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聚合氯化铝等絮凝剂脱水性能的关键因素研究和综合调理

摘 要: 本文研究了淤泥絮凝剂、有机质含量、温度、PH值和淤泥颗粒粒度等关键因素对淤泥脱水性能的影响, 通过检验淤泥比阻和泥饼含水率, 比较了不同絮凝剂的脱水效果, 分析了不同有机质含量和颗粒粒度对淤泥脱水性能的变化规律, 测试了淤泥脱水最佳温度和pH值范围。结果表明:聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂都能有效改善淤泥中的脱水性能, 絮凝剂的投入量应控制在2%3%;环境温度20℃时, 淤泥的脱水性能最高;淤泥最佳的反应pH值范围在9-11;淤泥中所含粗颗粒越多, 脱水后泥饼含水率越低, 脱水性能越好。最后提出了脱水性能综合调理的方法。
    近年来, 湖泊、河涌淤积污染问题引起广泛关注, 需要治理的湖泊中待清的淤泥总量高达4.8亿m, 而淤泥因高含水率、高有机质以及包含成分复杂的有毒有机物和重金属污染[1-2], 使其处置成为政府和城镇?#29992;?#20851;注的焦点, 因此如何快速、安全地处置数量庞大的淤泥, 成为淤泥疏浚工程的关键。
    淤泥由于含水率高且含有机质, ?#35789;?#37319;用机械脱水方式, 水分去除率仍有限, 而过高的含水率会增大后续处理工艺的实施难度[3], 因此需采用物理或化学方法改善污泥脱水性能, 实现有效固液分离, 达到淤泥减量化处理要求。目前关于淤泥脱水性能改善处理主要侧重于絮凝剂、有机质以及处理环境等方面研究。污泥使用效果较好的絮凝剂包括以阳离?#26377;?#32858;丙烯酰胺为代表的高分子混凝剂, 以及以聚合氯化铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁为代表的无机絮凝剂[4];张?#31350;?#21457;现阴、阳非离?#26377;?#32110;凝剂因为其特征粘黏度和离?#26377;?#36136;的不同导致絮凝效果不同[5]。周国强研究发现水热处理对污泥脱水性能产生影响, 温度会改善絮凝剂的絮凝效率[6]。?#38480;?#30740;究发现PH值是影响淤泥脱水性能的因素之一, 酸性条件下污泥中束缚水的含量较少, 具有较好的脱水性能[7]。目前关于淤泥脱水的研究侧重于单个因素变化规律, 但是需要淤泥絮凝剂、有机质含量、温度、PH值和淤泥颗粒粒度等脱水性能关键因素的综合研究, 通过综合调节各个关键因素进一步改善淤泥脱水性能。
    本研究探讨了淤泥絮凝剂、有机质含量、温度、PH值和淤泥颗粒粒度等关键因素对淤泥脱水性能的影响, 通过检验淤泥比阻和泥饼含水率, 比较了不同絮凝剂的脱水效果, 分析了不同有机质含量和颗粒粒度对脱水性能影响的变化规律, 探求了最佳的温度、PH值范围, 并提出了淤泥脱水性能综合调理的方法。
1 试验材料与方法
1.1 原材料
    淤泥取?#26434;?#27494;汉市东湖疏浚底泥, 淤泥的物理性?#22987;?#34920;1, 淤泥中粘粒成?#31181;?#35201;由高岭石、石英、长石、伊利石等组成, 黏?#37327;?#29289;成分吸水能力极强, 使得淤泥的含水率达到80%以上。
                                                         表1 淤泥物理性质

    絮凝剂选用聚合氯化铝、聚合氯化铁、阳离子聚丙烯酰胺, 其中聚合氯化铝和聚合氯化铁呈颗粒状, 聚丙烯酰胺呈白色颗粒, 分子量800~1100万, 阳离子浓度在10%~65%, 水溶性好。有机质使用腐殖酸, ?#39318;?#40657;色粉末, 含水分2%。
1.2 试验方法
    本文通过比阻 (SRF) 和泥饼含水量 (W) 衡量淤泥脱水性能。淤泥有机质含量采用重铬酸钾容量法-水浴法测定, 粒度分析采用激光粒度分析仪, 比阻采用真?#31896;?#28388;法 (见图1) , 淤泥经板框压滤机脱水后测定含水率。
 

