化學藥劑對水電工程砂石系統生產廢水泥渣脫水特性影響研究

龔本洲 王鈺捷 張志勝 陳雯 李亮

摘要：為了有效處理砂石系統生產的廢水泥渣，避免其對生態環境的破壞，采用PAC、PAM、FeCl₃、CaO、PAC+PAM、PAC+CaO、PAM+CaO處理泥渣，研究泥渣脫水性能。結果表明：PAM+CaO聯合投加對改善泥渣脫水特性效果最好;當CaO投藥量為0.59%、PAM投藥量為0.012%時，比阻較不投加化學藥劑條件下減小了40%。通過壓濾試驗，不投加藥劑條件下，泥餅厚度僅3mm，且無力學強度，泥餅含水率25%;PMA和CaO聯合投加條件下，泥餅厚度可達14mm，并具有一定力學強度，泥餅含水率僅為22%。研究成果可為今后國內外砂石項目的建設運營提供借鑒。

關鍵詞：砂石廢水泥渣;脫水性能;比阻試驗;壓濾試驗;化學藥劑

中圖法分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0048-05

1研究背景

在水電站工程施工中，大規模混凝土所需的砂石骨料普遍采用人工制取的方式提供。為確保混凝土質量，在人工砂石骨料加工過程中，處理砂石料中的泥土雜質是一個重大課題，較成熟的方法是采用大量潔凈水對砂石料進行清洗，將骨料的泥渣及石粉含量控制在規范規定的范圍內，從而產生相應排放量的高懸浮物廢水。水電站施工期砂石加工系統生產廢水中主要污染物成分為懸浮固體，廢水中SS質量濃度一般高達30000～100000mg/L，有的甚至更高（視料源及加工工藝不同而變）。若不作任何處理直接排放，砂石加工系統的廢水，將會破壞施工區生態環境，造成河道淤積，河床抬高，進而影響水生生物的生存環境。

砂石加工系統廢水處理過程中會產生大量泥渣，由于砂石廢水泥渣量極大，泥渣未經處理直接進入脫水設備，導致脫水設備運行效率低、泥渣脫水效果差。本文以石料加工系統生產廢水泥渣為研究對象，探求不同化學藥劑對水電工程砂石加工系統生產廢水泥渣脫水特性的影響。

2試驗方法

2.1比阻試驗

比阻測定試驗裝置詳見圖1，根據Carman公式，在壓力一定的條件下過濾時，t/V與V成直線關系：

在直角坐標系中，以V為橫坐標，t/V為縱坐標，對實測數據進行線性回歸，求解斜率b，再利用式（2）求得比阻r。

2.2泥渣脫水試驗

試驗采用廂式壓濾機（濾板為隔膜板，規格1m×1m），研究在調理劑作用下不同含固率泥樣脫水能力，脫水試驗裝置如圖2所示。

為模擬工程現場前端加藥的時間條件，先向原水樣中投加藥劑，等其沉降后，將一部分清水排出，使其達到指定的含固率。

假設原泥的重量為M₁，含固率為ω₁，排出水后泥的重量為M₂，指定的含固率為ω₂，由于排出的只有清水，泥樣前后所含的干泥總重是不變的，因此有：

3泥渣脫水特性試驗

比阻試驗表明，白鶴灘水電站三灘泥渣脫水性能良好。本節采用小型廂式壓濾機進行泥渣脫水試驗，壓濾機試驗的主要工作參數有壓濾時間、壓濾壓力和進漿濃度等。每組試驗將分別測定壓濾后的泥餅厚度、含水率及尾水SS等指標。

一般認為，污泥比阻值在1×10¹²～4×10¹²m/kg之間時進行機械脫水較為適宜。對無機高分子、有機高分子和無機鹽等不同種類調理劑及其投藥量進行比阻試驗，篩選出適宜的藥劑，可供泥渣脫水能力試驗參考。

白鶴灘水電站三灘原水樣沉降濃縮加藥量與泥渣比阻試驗加藥量轉換如表1所示（加藥量為藥劑質量與干泥質量之比）。比阻試驗泥渣采用原水樣沉降濃縮后的底部泥漿，以期模擬沉淀池沉降分離過程。因此調理劑投加量即為原水樣絮凝沉降投藥量，投加不同調理劑條件下泥渣比阻值如表2所示。

（1）PAC、PAM、FeCl₃、CaO單獨投加條件下，比阻較不投加調理劑均有不同程度地增大，其中PAM在0.006%投加量條件下比阻增大幅度最大，較不投加調理劑增大520%。

（2）PAC+PAM和PAC+CaO兩種聯合投加方式條件下，比阻較不投加調理劑均有不同程度增大，最高增幅244%。

（3）PAM+CaO聯合投加條件下，當CaO投藥量為0.59%時，比阻較不投加調理劑減小40%;當CaO投藥量增大時，比阻較不投加調理劑稍有增大。這表明PAM和CaO聯合投加有利于泥渣脫水。

