针对太湖底泥的絮凝剂最优浓度以及最优配比问题的研究

针对太湖底泥的絮凝剂最优浓度以及最优配比问题的研究余欣;胡坤;李霞;徐沈阳;金子叶
【摘要】文章研究了不同淤泥絮凝剂的最优浓度以及复合絮凝剂的最优配比问题.针对太湖污染底泥,使用分组试验方法,以絮凝脱水后淤泥絮凝团大小、滤饼含水率等为脱水效果评价指标,得到不同絮凝剂使得脱水效果达到最好时的浓度;根据不同种类絮凝剂所含阴阳离子的不同,进行组合实验,得到双絮凝剂最优配比比例.文章研究成果在处理湖泊污染底泥时选取絮凝剂种类和配比比例方面提供实验基础.
【期刊名称】《化工管理》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】3页(P102-104)
【关键词】污染底泥处理;分组试验法;絮凝沉淀法;最优配比
【作者】余欣;胡坤;李霞;徐沈阳;金子叶
【作者单位】天津工业大学理学院,天津 300387;天津工业大学理学院,天津300387;天津工业大学理学院,天津 300387;天津工业大学纺织学院, 天津 300387;天津工业大学经济学院, 天津 300387
【正文语种】中文
【中图分类】X524
1 前言
近年来，水环境污染问题逐渐成为世界各国关注的焦点。

环保疏浚是清除内河湖泊
内源污染的必要手段，是水环境生态修复治理领域的一项重要工程技术。

需要环保疏浚的湖泊往往位于城市的重点地区，湖泊周边的土地越来越显示出很高的商业价值，疏浚后污染底泥堆场用地征用困难，大大提高了水环境治理的成本。

并且敞开式的传统堆场也增加了环境风险[1]。

目前，几乎所有的城市水体环保疏浚项目都受到堆场问题的制约，业主越来越强调以一种更加环保的方式处置底泥。

如何环保处理被污染的湖泊河道，如何摆脱传统处理方法所带来的困境，已经成为水环境治理领域亟待解决的难题。

在絮凝沉淀法、生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法等污水生态处理技术中，絮凝沉淀法应用广泛[2]。

在污水处理中，多种絮凝剂复配使用已取
得了良好的应用效果[3，4]。

2 实验材料
2.1 实验药剂
阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM)、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、硅酸钠(Na2O·mSiO2)、壳聚糖((C6H11NO4)n)、柠檬酸钠
(C6H5Na3O7)、羧甲基纤维素钠(RnOCH3COONa)、聚乙烯醇((C2H4O)n)9种
絮凝剂。

另外根据不同絮凝剂的作用机理，实验室复配絮凝剂进行试验，采用起到助凝作用的无机盐类和起絮凝作用的有机高分子类进行复配，按不同比例配合进行絮凝试验。

2.2 试验仪器
主要仪器有电子天平(0．01g～600g)、六联电动搅拌机(JJ-4A)、电动搅拌机(JJ-
1A)、烘干箱(101-1A)、抽滤机(SHB-3)、笔试酸度计(PHB-10)其他仪器包括漏斗、过滤瓶、红水温度计、量筒、烧杯、培养皿及定量滤纸若干。

