新型低堿性淤泥改性劑脫水固化技術研究*

陳文峰，夏新星，李世汩，黃 躍

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；3.中交二航局市政建設有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

隨著我國水環境治理進程的加快，大量河湖清淤疏浚的淤泥處理受到越來越多的關注，高含水率疏浚淤泥的脫水固化是清淤淤泥處理的重要途徑，對提升水環境治理效率，節約土地資源具有重要意義[1]。機械脫水法是淤泥脫水較常用的方法，工程應用廣泛，采用物理或化學方法改善清淤淤泥脫水性能，是提高淤泥機械脫水固液分離效果，實現淤泥處理和資源化利用的基本措施[2]。

大量研究和工程實踐發現，有機聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化鋁(PAC)和聚合氯化鐵(PFC)等絮凝劑能有效改善淤泥沉降和脫水效率[3]，藥劑復合調理比單一藥劑調理效果更好。PAC，PAM等絮凝藥劑常與粉煤灰、水泥、石灰等改性劑聯用，以進一步優化淤泥機械固結脫水效率[4-6]。其中，粉煤灰、水泥、石灰等無機固化劑類調理藥劑有較好的脫水改性效果[2,7]，但其高堿性造成脫水尾水、泥餅堿性普遍偏高(pH>12)，需進行二次處理才能排放或利用，不符合當前低碳環保的理念[8-9]。采用工業廢棄物生產低堿性的淤泥改性劑，實現較高淤泥脫水效率的同時，消納工業固體廢棄物，替代傳統水泥、石灰，具有積極的環境效益和市場前景[10]。

本研究以棗陽沙河清淤工程的淤泥為研究對象，采用一種低堿性淤泥改性劑與PAC，PAM聯合復合調理淤泥，開展淤泥深度脫水固化研究。將工程常用的粉煤灰、常規淤泥改性劑與低堿性淤泥改性劑進行板框壓濾脫水試驗，對比研究脫水效率差異，分析不同藥劑組合下尾水、泥餅變化，揭示微觀機理。以期為淤泥板框脫水處理工藝提供低堿性解決方案，為淤泥處理和資源化利用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗淤泥取自棗陽沙河清淤工程，經篩網篩分去除垃圾和大顆粒礫石，自然排出表層淤泥沉降后的自由水后堆放于淤泥池內。經測定淤泥含水率為62%～65%，有機質含量為8.5%，pH值為7.5。PAM藥劑為白色粉末，陰離子型，分子量為500～800萬。PAC藥劑為黃色粉末，主要有效成分為Al2O3，含量>28%。自行研制的低堿性淤泥改性劑以低堿性工業廢棄物鋼渣、磷石膏為主要原料，搭配水泥混合后得到，外觀為灰色粉末，具有低堿性。

本試驗定制了板框壓濾脫水試驗平臺，平臺主要包括淤泥攪拌罐、藥劑攪拌罐、螺旋式給料機、污泥進料泵和板框壓濾機，其中污泥進料泵采用了氣動隔膜泵，平臺能實現淤泥調理和板框壓濾的功能。試驗板框型號為XMGY3/870-30U，板框尺寸為0.8m×0.8m，共有4塊板框，最大進料壓力為0.7MPa，最大壓榨壓力為1.3MPa。

1.2 試驗方法

1.2.1板框壓濾機最優工作條件試驗

為確定板框壓濾機針對試驗淤泥的合理工作參數，采用PAC，PAM對淤泥進行調理和壓濾脫水試驗。根據文獻調研及前期工程實踐結果，試驗淤泥調理使用 PAC，PAM 溶液質量百分比分別為10%，0.25%，投加量分別為0.300%，0.012%[2,7]。將試驗淤泥含水率調整到80%，85%，90%，攪拌10min進行淤泥均化，投入PAC，PAM組合藥劑進行調理，測定不同含水率淤泥的進料速率，并觀察壓濾機的脫水工況，得到板框壓濾的合理工藝參數。

