絮凝沉降原理以及淤泥脫水影響因素
    中圖分類號:TQ314.253　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A　　文章編號:1672-1683(2009)04-0057-03
    1　引言
    隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速,我國部分地區(qū)河流、湖泊泥水環(huán)境狀況急劇惡化,不少河道、航道己淪為藏污納垢的下水道,以致淤泥淤積日益成為社會性公害。河道、湖泊和航道的淤積引發(fā)了一系列環(huán)境隱患。泥水環(huán)境的治理是一個極其復(fù)雜的綜合系統(tǒng)工程,治理主體措施在于截排污染源、雨污分流、水質(zhì)修復(fù)和淤泥清除;前兩者是河流、湖泊的周邊環(huán)境協(xié)調(diào)整治問題,后兩者則是河流湖泊內(nèi)部系統(tǒng)的治本問題。因此,我國近年來在河流湖泊環(huán)境的治理問題上,著眼點(diǎn)極大地放在底泥的清除、處理和處置上。國內(nèi)清淤行業(yè)中對淤泥主要是采取堆泥場的方式進(jìn)行處理和處置,由于淤泥的含水率極高,占地極多,淤泥脫水就成為首要問題。就清除淤泥的堆放處理處置而言,淤泥的脫水一般是自然風(fēng)干,但該方法占地面積大,脫水時間長,易產(chǎn)生二次污染。國內(nèi)外關(guān)于高含水率淤泥脫水的文獻(xiàn)極少,德國、俄國和日本等有用絮凝劑處理的相關(guān)報道[1-2],但絮凝劑結(jié)構(gòu)性能及來源都不很明確,因此尋求更快速、高效、低耗的淤泥脫水方法是必要的。同時,在淤泥脫水工程中,絮凝劑比例和淤泥含水率是影響淤泥脫水的重要因素,因此,對絮凝劑比例和和淤泥含水率的控制是十分重要的,本文將對此進(jìn)行探討。
    1　絮凝沉降原理以及淤泥脫水影響因素
    1.1　泥沙絮凝劑的組成
    泥沙絮凝劑(FAS)的組成主要包括3大部分:絮凝部分(主要成分為PAM),助沉部分(主要成分為FeCl3),減阻部分(主要成分為NaNO3)等,通過這3部分的協(xié)調(diào)作用使高含水量淤泥達(dá)到快速沉降脫水之目的。
    1.2　淤泥體含水率
    單位質(zhì)量淤泥體中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱為含水率(%),相應(yīng)的固體物質(zhì)在淤泥體中所含的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),稱為含固率(%)。淤泥體的含水率一般都很高,而含固率很低。一般來說,固體顆粒愈小,其所含有機(jī)物愈多,淤泥體的含水率愈高。
    1.3　淤泥脫水影響因素和控制方法
    基于污泥與淤泥成分的相似,均含大量帶電有機(jī)質(zhì),且目前污泥絮凝理論和工藝的相對成熟。本研究將污泥處理中絮凝方法用于淤泥脫水處理,試圖找到一種適合淤泥脫水的快速有效的匹配方案,解決疏浚清淤工程中淤泥脫水這一關(guān)鍵問題。
    目前,影響污泥脫水速率的控制方法有很多,研究的方面也很多,綜述如表1。
     
    鑒于污、淤泥所含成分和性質(zhì)相近,污泥脫水影響因素對淤泥影響因素當(dāng)有借鑒,本文將就絮凝劑比例和淤泥濃度對淤泥脫水速率的影響做出探討。
    2　試驗(yàn)部分
    2.1　試驗(yàn)材料和方法
    試驗(yàn)所用淤泥取自武漢市南湖,試劑:FAS(Flocculenting-setting Agent for Sediment,泥沙絮凝劑),實(shí)驗(yàn)分別在1 000 mL的量筒中進(jìn)行。采用電子天平稱量絮凝劑,精確度為1/10 000 g,在250 mL燒杯中配制絮凝劑溶液。測量含水率的實(shí)驗(yàn)方法:稱取一定質(zhì)量的過濾完的淤泥體樣品放在烘箱內(nèi),在105℃~110℃下烘干24 h,取出后放在干燥器內(nèi)冷卻0.5 h,直至恒重,稱重計(jì)算。
    2.2　絮凝淤泥體含水率試驗(yàn)
    本試驗(yàn)淤泥濃度(體積比)分別為10%,15%,20%,25%的淤泥,絮凝劑比例按1 ,1.5 ,2 ,2.5 ,3 ,3.5 ,4 ,采用試驗(yàn)齡期分別為3 d、7 d、15 d,進(jìn)行不同配合比不同齡期下的淤泥體的含水率試驗(yàn)。并分析不同齡期絮凝劑比例和淤泥濃度對淤泥體脫水的影響程度。
    2.3　淤泥脫水速率試驗(yàn)
    本試驗(yàn)在1 000 mL的量筒中加入淤泥樣品,并加入絮凝劑充分?jǐn)嚢?絮凝劑固定劑量為2.5 ,在不同時間點(diǎn)取樣,并將樣品采用烘干法測出淤泥含水率,繪制含水率隨時間變化關(guān)系曲線,然后根據(jù)含水率隨時間變化關(guān)系曲線,繪制出淤泥脫水速率隨時間變化曲線。
    3　試驗(yàn)結(jié)果及分析
    3.1　絮凝劑比例(P)對淤泥脫水速率(V)影響
    通過在不同絮凝劑比例情況下比較研究絮凝淤泥體含水率隨淤泥濃度變化情況,繪制曲線如圖1-圖3。
           
