扫描电镜（ZEISS Sigma 300）进行测定。淤泥XRD分析采用X射线衍射仪（Bruker D8 Advance）进行测定。泥饼孔隙度采用高性能全自动压汞仪（AutoPore 9500）测定。

2 结果与讨论

2.1 淤泥调理剂的筛选

有机絮凝剂对淤泥脱水性能影响的实验结果（见图3（a））显示，有机絮凝剂的投加能够有效降低淤泥的污泥比阻，但是APAM和CPAM的作用效果存在显著差异。CPAM为淤泥调理剂时，污泥比阻随着药剂投加量的增加逐渐降低，在投加量为0.3 g/L时，污泥比阻最低为1.42×1011 cm/g，相对于空白组降低了58.7%。APAM为淤泥调理剂时，在0～0.2 g/L投加量范围内，污泥比阻隨着药剂投加量的增加迅速降低，最低值为1.39×1011～1.45×1011 cm/g，相对于空白组降低了59%左右；在投加量超过0.2 g/L时，污泥比阻反而随着药剂投加量的增加迅速增大。两种药剂添加后淤泥的Zeta电位（见图3（d））呈现缓慢增加的趋势，但是变化量较低。有机絮凝剂投加量少，对淤泥Zeta电位的影响有限。相比较而言，CPAM对Zeta电位升高效果优于APAM，最后稳定在-10 mV左右;而APAM投加量超过0.2 g/L时，Zeta电位反而呈现降低趋势。以上结果表明，虽然有机絮凝剂作用效果显著，但是存在最优的投加范围，过量投加反而不利于淤泥脱水。

APAM和CPAM为线型有机高分子聚合物，掺入淤泥中能够起到吸附-架桥的作用，可聚集淤泥细颗粒为较大的絮体，排出固体颗粒间的间隙水和毛细结合水。但是有机高分子类絮凝剂投加过多会导致絮凝剂分子包裹住泥浆颗粒，黏土颗粒反而受到絮凝剂阻隔保护而稳定分散，不利于絮凝脱水；另外，过多的有机高分子絮凝剂会加大水的黏度，增大泥浆脱水阻力。造成APAM和CPAM二者在淤泥絮凝效果方面存在差异的可能原因是APAM的分子链相对舒展，更易于捕获聚集淤泥中的固体颗粒［11］。李冲等对河湖淤泥的絮凝调理实验也表明，APAM在较少投加量下即可获得较好的絮凝效果［12］，与本文的研究结果一致。由于CPAM药剂成本高于APAM，为降低药剂使用量，节省淤泥处置成本，选择投加0.15～0.20 g/L APAM有机絮凝剂更为合适。

从无机絮凝剂对淤泥脱水性能影响的实验结果（见图3（b））可以看出，无机絮凝剂的投加能显著降低淤泥的污泥比阻。两种药剂在0～1 g/L投加量范围内，淤泥的污泥比阻随着投加量的增加迅速降低；到3～5 g/L投加量范围内时，淤泥的污泥比阻逐渐稳定。PAC和PFC投加量为5 g/L时淤泥污泥比阻最低，分别为0.67×1011 cm/g和1.17×1011 cm/g，相对于空白组分别降低了80.6%和66.0%，PAC的作用效果优于PFC。两种药剂添加后淤泥的Zeta电位（见图3（e））变化趋势与污泥比阻变化趋势一致，且Zeta电位升高较为显著，增加量最高可达9.5 mV，说明PAC和PFC的电中和作用对于淤泥Zeta电位的改善作用显著，从而提升了淤泥的脱水性能。

PAC为铝系无机高分子絮凝剂，溶于水后铝离子水解形成多核络合物Aln（OH）（3n-m）+m（n>1，m≤3n），带有正电荷，且具有较高的比表面积，能够迅速起到电中和、压缩双电层作用，破坏淤泥稳定的胶体结构，络合物沉淀过程中能够起到网捕作用，促进淤泥絮凝沉淀。PFC为铁系无机高分子絮凝剂，溶于水后形成多核络合物Fen（OH）（3n-m）+m（n>1，m≤3n），发挥絮凝的作用机理与PAC类似［13-14］。但是由于Fe3+水解常数和比重高于Al3+，导致PFC形成的絮体更紧密，卷扫作用弱于PAC，因此使用PAC形成的絮体更大，淤泥脱水效果更显著［15］。PAC在3～5 g/L投加量范围内污泥比阻变化不大，维持在6.68×1010～7.85×1010 cm/g范围内，因此无机絮凝剂中选择PAC较为合适，最适投加量为3～5 g/L。