1.2.2不同調理藥劑對脫水效果的影響

確定板框壓濾工作參數后，在加入PAC，PAM調理的基礎上，加入不同摻量的低堿性淤泥改性劑對淤泥進行復合調理，研究不同摻量低堿性淤泥改性劑對淤泥脫水的影響。另外，分別開展低堿性淤泥改性劑、粉煤灰及市售常規淤泥改性劑的淤泥調理試驗，具體淤泥調理方案如表1所示。

表1 板框壓濾淤泥調理方案

針對各組試驗，分別收集不同藥劑調理壓濾后形成的泥餅，置于室內堆放晾干，監測靜置堆放泥餅pH值的變化；對各組泥餅分別進行X射線衍射(XRD)分析，以了解泥餅的礦物組分差異。

1.3 分析方法

采用質量法測定淤泥及泥餅的含水率，泥餅pH值的測定按土水比1∶2.5提取后用pH計測定上清液pH值；污泥比阻采用布氏漏斗法測定。樣品粒度組成采用激光粒度儀進行測定。泥餅樣品的表面形貌由Sigma HD型場發射掃描電子顯微鏡獲得，結合EDS能譜分析樣品基本元素含量。泥餅采用德國Bruker AXS D8-Focus X射線衍射儀進行XRD測試。水中重金屬含量采用ICP-OES進行測定。

2 試驗結果分析

2.1 過濾-壓濾參數試驗

為確定試驗淤泥板框壓濾的工作參數，對淤泥采用PAC，PAM調理和板框壓濾，得到板框壓濾進料過濾段和壓榨固結段的參數。在保證設備正常運行、兼顧進料效率的情況下，采用0.5MPa進料壓力，此條件下進料淤泥含固量隨時間變化曲線如圖1所示。此條件下，進料45min后，淤泥進料量增長趨于停滯，因此將試驗進料時間設為45min。壓榨段壓力設為0.9MPa以延長設備壽命，并達到較好的脫水固結效果。此條件下壓榨段壓濾尾水排放隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知，壓榨時間為10min時，尾水流量降低到約0.15L/min，此時尾水表現為滴出狀態，因此壓榨時間確定為10min。

圖1 進料淤泥含固量隨時間變化曲線

由圖1可知，淤泥含水率越高，進料速率越快。清淤工程上岸原泥含水率普遍>90%，經過簡單濃縮后，含水率能降低到85%左右，結合圖1，2結果，將板框壓濾的工作參數確定為：進料淤泥含水率85%，進料壓力0.5MPa，進料時間為45min，壓榨壓力0.9MPa，壓榨時間10min。

2.2 調理藥劑加藥量影響

不同低堿性淤泥改性劑摻量下淤泥脫水試驗結果如表2及圖3所示。隨著低堿性環保改性劑使用量的增加，淤泥進料速率和進料量并未明顯提高，尾水pH值逐漸升高，為7～10，不同摻量下泥餅的含水率和厚度等指標相差不大。與常見的石灰和水泥調理藥劑相比，該藥劑雖有顯著低堿度特征，仍應適當控制摻量[2,7]。0.25%，0.5%及1%的進料曲線十分接近，但0.5%，1%的加藥量下尾水pH>9，泥餅pH>8，說明0.25%低堿性環保改性劑加藥量可達到較好的改性脫水效果，同時也較好地控制了尾水與泥餅pH值的上升。改性劑的主要成分磷石膏礦物組成以二水石膏為主，自身呈現弱酸性，能中和堿性的礦渣和水泥[11]。

表2 不同低堿性淤泥改性劑摻量下淤泥脫水試驗結果

圖3 不同調理藥劑下淤泥進料情況

2.3 調理藥劑對淤泥比阻的作用

不同調理藥劑下淤泥比阻測定結果如表3所示，未調理淤泥的淤泥比阻高達1.92×1011s2/g，屬于難過濾淤泥；使用PAC和PAM組合、0.25%摻量低堿性環保改性劑等調理，淤泥比阻明顯下降，減少了過濾阻力。不同調理藥劑摻量下淤泥進料體積隨時間變化曲線如圖4所示。

