正交試驗法在河道底泥脫水調理劑篩選試驗中的應用

王茜徵，王 慧，翟曉峰，李化山，桂 丕

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518000)

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正交試驗法在河道底泥脫水調理劑篩選試驗中的應用

王茜徵，王 慧*，翟曉峰，李化山，桂 丕

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518000)

[目的]篩選具有良好底泥脫水效果的脫水調理劑。[方法]設置了對照(不添加調理劑)和配方Ⅰ、配方 Ⅱ 2個試驗組，其中試驗組以底泥比阻為試驗指標，以藥劑成分為因素、藥劑用量為水平，設計正交試驗，篩選各配方的最佳組合。[結果]配方 Ⅰ 的最優配比為活性炭0.034 0 g，粉煤灰0.085 0 g，生石灰粉0.034 0 g，聚合氯化鋁鐵0.169 8 g，比阻為2.12×109m/kg；配方 Ⅱ 的最優配比為鐵粉0.014 8 g，硫代硫酸鈉0.040 0 g，甲殼素0.012 5 g，檸檬酸0.014 8 g，比阻為53.70×109m/kg。[結論]正交試驗法在底泥脫水領域具有一定的應用性，不僅可以快速有效地篩選出脫水效果好的藥劑，也對脫水調理藥劑的配比起到優化作用，對實際生產起到重要作用。

正交試驗法；底泥；脫水；比阻

隨著國民生活水平的提高，環境污染問題受到廣泛關注，從最初可見的水污染、空氣污染到一些潛在的環境污染，河道底泥淤積所造成的內源污染也成為備受關注的污染類型之一。底泥的生物毒性已被證實，如樂安江20～195 km段沉積物均顯示出毒性[1]。底泥對水體富營養化也有很大影響，如云南滇池中80%的氮和90%的磷都分布在底泥中[2]。因此，河道底泥的治理是削減水體污染的有效途徑之一。目前，治理河道底泥的方法有原位處理和異位處理2種。原位處理方法包括原位物理、化學和生物控制法[3-6]，具有占地面積小、工藝流程簡單等優點，但同時存在所需周期長、易引入二次污染和增加底泥量等問題；異位處理法雖然工藝復雜，所需成本較高，但不易造成二次污染，且對于急需清淤的河道效果明顯，因此作為常見的河道底泥處理方法。河道底泥異位處理是在底泥疏浚的基礎上，對底泥進行淋洗、固化穩定化、焚燒、濃縮和脫水干化等處理[7-9]。我國每年因港口建設、維護及河湖治理產生了大量的疏浚底泥[10]，為防止疏浚底泥堆積產生二次污染，縮短減量化時間，底泥普遍采用 “添加脫水調理劑+機械脫水” 的處理方法。該方法也是快速實現底泥減量化及后續資源化利用的一項實用技術[11]，其核心是調理劑的種類、配比及機械脫水參數[12-16 ]。然而，現有的脫水調理劑種類繁多[17]，效果不同，成分配比不明確，導致脫水調理劑的成分確定工作難度大、負荷重。為快速準確地確定脫水調理劑的配方，常采用正交試驗法。筆者運用正交試驗法篩選河道底泥脫水調理藥劑及其最佳配比，旨在為今后配制新的底泥脫水調理劑提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗對象：采自深圳某河工業區及其宿舍區附近底泥，該底泥黑臭，且帶有較多細顆粒泥砂。試驗配制泥漿的稀釋用水與底泥取自同一區域，為所采底泥的上覆河水，pH為6.5～7.5，呈灰綠色，有臭味。

調理劑成分：活性炭粉末、粉煤灰、生石灰粉、聚合氯化鋁鐵、鐵粉、硫代硫酸鈉、甲殼素、檸檬酸、硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉、水泥粉和鐵氧體。

儀器設備：六聯攪拌器(同步數顯)、真空泵(1 L)、真空表、布氏漏斗(1 mL、10 cm)、具塞計量筒(250 mL)及一些基本試驗器材等。

1.2 試驗設計 設空白組、配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 3個處理?？瞻捉M：不向泥漿中添加任何調理劑；配方 Ⅰ:在泥漿中添加活性炭粉末、粉煤灰、生石灰粉、聚合氯化鋁鐵；配方 Ⅱ:在泥漿中添加鐵粉、硫代硫酸鈉、甲殼素、檸檬酸、硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉、水泥粉和鐵氧體。其中，配方 Ⅱ 的后5種成分均有確定配比，而配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 的前4種只有配比范圍，需要通過正交試驗確定具體的配比參數。該試驗以加藥后的底泥比阻作為底泥脫水性能的指標。試驗裝置如圖1所示。

