固化劑使用量對淤泥脫水效果的影響

詹 浪 雍永震 張建宇 劉 銳 李彩青

中國建筑第八工程局有限公司西南公司 四川 成都 610041

在城市大型湖泊綜合治理工程中，“外源控制、內源治理、水生態修復”的成套治理思路得到了廣泛的認同。在內源治理實施過程中，常采用板框壓濾機對淤泥進行脫水固化。本文以武漢南太子湖淤泥脫水固化為例，通過對不同固化劑使用量對淤泥脫水效果的影響進行分析，探討固化劑使用量對板框壓濾機脫水效果的綜合影響。

1 工程概況

武漢南太子湖藍線內面積約357.1 hm2，匯水面積約 16.32 km2，藍線長度約14.1 km，湖底絕對高程約17.50 m，高水位時水深約1.70 m，規劃常水位絕對高程18.65 m，規劃控制最高水位絕對高程19.15 m。清淤面積238.69 hm2，平均清淤深度0.30～0.60 m。

2 淤泥的成分及性質

2.1 淤泥成分

淤泥由液體和固體兩大部分組成，淤泥處理的目的就是將淤泥中的水分盡量脫除，減少淤泥的體積，從而為后續淤泥的無害化處理提供經濟可行的基礎條件[1-4]。

淤泥濃縮和脫水的作用是去除淤泥中的大量水分，從而得到淤泥體積上的減量。淤泥經過濃縮和脫水處理，含水率從99.3%左右降至40.0%左右，其體積降至原體積的1/8左右，有利于運輸及后續處理。

不同含水率下的淤泥相態有所不同，淤泥具體相態如表1所示。

表1 淤泥含水率及其相態

2.2 淤泥的性質

雖然不同淤泥的含水率、脫水性能、濃縮性能和可壓縮性能都不盡相同，但是淤泥中水分的存在形式基本一致。根據水分與淤泥的結合情況，淤泥中所含水分可分為自由水與結合水兩大類。自由水指的是不直接與淤泥結合，也不受淤泥顆粒影響的一部分水，這部分水可通過濃縮去除，淤泥中大部分水以這種形式存在。結合水可以分為間隙水、毛細水、水合水（表2）。間隙水存在于絮體或有機體的空隙之間，條件變化時（如絮體破壞）可變成自由水；毛細水指的是結合力大、結合緊的多層水分子，重力濃縮時不能去除這部分水，必須用人工干化、機械脫水或熱處理的方法去除；水合水存在于細胞內，只有熱處理才能去除這部分水。

表2 結合水的特性

對不同淤泥而言，各種水分的結合能力不同，其結合強度取決于單位水化合力和淤泥顆粒的大小。淤泥顆粒直徑越小，淤泥結構中細小絮體越多或者淤泥中含有越多的膠體顆粒，淤泥就越難脫水。

3 淤泥脫水處理實施過程

3.1 淤泥調理

板框壓濾機脫水進泥的最佳含水率為93%～97%，因此，可利用含水率99%左右的淤泥經過離心脫水和加入固化劑，調理至合理的含水率范圍后，采用板框壓濾機脫水。

目前采用的比較成熟的板框壓濾機脫水的淤泥固化劑有以下2種：

1）“石灰＋鐵鹽”。石灰和淤泥水中的重碳酸鈣生成的碳酸鈣顆粒結構能增加淤泥的孔隙率，促進泥水分離。鐵鹽的作用是絮凝，通過電中和以及吸附，改變淤泥的親水性。

2）“聚丙烯酰胺（PAM）＋鐵鹽”。由于采用石灰作為固化劑時會增加干固體總量，導致出泥量增加，而且采用石灰作為固化劑，工作環境會受影響，因此南太子湖項目采用“PAM＋鐵鹽”作為固化劑進行淤泥處理。

3.2 板框壓濾機處理過程

疏浚泥漿經接力泵站輸送至脫水站后，先經過振動篩過濾，再輸送至沉淀池。泥漿經重力沉淀后，泵入均質池。淤泥在均質池中加入固化劑攪拌均勻后，通過變頻螺桿泵及附屬連接管路輸送至板框壓濾機壓濾。

進料泵進料是個進泥保壓的過程，通過變頻控制，進料過程中的濾液通過四角的濾液孔排走。

進料結束后，開始壓濾過程，壓濾是為了進一步降低泥餅含水率。壓濾時，通過擠壓相鄰2塊濾板之間的泥餅來達到降低泥餅含水率的目的。

壓濾結束泄壓后需要進行中心回吹，使中心進料管道中未過濾的含水率較高的淤泥回流到淤泥回流管中。

沉淀池中的濾液經過處理達標后排入湖中，板框壓濾機的濾出液經處理達標后排入市政管網。脫水泥餅通過無軸螺旋輸送機可直接裝車轉運至臨時堆放場暫存，并定期組織外運[5-8]。

