湖底泥脱水试验中絮凝剂筛选与评价

湖底泥脱水试验中絮凝剂筛选与评价

0底泥减量化方法郴州是湖南省的一个重要工业城市，也是中国古代工业基地之一。清水塘工业区是株洲工业企业的集中聚集区,其中的株洲化工厂、株洲冶炼厂、湖南智成化工有限公司、中成化工有限公司等大型化工、冶金企业为湖南乃至中国的工业发展做出了重要贡献。与此同时,也将大量的工业“三废”留在清水塘,为湘江流域的饮水和长株潭的发展留下了巨大的隐患。大湖湖泊作为清水塘地区内面积较大的内陆水域,多年来受该地区重工业的重金属污染,水系遭到严重破坏,底泥中重金属镉、砷、锌等污染较严重。2011年实施大湖重金属污染治理工程,本工程作为株洲清水塘地区先行开展的三个示范项目之一,拟对大湖内污染底泥进行疏浚清淤,计划清淤底泥量为9.8万m3。疏浚后的河道底泥含水量较高,导致其体积较大,为便于进一步处理,需对底泥进行脱水减量。目前使用的减量化方法主要有:自然干化法、机械脱水法、土工管袋脱水法等。陶君对三种方法进行了较为详细的研究,并对三种处理方法的优缺点进行了比较。根据本工程可利用土地面积较小等实际情况,选择土工管袋法进行脱水减量。但是单纯的土工管袋脱水无法满足减量化需要。王松等指出在不投加絮凝剂的情况下,土工管袋无法正常发挥作用,这是因为底泥颗粒较小容易堵塞土工管袋孔隙,而絮凝剂能使底泥中颗粒物质形成污泥絮体,更容易沉淀和形成反滤层。因此必须采用添加絮凝剂配合土工管袋对底泥进行脱水。目前可用于助凝的试剂种类较多,比较常用的有FeCl3、PAC、PAM等,但由于底泥性质的差异,很多相关研究结果差别较大。与无机絮凝剂相比,合成有机高分子絮凝剂用量少,絮凝速度快,受共存盐类、介质pH及环境温度影响小,生成污泥量也少;而且有机高分子絮凝剂分子可带—COO、—NH—、SO3、—OH等亲电基团,可具链状、环状等多种结构,利于污染物进入絮体。对于重金属的治理项目国内多采用PAM作为助凝剂以加速底泥细小颗粒的絮凝。大湖重金属污染治理工程拟采用添加PAM配合土工管袋脱水进行底泥减量化。经过市场调查发现市面上PAM种类繁多,质量和价格参差不齐。为确定大湖底泥脱水絮凝剂的最佳投加比,估算大致成本,笔者针对国内4个絮凝剂知名生产厂家提供的16种絮凝剂样品进行筛选,探索出适于大湖底泥脱水的工艺参数,为工程实践提供参考。1试验部分1.1底泥疏浚试验采集大湖周边的底泥,并调配泥水比约为1∶5的底泥试验样品,此时底泥的含水率为90%~95%,基本与大湖底泥疏浚后的含水率范围一致。1.2试验设备和药物主要仪器有烧杯、玻璃棒、量筒、秒表、漏斗、土工管袋滤布等。试验用国内4个厂家提供的16种絮凝剂小样。1.3投加量试验及优化药剂配制:配制浓度为1‰的阳离子聚丙烯酰胺(cPAM)溶液(16种)。配制泥水比为1∶5的底泥试验样品,此时底泥的含水量大约在90%~95%范围内。粗筛:取300mL底泥样品置于500mL的烧杯中,用针筒注射不同种类的絮凝剂至烧杯,同时搅拌,至出现明显矾花(搅拌后不破碎),记录絮凝剂投加量。将烧杯内的底泥倒入加有土工管带滤布的漏斗中,漏斗出水管置于量筒内,观察出水效果,并分别记录10,20,30,50,90,120s时量筒中水面的刻度。优化:选择经济性好、出水快、水质清的絮凝剂种类进行用量优化试验。方法如下:用针筒注射不同量的絮凝剂至烧杯,同时搅拌。将加入絮凝剂的底泥倒入过滤装置,并记录10,20,30,50,90,120s时的出水体积。