壓濾試驗條件如表3所示，壓濾試驗結果如表4、圖3和圖4所示。

（1）不投加藥劑條件下，壓濾尾水渾濁，泥餅厚度僅3mm，且無力學強度，泥餅內部和表面含有較多附著水，含水率25%。

（2）PMA和CaO聯合投加條件下，壓濾尾水TSS 32mg/l，泥餅厚度可達14mm，并具有一定的力學強度，泥餅表面附著水分較少，含水率22%。

4泥渣脫水特性分析

4.1泥渣中水分形態

污泥中水分的存在形式有多種分類，Cosenza將污泥中的水分分成兩大類：自由水和結合水。自由水是指污泥在脫水過程中，污泥中水分性質不隨周圍固體顆粒存在而發生變化的那部分水分。相對于自由水，結合水是指與固體顆粒存在相互作用力的水分。根據水分與污泥顆粒間作用力的不同，可將其分成3種。

（1）內部結合水。以化學鍵力與污泥顆粒結合的水分。

（2）表面結合水。以吸附、吸收的方式固定在固體表面。

（3）機械結合水。存在于毛細管內或者絮體內的水分。

污泥的水分分布特性與污泥的機械脫水性能關系密切。結合水越多，機械脫水越難。一般而言，不同水分形式的結合強度依次為自由水<機械結合水<表面結合水<內部結合水。與市政、工業等廢水不同，砂石加工廢水是無機懸浮物廢水，沉渣中幾乎不含有機質和微生物，內部結合水含量較少。

4.2泥渣調理機理

水電工程砂石加工廢水處理系統產生泥渣脫水難度與固體顆粒的密度和粒徑有關。密度越小的泥渣，相同重量體積越大，因此水分含量越高，脫水越困難。泥渣粒度越小，其表面積越大，結合水的水量越多，脫水越困難;泥渣粒度均勻，顆粒間空隙較大，雖然能容納較多水分，但其水分易受重力作用排除。泥渣粒度不均勻，細顆粒將充填在粗顆粒空隙中，顆粒間空隙較小，水分較難排除。

泥渣調理的目的是將無定形的膠樣污泥轉變成有空隙的物質，便于釋出其中的水分。脫水過程中使用調理劑以期改善濾液澄清度或提高過濾速度，按照其作用機理可分為介質型和化學調理劑。介質型調理劑只靠物理或機械作用來改善過濾物料，不涉及吸附作用或化學作用，是一些分散的、不同尺寸分布的固體顆粒或添加物質。在過濾過程中，它們起著過濾介質的作用，主要應用于固體顆粒小且對濾液有較高要求的場合。化學調理劑指通過吸附或化學作用改善過濾過程。

不投加調理劑條件下，泥渣比阻值在適宜直接機械脫水比阻范圍內。多種藥劑比阻試驗表明，PAM和CaO聯合投加可進一步改善泥渣的脫水性能，這也表明絮凝沉降試驗所推薦藥劑與泥渣脫水調理需求一致。

脫水試驗表明，在泥渣不進行調理的條件下，由于白鶴灘水電站三灘泥渣粒徑較小（中值粒徑約3.43μm），固體顆粒容易穿過和堵塞濾布，造成壓濾尾水水質較差，濾餅薄且無力學強度。采用CaO和PAM進行調理后，壓濾尾水澄清，泥餅較厚且力學強度較好。CaO水溶液主要成分是Ca（OH）₂，Ca²⁺和OH^-。一方面，相關研究表明水的硬度對廢水沉降有較大影響，當硬度較大時，水中Ca²⁺、Mg²⁺含量增高，這些離子可以在固體顆粒表面吸附，改變顆粒表面電位，使顆粒表面水化作用發生變化，促使顆粒凝聚。另一方面，Ca（OH）₂是一種介質型調理劑，在其表面具有吸附膠體的能力，使得形成的濾餅具有格子型結構，保持良好的滲透性，使得細顆粒不易粘附堵塞濾布;PAM通過架橋作用，細顆粒形成絮團，改變物料粒度組成，提高濾餅滲透率，加快過濾速度。

5結語

PAM和CaO聯合投加對砂石系統生產廢水泥渣脫水性能改善效果顯著。當CaO投藥量為0.59%、PAM投藥量為0.012%時，比阻從不加藥的0.85×10¹²m/kg降至0.51×10¹²m/kg。通過壓濾試驗，在PMA和CaO聯合投加條件下，泥餅厚度從不加藥的3mm增至14mm，泥餅含水率從25%降低至22%。該方法適用于砂石系統生產廢水泥渣的有效處理，從而實現生態環境保護，可為今后國內外砂石項目的建設運營提供借鑒。

（編輯：唐湘茜）