疏浚泥漿吹填余水的污染特征及凈化試驗研究*

王 磊 曹亞麗 殷承啟 許雪記 費小通#

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通運輸環境保護技術中心，江蘇 南京 210014)

疏浚泥漿吹填余水的污染特征及凈化試驗研究*

王 磊1,2曹亞麗1,2殷承啟1,2許雪記1,2費小通1,2#

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通運輸環境保護技術中心，江蘇 南京 210014)

疏浚泥漿吹填余水中含有大量膠體及微小顆粒物，直接排放將對受納水體造成較大危害。依托京杭運河湖西航道疏浚工程展開現場試驗，對比分析聚合氯化鋁(PAC)和FeCl3對余水中懸浮固體(SS)的去除效果。研究發現，疏浚泥漿落淤后的余水SS濃度較高，隨著吹填時間的延長，余水SS濃度有明顯增加的趨勢。室內混凝小試試驗表明，PAC、FeCl3均能有效降低余水中的SS，PAC、FeCl3的最佳投加量分別為39、17mg/L；在最佳投加量下，兩種混凝劑對余水SS的混凝效果均隨沉降時間延長而改善，前5min內FeCl3的混凝效果比PAC好，5min后PAC的混凝效果更佳。現場中試試驗顯示，兩種混凝劑均在較短時間取得較好的SS混凝效果。當以混凝劑最佳投加量及污染物排放達標為評價目標時，FeCl3的處理費用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費用分別為20.5、10.5元/h，FeCl3的經濟性均優于PAC。

疏浚泥漿 余水 懸浮固體 混凝劑 凈化

工程疏浚能提高內河航道的通航能力，但在疏浚作業中會產生大量的高含水率疏浚泥漿。疏浚泥漿吹填沉降過程中產生的余水從圍堰尾部排出[1]。余水中含有大量落淤膠體雜質和微小顆粒物，這些物質表面帶有電荷，靠彼此靜電斥力和范德華力平衡，在溶液中保持懸浮狀態，排入外部水體會造成嚴重的二次污染[2]。混凝沉降是指通過投加各類混凝劑和絮凝劑，改變懸浮物的帶電性質并破壞其懸浮穩態，使懸浮物互相接觸、碰撞形成大型絮狀體，并通過重力沉降去除懸浮固體(SS)[3-5]。非離子型無機混凝劑聚合氯化鋁(PAC)和離子型無機混凝劑FeCl3是兩種重要的混凝劑，在水處理領域具有重要的應用價值。

京杭運河湖西航道建設工程(包括航道、船閘)疏浚土方共計約400萬m3，全線圍堰共計20余處，圍堰中疏浚泥漿含水率高達90%以上，攜帶有大量SS的余水經圍堰泄水口、排水溝渠排入航道，會對環境造成較大的污染。為了明確疏浚吹填過程中的余水污染特征，進而尋找有效的余水污染物控制措施，現場測定了疏浚吹填過程中各階段余水中污染物的含量，并在現場采集水樣，研究了PAC和FeCl3對余水的凈化規律，在室內試驗的基礎上，開展了現場中試試驗，為余水的安全排放提供指導。

1 材料與方法

1.1 混凝劑

本次試驗采用工業級PAC和FeCl3。其中：PAC純度99%，價格為1 500元/t。FeCl3純度96%，價格為2 500元/t。

1.2 工程介紹

京杭運河湖西航道藺家壩段圍堰工程平面布置見圖1。絞吸式疏浚船將河道底泥吸出，經管道(直徑500 mm)吹填進入堆場。堆場長200 m、寬100 m、高約3 m。疏浚泥漿沉降產生的余水經圍堰余水出口排出，圍堰余水出口到入河口的距離為300 m，余水正常流經時間為30 min。

圖1 工程平面布置Fig.1 The engineering layout

余水中SS主要以黏土顆粒和膠體為主。從圖2可以看出，10 μm以下的顆粒質量分數達27%，30 μm以下顆粒質量分數達51%，75 μm以下顆粒質量分數達到近80%。根據張德茹等[6]研究結果，對于天然泥沙，混凝臨界粒徑為30 μm。而錢寧[7]的研究結果顯示，黃河淤泥的混凝臨界粒徑在10 μm左右，對比本試驗余水中SS粒徑分布，說明余水較易發生混凝現象，可通過添加混凝劑促進其發生混凝沉降。

圖2 余水SS粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of SS in tail water

1.3 試驗方法

1.3.1 自然沉降試驗

將1 000 mL余水水樣注入沉降柱中，攪拌均勻，記錄距取樣口20 cm高度處液面SS的質量濃度，開啟計時器，分別在5、10、20、30、60、120 min時取水樣100 mL，水樣由干燥的濾紙過濾，過濾后，將濾紙放入已準確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內烘干，稱量濾紙增加的質量，計算SS質量濃度。