    在不同齡期和不同濃度的淤泥情況下,淤泥體脫水效果隨絮凝劑比例變化均不同,且規(guī)律不一,當(dāng)齡期為3 d時,不同淤泥濃度情況下,淤泥體含水率隨絮凝劑比例變化不明顯,當(dāng)齡期為7 d和15 d時,不同淤泥濃度情況下,各含水率層次趨于分散。當(dāng)淤泥濃度為20%時,脫水效果最明顯,且淤泥體含水率隨絮凝劑比例增加而變化幅度最大,從整個脫水過程來看,當(dāng)絮凝劑比例在1.5 ~3.5 左右比較適合于淤泥脫水。絮凝劑在水中的組分對膠體粒子主要有壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附架橋作用和網(wǎng)捕作用。一般來說這四種作用究竟以哪種為主,取決于絮凝劑的種類和濃度,膠體粒子的含量及膠體溶液的pH值。不過這四種作用往往交叉協(xié)同,使膠體粒子脫穩(wěn)絮凝。絮凝劑不同比例對淤泥脫水也是有一定影響,膠粒表面電荷的中和可以通過無機(jī)或有機(jī)陽離子絮凝劑的相互作用來實(shí)現(xiàn),當(dāng)絮凝劑在水中的組分靠近膠粒表面或被吸附到膠粒表面上時,即可使膠粒表面負(fù)電荷減少或消失。因此一般來說,絮凝劑的電荷愈多,達(dá)到相同效果投加量愈少。但是當(dāng)絮凝劑投加過量時,膠粒表面電荷會發(fā)生逆轉(zhuǎn),造成膠體重新懸浮,降低絮凝效果。吸附架橋理論指出,只有在絮凝劑投加量適當(dāng)時,即膠體粒子部分表面被覆蓋.才能在微粒間產(chǎn)生有效的吸附架橋作用,并獲得最佳絮凝效果。
    3.2　淤泥濃度(C)對淤泥體含水率的影響
    淤泥濃度不同,淤泥的含水率和含固率也不同,則其與絮凝劑作用效果也不同,淤泥的脫水速度等也不相同。從圖4至圖6中可以看出,在縱向上,可以看出淤泥體含水率是隨齡期的增加而下降的,在橫向上,即在同一齡期時,不同絮凝劑比例下淤泥體含水率隨淤泥濃度變化曲線呈“N”字型變化,當(dāng)淤泥濃度為18%~22%時,各齡期淤泥體含水率均降為最低,因此較為適合淤泥脫水。
            
    從正交結(jié)果來看,在任何一個齡期段不同淤泥濃度對淤泥體含水率的影響不盡相同,但任何一個齡期,其變化是有規(guī)律的,同齡期,淤泥濃度在20%左右時淤泥體含水率最低,這可能和不同淤泥濃度下,淤泥和絮凝劑絮凝時絮凝的程度和絮凝速度有關(guān)系,從而導(dǎo)致淤泥體含水率不同。
    在確定了淤泥脫水過程中最佳絮凝劑比例,和最佳淤泥脫水濃度后,在最佳情況下,淤泥脫水速率如何變化,將于下述淤泥脫水速率試驗(yàn)進(jìn)行探討。
    3.3　淤泥脫水速率
    淤泥在脫水過程中,添加絮凝劑后,淤泥體含水率改變幅度較大,初期,淤泥體含水率和脫水速率隨時間增長快速下降,當(dāng)時間達(dá)到400 h,淤泥體含水率和脫水速率基本處于持平狀態(tài)。由圖7和圖8可看出,整個脫水過程中,淤泥體含水率由90%降到49.59%,含水率的降低使淤泥體積減少,淤泥運(yùn)輸處理成本降低。
            
     淤泥體含水率隨時間變化曲線如圖7,從圖中可以發(fā)現(xiàn),淤泥體含水率隨時間遞減變化。淤泥脫水速率隨時間變化曲線如圖8,從圖中可以發(fā)現(xiàn),淤泥脫水速率隨時間呈遞減變化。經(jīng)過分析整理后,脫水速率隨時間的變化關(guān)系:
           
    分析可知,在最佳絮凝劑加入比例和最佳淤泥含水率情況下,初始48 h內(nèi),淤泥脫水速率下降較快,由每小時0.875%下降到0.183% ,48 h后淤泥脫水速率下降趨緩,在400 h后,淤泥脫水速率趨近于0。
    4　結(jié)論
    ①在不同齡期和不同淤泥濃度情況下,淤泥體含水率隨不同絮凝劑比例變化均不同,且規(guī)律不一,當(dāng)齡期為3 d時,含水率隨絮凝劑變化不明顯,當(dāng)齡期為7 d和15 d時,不同淤泥濃度情況下,各含水率層次趨于分散。當(dāng)淤泥濃度為20%時,脫水效果最明顯,且淤泥體含水率隨絮凝劑比例增加而變化幅度最大,從整個脫水過程來看,當(dāng)絮凝劑比例在1.5 ~3.5 時比較適合于淤泥脫水。
    
     
    ③淤泥在脫水過程中,含水率和脫水速率受外界各種因素影響很大,但在不同的齡期以及不同的絮凝劑比例情況下,淤泥體含水率隨淤泥濃度變化大體呈“N”字形,且當(dāng)淤泥濃度約在18%~22%之間時,淤泥的脫水速率最快。
    ④文章通過實(shí)驗(yàn)探討了不同絮凝劑比例和不同淤泥濃度兩種因素對于淤泥脫水影響,此外工程中其它因素對淤泥脫水也有一定影響,具體有何影響以及影響程度仍是一個值得深入的方向。
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