                                                                   图1 比阻测定装置
2 结果与?#33268;?/span>
2.1 絮凝剂对淤泥脱水性能的影响
    在淤泥泥浆中投入不同质量的聚合氯化铝、聚合氯化铁、阳离子聚丙烯酰胺后, 搅拌一定时间后静置, 测试淤泥的比阻和泥饼含水率。当絮凝剂投入淤泥中, 可以看到泥浆迅速分为两层, 并伴有大块絮?#27425;?#20135;生, 上层液体清澈, 而未?#37117;?#32110;凝剂的淤泥泥浆上层液体较浑浊。聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂加入量对淤泥比阻和含水率的影响如图2所示, 随着三种絮凝剂加入量的增加, 淤泥比阻先快速降低, 当絮凝剂加入量达到3%之后, 淤泥比阻值保持稳定。聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂加入量对淤泥比阻和含水率的影响如图3所示, 聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂具有相似的趋势, 随着絮凝剂加入量的增加, 淤泥通过压滤机压滤后泥饼的含水率呈现先大幅降低后稍有增加的趋势, 最终趋于稳定;当絮凝剂加入量达到2%时, 泥饼含水率趋于稳定, 加入量达到3%达到最低值, 聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂对应的含水率分别为41.8%、40.8%和41.8%。只有在絮凝剂?#37117;?#37327;?#23454;?#26102;才能起到最佳的絮凝效果, 因为此时胶体粒子部分表面被覆盖, 微粒间才能产生有效的吸附架桥作用[8]。
 

                                                           图2 不同絮凝剂对淤泥脱水性能的影响

                                                       图3 不同絮凝剂对淤泥含水率的影响
    一般认为淤泥比阻值低于10×10s/g时, 具备较好的脱水性能, 淤泥未处理前比阻值10×10s/g, 经过聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂的处理后, 脱水性能均得到了大幅改善, 其中聚合氯化铁对淤泥脱水性能的改善效果最佳;根据絮凝剂加入量对泥饼泥饼含水率的影响, 三种絮凝剂的加入量应控制在2%~3%;综合考虑到淤泥脱水性能处理成本, 三种絮凝剂的投入量应控制在2%~3%。
    淤泥经2%絮凝剂聚合氯化铁处理前后SEM?#25216;?#22270;4, 未加入絮凝剂时, 淤泥颗粒之间有大量的空隙, 整个淤泥体系中充斥着大量间隙水和表面吸附水;加入2%聚合氯化铁絮凝剂后, 淤泥中呈现大量絮体团聚现象。通过两张照片?#21592;?#35828;明絮凝剂加入淤泥中后, 起到吸附桥接作用, 利用絮凝剂自身水化物与淤泥颗粒聚集, 形成团聚絮体, 降低了淤泥颗粒之间的间隙水, 提高了淤泥的脱水性能。
 

                                       图4 淤泥经2%絮凝剂聚合氯化铁处理前后SEM图 (2000)
2.2 有机质对淤泥脱水性能的影响
    淤泥中有机质含量为0.81%, 在淤泥中添加腐殖酸, 搅拌均匀后密封放置一周, 然后根据重铬酸钾容量法测定有机质含量, 制得到不同有机质含量淤泥样品, 最后加入一定量聚合氯化铁絮凝剂进行比阻和泥饼含水率测试。有机质含量对淤泥脱水性能的影响见图5和图6, 随着淤泥含量增加, 淤泥比阻值和含水率均增大, 当有机质含量超过8%时, 淤泥脱水性能大幅下降。有机质中含有大量多价酸根, 能与淤泥中胶体微粒表面的阳离?#26377;?#25104;络合物, 具有较高的吸附性, 但是当有机质含量过高时, 自身形成凝胶, 吸附大量泥浆颗粒水分, 导致水分子与颗粒难以分离, 降低了淤泥的脱水性能。

                                                         图5 有机质含量对淤泥脱水性能的影响
 

                                                  图6 有机质含量对淤泥泥饼含水率的影响
2.3 温度对淤泥脱水性能的影响
    将淤泥置于15、20、25、30℃温度下, 加入一定量絮凝剂测试淤泥脱水性能。不同温度对淤泥比阻和含水率的影响如图7所示, 随着温度的增加, 淤泥的比阻和含水率平?#33322;?#20302;然后快速升高, 当温度在20℃时, 淤泥的比阻最低, 这是因为温度变化会造成淤泥脱水性能的波动, 温度过高, 絮体颗粒细小、松散、?#20004;?#24615;能差, 而温度过低, 絮体形成速度缓慢, 因此淤泥在20℃左右脱水性能最佳。