1.3.2 混凝沉降小試試驗

(1) 最佳混凝劑投加量：在燒杯中加入1 000 mL余水水樣，分別向水樣中加入5、11、17、28、39、50 mg/L的混凝劑，并將燒杯固定在混凝試驗攪拌機上，開啟磁力攪拌器快速攪拌3 min(200 r/min)，使混凝劑在溶液中充分混合，然后在60 r/min的轉速下緩慢攪拌30 min，靜置沉降90 min并觀察沉降過程，待燒杯內沉降過程結束后，取100 mL上清液并置于準確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內烘干，稱量濾紙增加的質量，計算SS質量濃度，篩選最佳混凝劑投加量。

(2) 最佳沉降時間：在燒杯中加入1 000 mL余水水樣，按混凝劑最佳投加量加入一定PAC或FeCl3，將燒杯固定在混凝試驗攪拌機上，開啟磁力攪拌器快速攪拌3 min(200 r/min)，使混凝劑在溶液中充分混合，然后在60 r/min的轉速下緩慢攪拌30 min，分別靜置沉降5、10、20、30、60、120 min，取100 mL上清液并置于準確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內烘干，稱量濾紙增加的質量，計算SS質量濃度，確定最佳沉降時間。

1.3.3 混凝沉降現場中試試驗

本次疏浚工程單艘疏浚船疏浚能力為150 m3/h，疏浚泥漿含水率65%，疏浚擾動后泥漿含水率增致90%，堆場落淤后含水率降至70%，經計算，需處理余水水量為350 m3/h。以激射流的形式從圍堰余水出口處加入混凝劑，余水出口設置長5 m、寬3 m的儲水池，加入混凝劑的余水流入儲水池，在沉降5、10、20、30、60、120 min時取3個平行樣，測定水樣SS濃度，評價混凝劑的中試混凝沉降效果。

1.4 測定方法

試驗中各水質指標測定方法見表1。

表1 水質指標測定方法

表2 疏浚工程中主要節點的水質參數1)

注：1)“”表示未達到檢出限；2)指《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準值。

2 結果與討論

2.1 余水污染特征分析

2.1.1 余水SS在疏浚過程中的變化

表2為京杭運河湖西航道疏浚工程中期主要節點的水質參數。從表2可以看出，項目所在地航道河水的水環境質量良好，各項水質指標總體滿足GB 3838—2002中Ⅲ類標準要求。航道河水、疏浚泥漿、圍堰余水出口和入河口余水中總銅、總鋅、總錳含量均在儀器檢出限以下，由于疏浚泥漿中有機物質、營養鹽類含量均很少，COD、氨氮、TP等水質指標皆不超標，故疏浚泥漿需重點控制的污染指標為SS。

從SS的變化規律來看，經輸泥管排入圍堰的疏浚泥漿呈渾濁黏稠狀，SS很高。疏浚泥漿在圍堰中自然沉降后，大部分懸浮物質被有效沉降截留，SS急劇下降，從39 755～45 356 mg/L降至圍堰余水出口處的1 237～1 656 mg/L；余水經排水溝導流排入河道，SS繼續發生自然沉降，降至824～1 021 mg/L，為GB 3838—2002中Ⅲ類標準限值的10倍以上，超標倍數較大。

2.1.2 余水SS隨吹填時間的變化

對圍堰吹填施工過程中余水SS進行連續采樣，分析SS隨吹填時間的變化規律，結果如圖3所示。由圖3可見，余水SS檢測值隨吹填時間的延長急劇升高。在吹填后期，堆場空間逐漸被淤泥占滿，難以保證淤泥顆粒的沉降條件，余水中攜帶大量泥沙排入河道。因此，對于航道疏浚工程中圍堰余水的SS處理具有重要意義。

圖3 余水SS隨吹填時間變化Fig.3 Change of SS content in tail water with dredging time

圖4為典型堆填場內落淤過程的概化模型。由圖4(a)可見，在圍堰施工前期，即落淤過程剛開始，粗顆粒主要在堆場靠近進水口處沉降，當泥漿推流到出水口時，大部分粗顆粒已經落淤完成，只有少量細顆粒(膠體、黏粒和部分黏粉顆粒)會隨余水排出；由圖4(b)可見，在圍堰施工后期，由于落淤時間增加，堆場內沉降淤泥依靠重力沉降固結，沉降固結趨勢從進水口到出水口依次減弱，一定時間后，堆填場內剩余空間不能滿足粗顆粒的沉降時間要求，導致圍堰余水中粗顆粒逐漸增加，SS濃度明顯升高。與SS濃度隨吹填時間的增加而明顯增加(見圖3)的規律相符。