在獲取的調理劑成分范圍內，通過設計正交試驗，以成分種類為因素，成分含量為水平，優化2種調理劑的成分配比。配方 Ⅰ 和配方 Ⅱ 均有4種成分作為因素，3個設定的加藥量作為水平，因素與水平見表1、2。

1.3 操作方法 以環保絞吸船疏浚的泥漿平均含水率95%為初始含水率。通過測定底泥樣品含水率計算加水量，將采集的河水按計算量加入底泥中，配制成含水率為95%的初始泥漿。取配制的初始泥漿100 mL于250 mL燒杯中，分別按不同種類調理劑的加藥步驟及加藥量進行調理。設定快速攪拌速度為300 r/min，慢速攪拌速度為100 r/min，并用配制好的初始底泥做空白處理進行對比試驗。各處理調理方案：空白：配制含水率為95%的初始泥漿→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min;調理劑 Ⅰ:泥漿配制→活性炭、粉煤灰和生石灰添加→慢速攪拌3 min→聚合氯化鋁鐵→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min;調理劑 Ⅱ:泥漿配制→調理劑添加→快速攪拌1 min→慢速攪拌5 min。

注：1.固定鐵架；2.計量筒；3.抽氣接管；4.布氏漏斗；5.吸濾筒；6.真空泵；7.真空表；8.調節閥；9.放空閥；10.硬塑料管；11.硬橡皮管。Note: 1.Fixed brand; 2.Hopper; 3.Suction nozzle; 4.Buchner funnel; 5.Suction filter cartridge; 6.Vacuum pump; 7.Vacuum gauge; 8.Control valve; 9.Air release valve; 10.Hard plastic tube; 11.Hard rubber tube.圖1 比阻測定裝置Fig.1 The device of testing specific resistance

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表2 配方 Ⅱ 因素與水平

2 結果與分析

2.1 配方 Ⅰ 的正交試驗結果 由表3可知，配方 Ⅰ 各成分的比阻極差不同，其中生石灰粉和聚合氯化鋁均較粉煤灰和活性炭粉的比阻極差大，說明生石灰粉和聚合氯化鋁在調理劑的脫水中所起的作用相對較大。原因與各成分的化學結構和化學性質有關，即活性炭粉和粉煤灰的主要作用是充當調理過程的骨架，而生石灰粉不僅可以提高顆粒密度，還可以調節底泥環境的酸堿度，聚合氯化鋁鐵作為一種無機高分子化合物，可以在調解過程中發揮網捕、卷掃的作用，促使底泥中膠粒脫穩，將細小松散的污泥微粒聚集成密集的大顆粒，經重力作用沉降后，污泥顆粒間隙中的游離水和間隙水得以從污泥中析出，從而達到脫水效果。通過正交分析，得出最優組合為A2B2C3D3，其所對應的比阻值為43.60×109m/kg，較2.12×109m/kg大，因此就比阻而言，配方 Ⅰ 的最優配方為A1B3C3D3。此外，根據對底泥過濾后的濾餅含水率、濾液濁度、pH及沉降性能的測定結果，組合A1B3C3D3同樣具有優勢。

表3 配方 Ⅰ 的正交試驗結果

從圖2可以看出，不同藥劑成分呈現不同的脫水特征，對于活性炭粉，其添加量過多或者過少時，都會使比阻增大，從而導致脫水效果變差，這是由于活性炭粉具有一定的吸附能力，其多孔的表面會吸附一些顆粒物，從而使粒徑變大，顆粒物下沉，同時活性炭粉吸附于絮凝物上，有利于絮體的架橋，使脫水效果變好。但是由于該試驗pH均大于7，活性炭表面帶負電[18]，當其添加量達到一定量時，其負電作用大于吸附作用，顆粒相互排斥，恢復穩定狀態，脫水效果變差。粉煤灰對底泥脫水的作用效果與活性炭粉類似，添加量過多或者過少均不利于底泥脫水。隨著生石灰粉添加量的增加，底泥比阻不斷減小，即底泥脫水性能不斷提升，原因是生石灰不僅可以調節底泥pH，而且生石灰中的鈣與污泥中的有機物結合，可以提高污泥的顆粒密度，使污泥更容易與水分離。聚合氯化鋁鐵加入污泥中后經水解縮聚可形成大量的氫氧化物固體從水中析出，這些氫氧化物一般都是聚合體，如[Al(OH)3]n，可以網捕、卷帶水中的細小膠粒形成絮狀物。隨著聚合氯化鋁鐵加入量的增加，比阻隨之減小，底泥的脫水性能也隨之提升，可見，聚合氯化鋁鐵越多，其產生的網捕、卷掃作用越強。雖然生石灰粉和聚合氯化鋁鐵的脫水性能隨著添加量的增大而增強，但投藥量的增加不僅會使底泥量增大，造成后期處理負荷過大，同時使得藥劑被浪費。此外，生石灰投加量過大，也會使出水水質pH過高，造成水體污染。因此，各成分的用量不僅要滿足提升底泥脫水性能的要求，同時還應該結合經濟成本和環境影響將其控制在合理的范圍內。因此，配方 Ⅰ 的最優配比方案為活性炭粉0.040 7 g，粉煤灰0.101 9 g,生石灰粉0.135 8 g，聚合氯化鋁鐵0.067 9 g。