3 实验方法
3.1 试验测试指标
（1)原泥浆污泥浓度MLSS测定。

用100ml量筒量取混合均匀的试样100ml，静止30分钟后读取沉淀后污泥所占的体积V(ml)。

先称重滤纸和玻璃培养皿重量，记录称重(W1)，倾去上述量筒中清液，用准备好的滤纸进行过滤量筒中的污泥，为提高过滤速度，应采用真空泵进行抽滤。

将载有污泥的滤纸放在已称重的玻璃培养皿里，移入烘箱中于105±2℃下反复烘干、冷却、称量至恒重，记录(W2)。

（2)原泥浆污泥沉降比SV。

污泥沉降比是淤泥混合液在100ml量筒中，静置沉淀30分钟，沉淀污泥与混合液的体积比(%）。

（3)原污泥指数SVI。

污泥指数反映淤泥的松散程度和凝聚、沉降性能指标。

污泥指数过低，说明泥粒细小、紧密，无机物多，缺乏活性和吸附能力；指数过高，说明淤泥将要膨胀，或已膨胀，污泥不易沉降。

（4)含水率测定。

含水率测定包括泥饼含水率测定和絮凝团含水率测定。

泥饼含水率是絮凝试验后烧杯中泥水倒入脱水装置进行抽滤脱水，而絮凝团含水率是絮凝试验后对烧杯底部絮凝团的含水率进行分析。

然后在质量己知的玻璃培养皿(W1)内称取适量滤饼(W2)，再将其于105～110℃(此温度下自由水和吸湿水被烘干，而一般有机质不被分解)恒温烘箱中烘干至恒重(W3)，计算滤饼含水率：
3.2 不同絮凝剂及用量对淤泥絮凝脱水试验[5]
通过烧杯絮凝试验确定最佳絮凝剂及其最佳用量，具体试验步骤如下：
（1)取100ml原泥浆测定MLSS、SV、SVI值并记录。

（2)根据现有烧杯容积，并考虑适于搅拌器进行搅拌的原则，在6～7个500ml烧杯中分别加入经充分混匀的泥样300mL。

（3)以一定递增量依次加入不同絮凝剂，200r/min条件下快
速搅拌20s，再100r/min慢速搅拌10s后静置，观察絮凝体形成的时间、大小、强度，记录试验现象及加入的絮凝剂的量。

（4)絮凝结束后先测定并记录上层液pH值，与初始泥浆pH值进行比较。

（5)将絮凝后烧杯中泥水倒入脱水装置，先测定絮凝团含水率，然后脱水2min后测定滤饼含水率并记录数值。

（6)通过综合考察试验数据，并考虑实际使用的经济因素，最终确定两种以上最优絮凝剂及最佳投药量。

3.3 最优絮凝剂对不同浓度泥浆絮凝脱水试验
根据疏浚船舶实际生产时的排出淤泥浓度(体积比)选定20%、10%、5%三种淤泥浓度，通过3．2试验确定的最优絮凝剂进行不同投加量的絮凝试验，确定不同淤泥浓度下最优絮凝剂的投加量。

3.4 实验室复配絮凝剂对淤泥絮凝脱水试验
根据不同絮凝剂的作用效果，实验室复配絮凝剂进行试验，一般采用起到助凝作用的无机盐类和起絮凝作用的有机高分子类进行复配。

可根据、不同絮凝剂的试验效果选取一种效果最好的无机絮凝剂和有机絮凝剂，按照不同比例进行复配，再进行烧杯絮凝脱水试验，与单独使用时的效果进行比较，确定两种药剂最佳复配比例及絮凝的使用量。

4 实验结果与讨论
4.1 太湖底泥各指标测定结果及分析
湖泊底泥由不同粒径的颗粒物组成，较细的颗粒具有较强的吸附能力和较强的再悬浮能力，在淤泥堆放沉降、及絮凝脱水过程中起着主要作用。

此次试验选取的太湖底泥样品含水率均大于60%，最高的达到81．82%；土质pH值均大于7呈弱碱性；底泥最大颗粒组成小于250μm，其中小于10μm的细粒含量在54．39%～79．63%之间，是底泥最主要的颗粒组成[6]；小于2μm的细粒含量基本随着底泥中TP含量增加而增加，同时阳离子代换量的分布有随着底泥TP含量增加而增
加的趋势；湖泊沉积物中TN含量变化范围较大，其分布基本上随着TP含量的增加而增加，个别点出现异常，可能与其有机质含量有关，说明有机质含量对TN分布影响较大。

综上所述，太湖底泥各种理化性质与沉积物的营养水平及地理位置均有关系，总的趋势是污染越重的底泥阳离子代换量、有机质含量、总磷、总氮含量均呈现较高水平，其颗粒组成中细小颗粒含量占绝大部分，表现为易悬浮、不易沉降、且再悬浮能力强的特性[7]。

4.2 脱水絮凝剂试验分析
4.2.1 体积浓度分数20%条件
选择式样体积300mL，淤泥体积分数20%进行试验，对八种絮凝剂的试验进行比选分析。

其中絮凝剂试验投放量如表1所示。

表1 絮凝剂试验1投放量絮凝剂投加药量1# 2# 3# 4# 5# 6#阳离子PAM(mg) 200 300 400 500 600 700硅酸钠(mg) 500 2000 2500 3500 4500 5500聚合氯化铝(g) 10 20 25 30 35 40聚合氯化铁(ml) 2 5 20 40 60 80壳聚糖(mg) 200 300 500 1000 3000 10000柠檬酸钠(g) 0．5 2 10 15 30 50
除了对上述六种药剂进行试验以外，本次试验中，还对羧甲基纤维素钠(RnOCH3COONa)、聚乙烯醇((C2H4O)n)两种药剂进行了试验，结果发现针对泥浆的絮凝沉淀，该两种药剂基本无效，故对此放弃。