注：粒徑a>粒徑b>粒徑c>粒徑d>粒徑e>粒徑f，概化模型旨在定性描述，不對粒徑進行定量分析。

圖4堆填場落淤概化模型
Fig.4 Generalized model of sedimentation in dredging

2.2 室內混凝沉降小試結果

不同混凝劑投加量下，混凝結束后余水上清液中SS質量濃度變化見圖5。由圖5可見，隨著PAC投加量的增加，余水上清液中SS濃度呈先快速下降后逐漸平衡的趨勢，PAC最佳投加量為39 mg/L，此時余水上清液SS質量濃度為25 mg/L。隨著FeCl3投加量的增加，余水上清液中SS呈快速下降后緩慢上升，最后明顯增加的趨勢，FeCl3最佳投加量為17 mg/L，此時上清液SS質量濃度為44 mg/L。相比而言，FeCl3對SS去除效果不夠穩定，可能的原因是離子型無機混凝劑主要通過破壞膠體顆粒間的靜電斥力發生聚集沉降，當混凝劑投加量過少時，不足以中和膠體表面電荷，膠體間靜電斥力使膠體不能發生凝聚；但過量投加混凝劑將導致絮體發生脫穩，重新穩定分散在溶液中[8-10]。

圖5 混凝劑投加量與上清液SS質量濃度的關系Fig.5 Relationship between flocculating agent dosage and the SS content in upper liquid

在自然沉降及最佳混凝劑投加量下，余水上清液中SS隨不同沉降時間的變化見圖6。

圖6 不同沉降時間下上清液SS質量濃度Fig.6 SS content in upper liquid after different time of flocculation

由圖6可見，自然沉降條件下，余水上清液SS濃度遠大于投加混凝劑后余水上清液，這是由于混凝劑與余水中顆粒物結合在一起，單個顆粒質量增加，根據斯托克斯公式，粗顆粒快速沉降，細顆粒沉降速度緩慢[11]。

沉降前5 min，FeCl3的混凝效果稍好于PAC，余水上清液SS從1 520 mg/L下降至730 mg/L，而投加PAC 5 min后，余水上清液SS下降至808 mg/L。5 min后，PAC的混凝效果好于FeCl3。投加PAC、FeCl3沉降60 min時，余水上清液SS分別為21、57 mg/L，沉降120 min時，余水上清液SS分別為16、40 mg/L。這是由于PAC由形態多變的多元羧基絡合物組成，相比于低分子結晶鹽的傳統無機混凝劑，PAC混凝沉降效果更好，有效期更長。

2.3 余水SS混凝沉降現場中試結果

混凝沉降現場中試試驗結果見表3。可見，自然沉降條件下，沉降10 min時，余水SS最小，平均值為726 mg/L；沉降120 min時，余水SS最大，平均值為1 039 mg/L。自然沉降條件下SS濃度在沉降后期稍有增加，其主要原因為余水進入儲水池后，由于連續進水造成擾動，使部分黏粒無法得到有效沉降，甚至會有擾動后的釋放現象。FeCl3、PAC對余水均有較好的混凝效果。對比5、120 min的SS含量可以看出，實際工程處理時，混凝劑產生作用的時間基本上在5 min左右即可完成，這說明圍堰余水中SS膠體和黏粒與FeCl3及PAC能在較短時間內產生良好的混凝反應，工程實際利用效果均良好。

2.4 經濟性評價

以實際處理工程量分析最佳投加量及環境功能區達標要求下的PAC與FeCl3費用，對兩種混凝劑的經濟性進行評價。

2.4.1 最佳投加量下的經濟性評價

表3 混凝沉降現場中試試驗結果

根據室內混凝沉降小試結果，PAC、FeCl3投加量分別為39、17 mg/L時混凝效果最佳，在此投加量下的混凝劑費用計算見表4。可見，處理同一批次圍堰余水，采用PAC、FeCl3所需要的混凝劑費用分別為20.5、15.0元/h。

表4 最佳混凝效果下的混凝劑費用

2.4.2 環境功能區達標要求下的經濟性評價

湖西航道執行GB 3838—2002中的Ⅲ級標準，據此可知，余水SS排放限值為70 mg/L。根據室內混凝小試試驗結果，當PAC投加量為20 mg/L，FeCl3投加量為9、42 mg/L時余水能夠達到排放標準，基于處理成本考慮，FeCl3投加量以8 mg/L計算，據此計算得到的混凝劑費用見表5。