4 脫水試驗

4.1 取樣

試驗用淤泥取自南太子湖漁場附近，底泥有機質的質量分數在15%～20%之間。底泥的含固率在20%～25%之間，中值粒徑約15 μm，底泥密度1.2 g/cm3。

4.2 泥漿含固率對固化劑脫水效果的影響試驗

1）試驗用固化劑為“質量分數5%的鐵鹽（聚合硫酸鐵）＋質量分數0.1%的PAM”。

2）將本試驗淤泥分別配成含固率為7%、14%、21%、28%、35%的泥漿，置于燒杯中。投入定量鐵鹽快速攪拌3 min后，再加入PAM攪拌至出現明顯的絮凝現象，記錄下PAM的使用量，并對上清液的水質進行分析。

3）試驗結果及分析。不同含固率泥漿達到明顯絮凝時的PAM使用量如圖1所示。

圖1 不同含固率泥漿明顯絮凝時的PAM使用量

由圖1可知，隨著泥漿含固率的上升，絮凝反應逐漸變得困難，絮凝劑使用量的增加遠遠大于泥漿含固率的增加，泥漿含固率達到35%時，肉眼難以觀察到明顯的絮凝反應。觀察上清液水質，發現含固率為7%和14%的泥漿上清液非常清澈，含固率21%的泥漿上清液濁度有所上升，含固率28%的泥漿上清液已經有明顯的渾濁狀。這是因為泥漿含固率達到一定程度時，泥漿中自由水的比例較低，不利于固化劑在水中伸展開分子鏈，進而無法與固體物質發生聚合反應，而泥漿中的固體部分也會對沉降造成影響。降低泥漿含固率對固化的過程是有利的，但泥漿含固率過低，會給整個脫水固化工藝帶來很大的負擔。因此，選擇合適的泥漿含固率非常重要。根據所取泥樣的分析，泥漿含固率應控制在14%左右。

4.3 固化劑使用量對脫水效果的影響試驗

1）將本試驗淤泥配成含固率為14%的泥漿，并置于燒杯中。

2）加入不同量的鐵鹽快速攪拌3 min后，再加入不同量的PAM，慢速均勻攪拌10 min后，取混合液1 000 mL倒入量筒中，每隔一段時間，記錄下泥水分離界面的體積讀數，并觀察上清液的清濁程度。待沉降基本穩定后，記錄此時的淤泥體積，并對上清液的水質進行分析。

3）試驗結果及分析。

① 鐵鹽使用量對脫水效果的影響。試驗用固化劑為“PAM＋鐵鹽”。試驗中鐵鹽的使用量分別為0、70、140、210、280 mg/L，PAM統一采用100 mg/L。觀察鐵鹽使用量對泥漿脫水效果的影響，試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，使用固化劑可以顯著提高泥水分離的速度。在鐵鹽使用量為0、70 mg/L時，泥水分離速度較慢，2 h后泥面降到原來的65%～70%；鐵鹽使用量為140 mg/L時，泥水分離速度明顯加快，2 h后泥面降低到原來的50%左右；鐵鹽使用量達210 mg/L時，在前30 min就可以完成大部分的泥水分離，并且上清液清澈，1 h后泥面降到原來的40%，之后沉降速度逐漸變緩；繼續增加鐵鹽使用量，泥水分離速度沒有明顯增加，并且上清液逐漸變成紅色。

圖2 鐵鹽使用量對脫水效果的影響

② PAM使用量對脫水效果的影響。試驗中鐵鹽使用量為140 mg/L，PAM使用量分別為0、70、140、210 mg/L。觀察PAM使用量對脫水效果的影響，試驗結果如圖3所示。從圖3可以看出，在鐵鹽使用量相同的情況下，PAM的使用量越高，脫水速度越快。在PAM使用量為0 mg/L時，泥水分離速度較慢，2 h后泥面降到原來的65%～70%；PAM使用量為140 mg/L時，泥水分離速度明顯加快，2 h后泥面降低到原來的50%左右；PAM使用量達210 mg/L時，在前30 min就可以完成大部分的泥水分離，并且上清液清澈，1 h后泥面降到原來的40%，之后沉降速度逐漸變緩；繼續增加PAM使用量，泥水分離速度沒有明顯增加。

圖3 PAM使用量對脫水效果的影響

5 結語

1）泥漿含固率對脫水固化效果有明顯影響，當泥漿含固率低于20%時，脫水效果明顯；當泥漿含固率超過35%時，很難發生明顯絮凝反應。

2）南太子湖所用的PAM＋鐵鹽的固化劑可以顯著提高泥水分離的速度。鐵鹽可以改善絮凝效果，提高出水水質，并有利于減少PAM的使用量；在鐵鹽使用量相同的情況下，PAM使用量越多，脫水速度越快。PAM使用量達到一定程度后，再加大使用量，脫水速度提升效果不明顯。