从骨架构建剂对淤泥脱水性能影响的实验结果（见图3（c））可以看出，骨架构建剂单独投加能一定程度降低淤泥的污泥比阻，但是投加量较大。SP的作用效果最差，且因其密度小，在淤泥中投加后难以混合均匀，无法大量投加，因此较难实际投入使用。PFA和LAC投加量为20 g/L时淤泥污泥比阻最低，分别为2.47×1011 cm/g和1.98×1011 cm/g，相对于空白组分别降低了28.2%和42.4%，LAC的作用效果显著优于PFA。淤泥的Zeta电位（见图3（f））测定结果表明，骨架构建剂的添加对淤泥的Zeta电位几乎没有影响，说明以上3种材料对淤泥脱水的作用效果与电中和作用关系不大。

PFA和LAC的固体颗粒具有较高的孔隙率和硬度，掺入淤泥中作为骨架构建剂促进孔隙通道形成，利于淤泥内部水分排出。LAC中主要成分钢渣和磷石膏具有疏松多孔的物理性质，更有利于淤泥脱水［16］。本实验结果表明，选用LAC为骨架构建剂效果更好，适宜投加量为15～20 g/L。

根据调理剂单掺实验结果，选用APAM、PAC和LAC开展药剂投加顺序实验，投加量分别设定为0.2，3，20 g/L。絮凝剂的投加顺序实验结果（见图4）表明：APAM和PAC投加顺序对淤泥脱水效果的影响较小，两种投加方式中先投加PAC后再投加APAM的效果略好，主要原因在于先投加PAC能够快速降低淤泥Zeta电位，尽早发挥PAC的电中和作用，破坏淤泥胶体结构，为后续APAM的网捕作用提供有利条件，更利于形成较大絮体［17］。絮凝剂和骨架构建剂的投加顺序实验结果表明，投加顺序对淤泥脱水效果的影响显著，两种投加方式中，先投加PAC和APAM絮凝剂后再投加LAC的效果较好，主要原因在于骨架构建剂投加量较大，先投加骨架构建剂会增加淤泥的含固量，与絮凝剂反应消耗掉后续投加的絮凝剂。4组实验中PAC和PAM的投加顺序不同，淤泥脱水尾水pH没有明显差异，但是投加LAC后，尾水pH增加了0.2～0.3，说明LAC为弱碱性，在适宜投加量内尾水pH值不会存在超标问题（限值pH＜9）。因此3种药剂的最适投加顺序为先投加无机絮凝剂PAC，再投加有机絮凝剂APAM，最后投加骨架构建剂LAC。

2.2 复合调理剂优选

以APAM（A）、PAC（B）和LAC（C）投加量为影响因素，以污泥比阻作为响应值，开展了响应曲面优化实验。表3为响应曲面实验设计方案和结果，对实验结果进行多项回归分析，拟合后得到污泥比阻的方程：

Y=1010×（144.237-932.740A-9.093B-

4.176C-10.500AB+3.080AC+0.008BC+

2566.400A2+1.317B2+0.099C2）（2）

式中：A、B、C分别为APAM投加量、PAC投加量、LAC投加量；Y为污泥比阻。

该模型的F值为27.25（>1），P值为0.000 1，模型方程的校正系数R2adj为0.936 5，变异系数CV为5.44%（<10%），说明该模型有93.65%的把握解释响应值的变化，可信度较高，拟合情况良好，可以对APAM、PAC和LAC协同作用下调理淤泥后的污泥比阻进行预测。

图5为不同投加量APAM、PAC和LAC复配形成的复合调理剂对污泥比阻的响应曲面图。从图5中可以看出，各因素之间对响应值污泥比阻都呈现椭圆形

等值线图，表明这3种调理剂之间是相互依存的，APAM、PAC和LAC投加量之间存在着显著的交互作用。APAM和LAC、PAC和LAC投加量之间的等值线图曲率较大，说明APAM与LAC、PAC与LAC之间存在较强的交互作用，从而影响污泥比阻。造成这一现象的原因主要在于APAM和PAC为絮凝剂，主要依靠絮凝团聚作用降低污泥比阻，而LAC为无机非金属粉末材料，依靠自身物理结构改善淤泥脱水性能，作用机理存在较大差异。LAC掺入淤泥泥浆中也会与APAM、PAC产生絮凝团聚作用，因此二者之间存在较大相互作用。

根据拟合结果，求得污泥比阻理论最小值为4.21×1010 cm/g，此时APAM、PAC和LAC投加量分别为0.179，4.114，18.056 g/L。考虑实际操作的便捷性，将APAM、PAC和LAC最适投加量分别设定为0.18，4.11，18.06 g/L，此时实测的污泥比阻值为4.27×1010 cm/g，与理论值相对误差为1.45%，拟合结果可靠。