图7 不同温度对淤泥比阻和含水率的影响

2.4 PH对淤泥脱水性能的影响

图8 不同PH值对絮凝剂比阻的影响
图9 不同PH值对絮凝剂含水率的影响

    絮凝剂的PH环境对淤泥脱水性能的影响十?#31181;?#35201;, 通过H2SO4和Ca O调节淤泥PH值, 测试投入2%聚合氯化铁絮凝剂时淤泥的比阻和含水率。不同PH值对淤泥比阻和含水率的影响见图8和图9, PH值在6~8时, 淤泥脱水性能较差, 絮凝团聚现象不明显, 脱水后泥饼不紧密, 而在酸性和碱性条件下, 淤泥比阻值和含水率较低, 淤泥最佳的反应PH值范围在9-11。这是因为酸性和碱性条件下, 絮凝剂能迅速水解, 阳离子和大分子络合离子可以迅速与淤泥胶体表面的带电粒子发生反应, 迅速产生网捕和压缩双电层作用, 形成较大絮体。
2.5 颗粒粒度对淤泥脱水性能的影响
    底泥颗粒大小和分?#38469;?#24433;响底泥脱水性能的重要因素。底泥的脱水性能随着细胶体颗粒 (粒径在1~100μm) 的增加而变差, 因为滤网的孔径在1~100μm范围内, 超胶体颗粒可以?#27695;?#28388;网, 而小颗粒才能通过, 大颗粒被截留。将淤泥颗粒筛分为粗细两部分, 粒径分别为200~63μm和小于63μm两种, 然后将粗细淤泥颗粒分别加水配置成含水率为90%的泥浆, 投入聚合氯化铁絮凝剂, 测试淤泥泥饼含水率。淤泥颗粒粒径对淤泥含水率的影响如表2所示, 淤泥中所含粗颗粒越多, 脱水后泥饼含水率越低, 脱水性能越好。
    淤泥中颗粒细小, 比表面积大, 是淤泥中性质较活跃的部分, 粘粒在液体中是带电的, 其表面上的电荷一般由以?#27695;?#31181;作用产生: (l) 粘粒总是选择性地吸附与它本身结晶格架中相同或相似的离子。 (2) 粘粒由许多可解离的小分子缔合而成, 与水作用或生成离子发生基, 而后分解, 再选择性地吸附与矿物格架上性质相同的离子于其表面而带电。 (3) 粘?#37327;?#29289;中的同晶替代作用可以产生负电, 这种负电荷的数量取决于晶格中同晶替代的多少, 不受介质的PH值影响。由于粘粒表面带有电荷, 带电粘粒在水中吸附极性水分子于颗粒的周围形成水化膜, 在静电吸引作用, 吸附溶液中与它电荷符号相反的离子聚集在其周围, 形成反离子层。这部分反离子与粘粒表面上的离?#26377;?#25104;的带电层称固定层, 而另一部分距颗粒表面较远的反离子具有扩散到溶液中去的趋势, 形成了与固定层电?#31579;?#21495;相反的另一带电层, 称为扩散层。从固定层边缘到扩散层末端的距离作为扩散层的厚度, 这样由固定层和扩散层就构成了双电层。因此淤泥中粘粒含量越大, 扩散层的总体体积越大, 导致水分子难以脱离。
 

表2 不同粒度分布淤泥泥饼含水率

2.6 淤泥脱水性能综合调理
    淤泥脱水性能达到最优, 需要根据淤泥自身有机质含量和颗粒粒度, 调整絮凝剂处理时的PH值和温度等环境因素。为调整淤泥PH达到9~11, 固定生石灰加入量为2%, 通过调整聚合氯化铁絮凝剂加入量, 寻找淤泥脱水性能最适合的处理条件。
    聚合氯化铁絮凝剂加入量对2%Ca O淤泥比阻和含水率的影响如图10所示, 从图中可以看出在生石灰?#37117;?#37327;为2%情形下, 聚合氯化铁?#37117;?#37327;为3%时, 泥饼的含水量最低达到39.79%, 此时污泥比阻为1.6×107s/g, 这是因为先?#37117;?#19968;定量的生石灰, 起到了稳定底泥, 改善底泥PH值的作用, 然后再?#37117;?#32858;合氯化铁, 使得絮凝剂能在较佳的底泥环境中形成絮凝沉淀。而当聚合氯化铁?#37117;?#36807;量时, 导致泥浆?#20302;?#20013;正电荷增多, 胶体微粒重新获得稳定, 导致脱水性能变差。另?#29615;?#38754;, 在试验结果的基础上, 综合考虑分析, 发现絮凝剂聚合氯化铁?#37117;?#37327;在2%与3%时, 剩余底泥比阻与泥饼含

图10 聚合氯化铁絮凝剂加入量对2%CaO淤泥比阻和含水率的影响

3 结论
    通过本研究得出以?#24405;?#20010;结论:
    聚合氯化铝、聚合氯化铁和聚丙烯酰胺三种絮凝剂都能有效改善淤泥中的脱水性能, 综合考虑到淤泥脱水性能处理成本, 三种絮凝剂的投入量应控制在2%~3%;随着淤泥含量增加, 淤泥比阻值和含水率均增大, 当有机质含量超过8%时, 淤泥脱水性能大幅下降;环境温度20℃时, 淤泥的脱水性能最高;淤泥最佳的反应PH值范围在9-11;淤泥中所含粗颗粒越多, 脱水后泥饼含水率越低, 脱水性能越好。
    根据淤泥絮凝剂、有机质含量、颗粒粒度, 对淤泥脱水性能综合调理, 调整生石灰?#37117;?#37327;为2%, 聚合氯化铁?#37117;?#37327;为3%时, 泥饼的含水量最低达到39.79%, 污泥比阻为1.6×10s/g。


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