表3 不同調理藥劑下淤泥比阻測定結果

圖4 不同調理藥劑摻量下淤泥進料體積隨時間變化曲線

由圖4可知，各試驗組初始進料速率均較快，隨后出現分化。相比于PAC+PAM組，低堿性淤泥改性組進料速率提高約15%，但與粉煤灰組和常規淤泥改性劑組差異不顯著，3種調理藥劑中，常規淤泥改性劑組進料速率相對最好。

2.4 不同調理藥劑脫水效果

不同調理藥劑處理后泥餅與尾水pH差異明顯，在0.25%加藥比例下，添加低堿性環保改性劑后，壓濾尾水的pH值為7.14，相對于PAC+PAM組升高0.3。使用粉煤灰組合藥劑試驗組尾水的pH值為7.98，這是由于粉煤灰自身呈弱堿性。常規淤泥改性劑組尾水的pH值高達9.98，反映出顯著的高堿性特征，這與其生石灰和水泥成分較多有關。

對比3種調理藥劑，常規淤泥改性劑具有進料速率快的優勢，然而尾水pH過高，不滿足環保排放標準。粉煤灰和低堿性環保改性劑控制使用量的情況下，能達到環保排放標準且進料速率較高，粉煤灰組含水率高于低堿性環保改性劑，可見低堿性改性劑具有較好的脫水性能。PAC的最佳工作pH值為5～9，低堿性淤泥改性劑與PAC工作范圍相近，有利于PAC發揮改善脫水性能作用。

通過單塊脫水泥餅含固率對比分析不同調理藥劑的脫水效率。相對于不使用藥劑調理淤泥，PAC+PAM組單塊泥餅含固量提升27.2%；低堿性環保改性劑組單塊泥餅含固量提升了38.3%，且與粉煤灰組、常規淤泥改性劑組泥餅量相當(見表4)。可見，低堿性環保改性劑可顯著提升淤泥脫水固化效率。

表4 不同調理藥劑下泥餅及淤泥質量

不同調理藥劑處理泥餅pH隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可知，常規淤泥改性劑pH隨時間迅速下降，粉煤灰組、低堿性淤泥改性劑組下降較緩慢，而原泥組和PAC+PAM組pH基本未明顯變化。一般認為這種變化與空氣中二氧化碳的中和作用有關，較低pH的泥餅基本不受影響。

圖5 不同調理藥劑處理泥餅pH隨時間變化曲線

2.5 調理藥劑脫水固化機理討論

各組泥餅的XRD圖譜如圖6所示。由圖6可知，試驗淤泥的主要礦物組分為石英、高嶺石和伊利石等黏土礦物，PAC+PAM調理泥餅礦物組成未明顯變化。低堿性改性劑、粉煤灰與常規淤泥改性劑組泥餅出現少量水化硅酸鈣、水化硅鋁酸鈣、氫氧化鈣和氫氧化鎂鋁等礦物，表明淤泥調理后發生水化反應，生成硅酸鹽、碳酸鈣等礦物骨架，改善淤泥脫水性能，提高泥餅強度[8]。通過峰的強弱可知，粉煤灰和低堿性淤泥改性劑組的氫氧化鈣等強堿性組分含量低于常規淤泥改性劑，導致其尾水和泥餅堿性更低[12-13]。空氣中的二氧化碳在泥餅堆肥過程中，能與其中的氫氧化鈣等堿性物質發生中和反應，進一步降低泥餅pH。

圖6 調理后泥餅XRD圖譜

3 結語

1)新型低堿性淤泥改性藥劑能與常用的PAC，PAM發揮較好的復合調理作用，有效降低脫水淤泥比阻，改善脫水性能。

2)相比粉煤灰、常規高堿性淤泥改性藥劑，新型低堿性淤泥改性劑在達到同等調理效果的同時，尾水和泥餅pH值可控制在較低范圍，無需二次處理，降低了淤泥脫水固化總成本，有效克服了傳統固化劑堿性過高的缺陷。

3)新型低堿性淤泥改性劑在對鋼渣、磷石膏等工業廢棄物進行資源化利用的基礎上，為淤泥脫水固化工程提供了低堿性解決方案。