发现除阳离子聚丙烯酰胺外，聚合氯化铝、聚合氯化铁、硅酸钠等三种药剂可起到一定的絮凝沉淀作用，作为此次试验的药剂。

而其他四种药剂，针对泥浆絮凝沉淀基本起不到沉淀效果，在下一步试验中予以放弃。

试验中还发现，良好的絮凝剂，处理效果与投加量未必成正比，例如当CPAM增加大一定量的时候，因胶体保护作用，反而体现不出效果。

因此，寻找确定最佳投药量的范围则成为下一阶段的主要工作[8]。

4.2.2 体积浓度分数10%条件
通过体积浓度分数20%条件的脱水絮凝剂试验分析，将阳离子聚丙烯酰胺、聚合
氯化铝、聚合氯化铁、硅酸钠4种药剂作为此次试验的药剂。

4种絮凝剂试验投放量如表2所示。

表2 絮凝剂试验2投放量絮凝剂种类投加药量1# 2# 3# 4# 5# 6# 7#阳离子
PA(mg) 30 40 60 80 100 120 140硅酸钠(mg) 50 100 250 500 1000 1500 2000聚合氯化铝(mg) 50 100 150 200 250 300 500聚合氯化铁(ml) 0．5 1 1．5 2 2．5 3．5 5
(1)通过本组试验，确定絮凝效果最好的为CPAM，其次为PAC、PFC，硅酸钠最差。

硅酸钠沉淀效果相比其他药剂，效果并不突出，且用量较大，所以考虑予以放弃，在下一步试验中将不再采用。

(2)对于CPAM来说，投加较小剂量与投加较大剂量，效果未有本质上的区别，所以从成本上可以初步判定，30mg～40mg的投加量已经是很好的。

同比换算出来，即PAM的最佳投药量范围应为100mg/L～120mg/L左右。

在今后的试验中，PAM的投加量将以此作为参考依据进行投加。

(3)对于PAC来说，投加较小剂量与较大剂量似乎都没有明显效果，所以根据本次试验得出初步结论，PAC最佳投药量范围为150mg～200mg。

同比换算出来，
即PAC的最佳投药量范围应为480mg/L～600mg/L左右。

在今后的试验中，PAC的投加量将以此作为参考依据进行投加。

(4)对于PFC来说，通过本次试验发现仍然是小剂量投加有显著效果，本次试验中，最佳投药量为0．5～2mL左右。

同比换算出来，即PFC的最佳投药量范围应为1．6mL/L～6．7mL/L左右。

但是从结果中发现，投加后，式样中的pH值较低，具有一定的酸性，在实际工程中，会对管道有腐蚀作用，且考虑到PFC在运输方
面不方便，因此，谨慎建议放弃考虑此药剂。

在下一轮试验中将不再采用。

通过体积浓度分数10%条件的脱水絮凝剂试验分析，将阳离子聚丙烯酰胺、聚合
氯化铝作为此次试验的药剂。

2种絮凝剂试验投放量如表3所示。

表3 絮凝剂试验3投放量絮凝剂种类投加药量1# 2# 3# 4# 5# 6#阳离子
PAM(mg) 10 20 30 40 50 60聚合氯化铝(mg) 30 60 90 120 150 180
(1)最终确定了单独投加两种絮凝剂条件下，效果最好，即CPAM与PAC，在今后的试验中，也将以此两种药剂最为主要考察对象。

(2)投加PAM时，整体上pH值适中，含水率也较好。

再一次证明第二组试验得出的结论基本正确，即PAM的最佳投药量范围应为90mg/L～120mg/L左右。

(3)投加PAC后，pH值适中，且含水率较为合适，同时再次证明第二组试验得出
的结论基本符合实际，较为可信。

即PAC的最佳投药量范围应为480mg/L～
600mg/L左右。

4.3 复配药剂及补充试验分析
4.3.1 CPAM与PAC复配及对比
首先对其复配进行了尝试试验(复配比例分别为：100mgPAC、
10mg+100mgPAC、30mgPAM)，复配效果及PAM的单加效果均很好，确定进行复配有意义并进行正式复配(1#：10mgPA M；2#：10mgPAM+150mgPAC；3#：8mgPAM+150mgPAC；4#：5mgPAM+150mgPAC；5#：
15mgPAM+150mgPAC；6#：4mgPAM+150mgPAC；7#：150mgPAC)。