表5 環境功能區達標要求下所需藥劑費用

綜上所述，當分別以最佳混凝效果及污染物排放達標為評價目標時，FeCl3的處理費用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費用分別為20.5、10.5元/h，FeCl3的經濟性均優于PAC。

3 結 論

(1) 京杭運河湖西航道疏浚工程圍堰余水SS含量較高，對于該工程中圍堰余水進行室內混凝小試試驗，結果表明，FeCl3和PAC均能有效降低余水中SS含量，FeCl3、PAC的最佳投加量分別為17、39 mg/L。FeCl3和PAC在最佳投加劑量下，SS濃度下降趨勢均隨時間增加而增強，前5 minFeCl3的混凝效果比PAC好，5 min后PAC的混凝效果更佳。

(2) 實際工程處理中，FeCl3和PAC均能在5 min內對圍堰出口余水中SS產生較佳的混凝沉降效果，與自然沉降相比，余水入河口處SS大幅降低。當以混凝劑最佳投加量及污染物排放達標為評價目標時，FeCl3的處理費用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費用分別為20.5、10.5元/h，FeCl3的經濟性均優于PAC。

[1] 陳云敏,施建勇,朱偉,等.環境巖土工程研究綜述[J].土木工程學報,2012,45(4):165-182.

[2] 雷曉玲,丁娟,雷雨.疏浚過程中的環境影響分析及其對策研究[J].環境工程,2015,33(2):140-142.

[3] 李沖,呂志剛,陳洪齡,等.河湖疏浚淤泥的表征、絮凝和脫水[J].環境工程學報,2013,7(2):737-742.

[4] SON M,HSU T J.The effect of variable yield strength and variable fractal dimension on flocculation of cohesive sediment[J].Water Research,2009,43(14):3582-3592.

[5] GUO Lisha,ZHANG Daijun,XU Danyu,et al.An experimental study of low concentration sludge settling velocity under turbulent condition[J].Water Research,2009,43(9):2383-2390.

[6] 張德茹,梁志勇.不均勻細顆粒泥沙粒徑對絮凝的影響試驗研究[J].水利水運科學研究,1994(增刊1):11-17.

[7] 錢寧.泥沙運動力學的發展與前瞻[J].力學進展,1979,9(4):1-13.

[8] 范楊臻,楊國錄,劉林雙.AlCl3、FeCl3和有機物顆粒對淤泥絮凝沉降特性影響[J].節水灌溉,2011(8):12-16.

[9] 陳洪松，邵明安.AlCl3對細顆粒泥沙絮凝沉降的影響[J].水科學進展,2001,12(4):445-449.

[10] 孫雨涵,周曉朋,李怡,等.濱海淤泥質吹填土泥漿絮凝脫水試驗研究[J].水道港口,2015,36(4):345-349.

[11] 王玉.水處理絮凝體的分形與沉降特性試驗研究[D].武漢：華中科技大學,2006.

Thefiledstudyonthepollutioncharacteristicsandpurificationeffectoftailwaterindredgingslurry

WANGLei1,2,CAOYali1,2,YINChengqi1,2,XUXueji1,2,FEIXiaotong1,2.

(1.ChinaDesignGroupCo.,Ltd.,NanjingJiangsu210014; 2.JiangsuProvinceResearchCenterofEnvironmentProtectionEngineering&TechnologyinCommunicationandTransportation,NanjingJiangsu210014)

The tail water from dredging engineering contained large amount of gel and fine particulate matters,directly discharge of tail water would caused environmental hazard to receiving water body. Relying on dredging project in the Huxi Waterway of Grand Canal,field test were studied to analyze the effect of polymeric aluminium (PAC) and FeCl3on SS removal from tail water of cofferdam. The study found that the SS content in tail water was very high,and it increased with the increasing of dredging time. The indoor coagulation experiments showed that PAC and FeCl3could removal SS in tail water effectively,the best dosage of PAC and FeCl3were 39,17 mg/L. Under the optimal dosage of two flocculating agent,the effect of flocculation enhanced when the flocculation time increased,and within the first 5 min of flocculation,the effect of FeCl3was better than that of PAC,while PAC performed much better than FeCl3after 5 min of flocculation. The pilot test showed that both two kinds of flocculants had good performance of SS sedimentation in a relatively short period. The most economical flocculant was FeCl3,on the best processing efficiency and pollutant emission standards as the goal,the treatment cost of FeCl3was 15.0,8.0 yuan/h,for PAC was 20.5,10.5 yuan/h,respectively.

dredging slurry; tail water; SS; flocculating agent； purification

2016-12-15)

王 磊，男，1982年生，碩士，工程師，主要從事水環境保護設計及研究工作。#

。

*江蘇省交通科學研究計劃項目(No.2013Y16)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.010