表4 配方 Ⅱ 的正交試驗結果

2.2 配方 Ⅱ 的正交試驗結果 由表4可知，檸檬酸的比阻極差較其他3個成分大，可見檸檬酸在該配方中起著重要作用，影響也較大。原因在于檸檬酸可以調節底泥pH，對藥劑配方所處的大環境造成影響，從而對藥劑脫水起重要作用。從圖3可見，檸檬酸濃度越大，底泥比阻越大，也就是當檸檬酸濃度較小時，該配方的藥劑才能使底泥具有良好的脫水效果，因此，其他3個成分的添加量與比阻的關系受檸檬酸濃度的影響，而非僅僅受成分本身性質的影響。因此，通過對正交試驗，可以得出最優組合為E2F1G1H3，配比方案為鐵粉0.016 0 g,硫化硫酸鈉0.010 1 g，甲殼素0.005 0 g，檸檬酸0.005 9 g。經驗證，該組合的比阻為365.00×109m/kg，較正交試驗中的比阻值大。從沉降效果而言，該配方的整體沉降速度都較慢，且沉降不夠徹底，上清液較為渾濁，不作為選取最優組合的條件，因此就比阻而言，該配方的最優組合為E3F2G1H3，比阻為53.70×109m/kg。

圖2 配方 Ⅰ 中各藥劑添加量對底泥比阻的影響Fig.2 Effect of different dosage of Formula I on SRF to the bottom

圖3 配方 Ⅱ 中各藥劑添加量對底泥比阻的影響Fig.3 Effect of different dosage of Formula Ⅱ on SRF to the bottom

3 結論與討論

正交試驗法在底泥脫水領域具有一定的應用性，不僅可以快速有效地篩選出脫水效果好的藥劑，也可以優化脫水調理藥劑的配比，對實際生產具有重要作用。該試驗中，配方 Ⅰ 最優配比為E1F3G3H3，比阻為2.12×109m/kg；配方 Ⅱ 最優配比為E3F2G1H3，比阻為53.70×109m/kg。無論是配方 Ⅰ 還是配方 Ⅱ，脫水效果均是幾種藥劑綜合反應的結果。只有通過正交試驗分析、成本核算和環境影響分析，才能確定最終的藥劑用量，取得最優效果。此外，正交試驗法可以指示配方中各成分起主要作用還是次要作用，在明確各成分作用機理的基礎上可以為研制新的調理劑配方提供思路。

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Application of Orthogonal Test in Dewatering Conditioners Screening Test for Sediment Sludge

WANG Xi-zheng,WANG Hui*,ZHAI Xiao-feng et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518000)

[Objective] The aim was to select dewatering conditioners efficiently.[Method] A control group(without conditioner) and two experimental groups(formula I and formula Ⅱ) were included in this study.The experimental groups were orthogonal tests,with specific resistance of sludge (SRF) as the index,conditioner compositions as factors and dosages as levels.[Result] The optimal proportion in formula I was：activated carbon powder 0.034 0 g,fly ash 0.085 0 g,quicklime powder 0.034 0 g,polymeric aluminum ferric chloride 0.169 8 g,SRF 2.12×109m/kg; the optimal proportion in formula Ⅱ was：iron powder 0.014 8 g,sodium hyposulfite 0.040 0 g,chitin citric acid 0.014 8 g,SRF 5.37×1010m/kg.[Conclusion] Orthogonal test can be used in sediment dewatering field,not only to select dewatering conditioners with good effect rapidly and effectively,but also to optimize the proportions of conditioners,which is vital to practical production.

Orthogonal test; Sediment sludge; Dewatering; SRF

鐵漢生態研究院建設項目(2014B090903015)；鐵漢生態院士工作站建設項目(2015B090904008)。

王茜徵(1990- )，女，四川南充人，工程師，碩士，從事污泥脫水干化及資源化、土壤修復與改良研究。*通訊作者，碩士，從事污泥脫水干化及資源化研究。

2016-09-07

S 181

A

0517-6611(2016)32-0067-04