4.3.2 阴离子聚丙烯酰胺(1400万)
根据之前所做的尝试性试验，及选取与阳离子PAM相应比照，确定了投加剂量为1#：20mgPAM；2#：50mgPAM；3#：80mgPAM；4#：120mgPAM；5#：150mgPAM；6#：180mgP AM；7#：5mgPAM。

通过本次试验，证明了APAM本身是助凝剂，若作单独投加，则仅能起到部分效果，即其是可以形成絮凝沉淀的，但上层液极为混浊，且水质粘度过高，对土工管
袋的作用会造成严重影响，所以APAM不能单独使用。

4.3.3 APAM与PAC复配及对比
首先对其复配进行了尝试试验(复配比例分别为：10mgPAM+150mgPAC、
150mgPAC、10mgPAM+200mgPAC、200mgPAC、10mgPAM+300mgPAC、300mgPAC)，确定正式复配比例的大致范围，再进行正式复配
(4mgPAM+150mgPAC、5mgPAM+150mgPAC、8mgPAM+150mgPAC、
15mgPAM+150mgPAC、30mgPAM+150mgPAC、150mgPAC)[9]。

4.3.4 全部对比分析
投加药量的比例为：50mgPAM阴离子、30mgPAM阳离子、20mgPAM 阴离
子+150mgPAC、20mgPAM阴离子+200mgPAC、20mgPAM 阴离子
+250mgPAC、20mgPAM 阳离子+150mgPAC、20mgPAM阳离子
+200mgPAC。

通过上述复合比例实验，可以得到如下结论：
(1)经过对比试验，对CPAM、APAM及PAC三种絮凝剂的复配投加量及投加比
例进行了多种条件下的组合，基本得出了最优化的范围。

(2)CPAM与PAC复配的试验中发现，两种药剂的配比比例在1：10～1：20之间是比较好的，既可以减少CPAM的使用量，降低成本，又能保证水质优良同比计算，可得出每处理1L泥浆，可投加20～25mgPAM，并配以约500mgPAC。

(3)APAM与PAC复配的试验中发现，只要两者以适当比例投加，均能产生良好的效果，将复配的药剂与单加PAC比较，两者效果均较好。

在20mgAPAM投加量下，即等比计算为每1L泥浆投加70mg时，APAM与PAC的最佳比例为1：5，即配以约500mgPAC。

5 结论
(1)通过对几种絮凝剂的试验，确定了针对于太湖底泥，适用于环保疏浚污染底泥
的几种絮凝剂：CPAM、PAC、APAM及相互复配的药剂。

投加CPAM时，整体上pH值适中，含水率也较好。

验证得出PAM的最佳投药量范围应为90mg/L～120mg/L左右。

投加PAC后，pH值适中，且含水率较为合适，验证得到PAC
的最佳投药量范围应为480mg/L～600mg/L左右。

(2)APAM本身是助凝剂，若作单独投加，则仅能起到部分效果，即其是可以形成
絮凝沉淀的，但上层液极为混浊，且水质粘度过高，对土工管袋的作用会造成严重影响，所以APAM不能单独使用。

(3)CPAM与PAC复配的试验中发现，两种药剂的配比比例在1：10～1：20中是比较好的，既可以减少CPAM的使用量，降低成本，又能保证水质优良同比计算，可得出每处理1L泥浆，可投加20～25mgPAM，并配以约500mgPAC。

(4)APAM与PAC复配的试验中发现，只要两者以适当比例投加，均能产生良好的效果，将复配的药剂与单加PAC比较，两者效果均较好。

在20mgAPAM投加量下，即等比计算为每1L泥浆投加70mg时，APAM与PAC的最佳比例为1：5，即配以约500mgPAC。

（5)几种絮凝剂横向比较，发现单加CPAM脱水絮凝效果最佳，CPAM+PAC次之，单加PAC与APAM+PAC效果基本相同。

同时应考虑到对于CPAM+PAC或APAM+PAC组合投加絮凝剂方式，必将会使实际工程中出现增加投加药剂步骤、增大投加药剂难度、调配药剂不便、增高运营成本等问题。

因此应综合考虑这些因素[10]。

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