为评价复合调理剂的作用效果，选用传统淤污泥调理剂生石灰作为参比对象，从调理后淤泥的污泥比阻、尾水pH、压滤脱水效率等方面进行对比分析。生石灰在不同投加量下淤泥的污泥比阻测定结果（见图6）表明，生石灰对淤泥脱水效果的提升作用显著，在低于10 g/L投加量范围内，淤泥的污泥比阻随着投加量的增加迅速降低，在10 g/L以后逐步稳定在4.50×1010 cm/g，较空白组降低了86.9%，脱水泥饼含水率为50%左右。而最优配比下，复合调理剂使用后污泥比阻降低至4.27×1010 cm/g，较空白组降低了87.6%，比生石灰提升了0.7%，说明复合调理剂略优于传统生石灰的调理效果。生石灰调理淤泥的作用机制在于CaO溶于水生成Ca（OH）2且伴随热量释放和碱性提高，导致淤泥胶体脱稳，釋放大量水分［18］。但是考虑到生石灰使用后尾水pH达到了12以上，不符合污水排放标准，需进行进一步的处理，干化淤泥呈强碱性也不利于农业利用，因此使用复合调理剂具有一定的环保优势。

淤泥压滤脱水模拟试验结果（见图7）表明，空白淤泥、复合调理剂调理淤泥和生石灰调理淤泥的压滤脱水结束时间分别为2 040，600，720 s，使用复合调理剂对淤泥脱水速率的提升最为显著，相对于空白淤泥脱水时间降低了70.6%，生石灰次之，脱水时间降低了64.7%，比复合调理剂低5.9%。3组实验压滤结束后泥饼的含水率均在30%左右，相差不大。在保证脱水时间足够的情况下，加压过滤主要脱去淤泥中的自由水和孔隙水，同样的压力作用下淤泥脱水程度基本一致。淤泥模拟压滤实验更为接近淤泥机械脱水过程中的受压脱水状态，通过该实验进一步验证了复合调理剂的脱水效率相对于生石灰能够提高5.9%，且不会产生尾水碱性超标等问题，可作为生石灰调理剂的替代品，应用前景广阔。

2.3 复合调理剂作用机制分析

对原始淤泥、采用PAC+APAM絮凝剂、复合调理剂调理脱水固化后的淤泥进行SEM和XRD表征分析。SEM图像（见图8（a））显示，原始淤泥微观组成主要为片状的黏土矿物，颗粒之间松散堆积，这是由于淤泥泥浆作为稳定的胶体分散体系，淤泥颗粒之间存在静电斥力，从而接触不紧密，颗粒之间自由水较多，淤泥自然状态下难以自然沉降［19］。使用PAC+APAM絮凝剂调理淤泥后的SEM图像（见图8（b））显示，淤泥颗粒之间间隙显著减少，这是由于PAC的电中和作用和APAM的网捕、吸附作用共同作用，减少淤泥颗粒之间的斥力，使淤泥颗粒聚集成大颗粒，从而利于排出颗粒之间的水分。使用PAC+APAM+LAC调理淤泥后的SEM图像（见图8（c））显示，淤泥颗粒之间不仅紧密接触，同时在淤泥颗粒之间存在短柱状晶体，这一现象可能是加入的低碱性淤泥固结剂中钢渣和磷石膏导致的。磷钢渣和磷石膏在水中长时间放置可缓慢发生水化反应，生成硅酸钙和钙矾石等胶凝材料，从而提高淤泥的整体强度［20］。

XRD分析结果表明（见图8（d）），淤泥中主要矿物相为石英、碳酸钙、伊利石、高岭石和蒙脱石。添加PAC和PAM调理剂后无明显矿物相生成，主要原因是PAC中的铝离子溶于水沉淀后形成无定型的铝、铁氢氧化物，X射线衍射无显著特征峰。添加PAC、APAM和LAC后，淤泥中的XRD谱图相出现了微弱的CaSO4·2H2O的特征峰，这是由低碱性淤泥固结剂中磷石膏掺入而产生的，但是由于掺入量不足2%，峰强较低［21］。

淤泥模拟压滤脱水后泥饼的孔隙分布结果（见图8（e））显示，原始淤泥压滤脱水后孔径集中在0.003～0.5 μm的范围内，孔隙率为42.5%，峰形尖锐，孔径峰值为0.36 μm，泥饼孔隙细小；使用PAC+APAM絮凝剂调理淤泥后，孔隙集中分布在0.003～1.1 μm的范围内，孔隙率为44.7%，孔径峰值为0.45 μm，孔径略有增加；使用复合调理剂调理淤泥后，孔隙集中分布在0.01～1.3 μm的范围内，孔隙率为48.9%，峰形有所平滑，孔隙峰值为0.81 μm，孔径进一步增大。以上结果说明，仅添加絮凝剂对淤泥压滤脱水过程中脱水孔道的增加有限，但是添加复合调理剂可以显著提高大孔径的占比，孔隙度增加6.4%，营造淤泥脱水通道，从而提高了脱水速率。

结合原始淤泥粒度和化学组成分析，不同调理剂作用下淤泥的污泥比阻、Zeta电位、SEM、XRD和孔隙分布结果及相关研究可以得出复合调理剂的作用机制如下：原始淤泥主要组成为石英、碳酸钙、伊利石、高岭石和蒙脱石等片状黏土矿物颗粒，90%以上固体颗粒粒径<0.1 mm，颗粒之间存在较大的静电斥力，呈现稳定的胶体分散体系状态，自然脱水困难［22-23］;复合调理剂中的PAC组分溶于水后含有多核络合物Aln（OH）（3n-m）+m（n>1，m≤3n），带有正电荷，在淤泥调理过程中主要发挥电中和的作用，减少淤泥的Zeta电位绝对值9.5 mV，降低淤泥颗粒之间的静电斥力，为后续加入的有机高分子絮凝剂APAM发挥作用创造了条件［13，24］;APAM组分掺入淤泥后依靠自身长链分子的特性，能够起到吸附-架桥的作用，聚集淤泥细颗粒为较大的絮体，利于淤泥颗粒间水分的排出;最后掺入的无机调理剂LAC则发挥了骨架构建剂的作用，在淤泥脱水压实形成泥饼的过程中，提高淤泥泥饼的孔隙度6.4%，营造出排水通道，利于淤泥泥饼内部水分排出，进一步提升了脱水效果。

3 结 论

（1） 采用响应曲面法得到复合调理剂的最优配比为4.11 g/L PAC、0.18 g/L APAM和18.06 g/L LAC，最适投加顺序为依次投加PAC、APAM、LAC。

（2） 使用复合调理剂后淤泥的污泥比阻降低了87.6%，压滤脱水时间减少了70.6%，脱水效率超过传统生石灰调理剂5.9%，尾水pH在7.3左右，不存在尾水和干化淤泥碱性超标的问题，应用效果显著。

（3） 复合调理剂的作用机制为PAC组分含有正电荷，减少淤泥的Zeta电位绝对值9.5 mV，降低淤泥颗粒之间的静电斥力；后续加入的有机高分子絮凝剂APAM发挥吸附-架桥的作用，聚集淤泥细颗粒为较大的絮体，利于淤泥颗粒间水分的排出；最后掺入的无机调理剂LAC则发挥了骨架构建剂的作用，在淤泥脱水压实过程中营造出排水通道，提升了淤泥泥饼的孔隙度6.4%，利于淤泥泥饼内部水分排出，进一步提升了脱水效果。

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（编辑：刘 媛）

Optimization and action mechanism of composite conditioner for lake sludge dewatering and solidification

WANG Longtao1，2，3，4，XIA Xinxing1，2，3，4

（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China； 2.CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co.，Ltd.，Wuhan 430040，China； 3.Key Laboratory of Large-Span Bridge Construction Technology，Wuhan 430040，China； 4.Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure，Wuhan 430040，China）

Abstract：

Aiming at the difficult problem of dewatering and solidification of lake sludge，the composite conditioner formed by the combination of organic flocculant，inorganic flocculant and skeleton builder was used to modify the lake sludge.The ratio of each component was optimized by response surface method，and the mechanism of composite conditioner was discussed.The results showed that the optimal combination of composite conditioner was 4.11 g/L polyaluminium chloride（PAC），0.18 g/L anionic polyacrylamide（APAM）and 18.06 g/L low alkaline sludge consolidation agent（LAC）.After using the composite conditioner，the sludge specific resistance of lake sludge was reduced by 87.6%，the pressure filtration dehydration time was reduced by 70.6%，the tail water pH reached the discharge standard，and the dehydration efficiency was 5.9% higher than that of quicklime.The mechanism of the composite conditioner was as follows：the PAC component reduced the absolute value of the Zeta potential of the sludge by 9.5 mV，thereby reducing the electrostatic repulsion between the sludge particles；the subsequent addition of APAM played the role of adsorption-bridging，and aggregated the fine particles of the sludge into larger flocs，which was conducive to the discharge of water between the sludge particles；the final doping of LAC played the role of skeleton builder，creating a drainage channel in the process of sludge dewatering and compaction，increasing the porosity of sludge cake by 6.4%，and further improving the dewatering effect.The research results can provide reference for the efficient and environmentally friendly disposal of lake sludge.

Key words：

lake sludge；sludge dewatering；flocculant；skeleton builder；response surface method