2试验结果2.1比选试剂的确定根据试验结果(见表1),可以看出1号和4号试剂瞬间脱水速度最快,但是4号试剂用量过大,而3号试剂加药量最少(5mL),且最后的脱水速度较好。为此对1号和3号试剂进行进一步的比选,得出在絮凝剂用量相同的情况下,1号和3号试剂脱水速度相当,3号滤出的液体更加澄清,但是1号的报价为25000元/t,3号报价为28000元/t,考虑到经济性,选择1号试剂。对1号试剂进行进一步的优化,如图1所示。由图1可以看出:絮凝剂加入量为7mL时出水速度最快,因此7mL为最佳用量,此时底泥的絮凝剂浓度为23.3mg/L。平均处理每万方底泥(加水)的单价为5811元。2.2絮凝剂用量优化根据试验结果(表2),可以看出6号试剂用量省且效果最好,因此选用6号试剂并对其进行用量优化,如图2所示。由图2可看出:絮凝剂用量为10mL时出水速度最快,故选用10mL,与之对应的底泥内絮凝剂的浓度为33.3mg/L。单价为25000元/t(包括运费及税),平均处理每万方底泥(加水)的单价为8325元。2.3用量参数优化由表3可以看出:9号试剂的脱水速度最慢,且用量最高,弃之。比较10号和11号,可以看出其脱水速度相当,11号出水质量更好,故选11号。对11号进行用量优化(见图3)可以看出絮凝剂用量在11mL时脱水速度最快,故11mL效果最佳,与之对应的底泥内絮凝剂的浓度为36.7mg/L。单价为27000元/t(包括运费及税),平均处理每万方底泥(加水)的单价为9909元。2.4种外施试剂用量对底泥内絮凝剂溶液效果的影响根据表4可以看出:14号脱水速度最快,选用14号药剂并对其进行用量优化试验,结果如图4所示。由图4可以看出:10,11,12mL效果均不错,用量在11mL时2min内脱水更多,因此本试剂用量在11mL时效果最好,此时底泥内絮凝剂的浓度为36.7mg/L。单价22000元/t,平均处理每万方底泥(水)的单价为8074元。3不同絮凝剂的应用效果和成本分析本研究主要以药剂的絮凝效果和成本作为评价其优劣的指标。在本试验中絮凝效果主要表现在脱水速度快,脱出水质清。从每个供应商所提供的供试样品中选择一种效果最好的药剂,然后对选出的效果好的药剂进行经济分析,选出成本最低的絮凝剂。本试验结果显示供应商一所提供的1号絮凝剂是最经济且效果较好的药剂,平均处理每万方底泥(加水)的单价为5811元。采用此种药剂和添加量进行后续的土工管袋试验发现,脱出的水的质量,尤其是重金属污染程度明显优于原大湖湖水,说明絮凝剂不仅可以达到快速脱水减容的效果,还可以吸附、固定水体里面的重金属离子,降低二次污染风险。本研究是在絮凝剂种类确定的情况下开展的,但是阳离子聚丙烯酰胺(cPAM)种类很多,离子度不等,絮凝效果相差很大,因此即便是确定了阳离子聚丙烯酰胺作为絮凝剂,其种类的选择也是一个复杂的过程。因此在实际工程中首先要了解底泥的特性,通过跟厂家技术工程师交流确定可能适用的几种絮凝剂,然后进行上述试验,可以达到试验絮凝剂效果和估算成本的目的。本试验只是底泥脱水试验的第一阶段,本试验的结果必须经过中试放大试验进行验证和调整,才能最终作为实际工程运行的指导性参数。按照本试验得到的絮凝剂添加比例,进行中试试验,管带滤出水水质得到明显改善。其中,重金属镉和锌的含量明显下降,经絮凝沉淀和土工管带过滤后,滤出液可以直接排入附近的霞湾污水处理厂。可见,絮凝沉淀后土工管带脱水不仅可以有效的避免疏浚后底泥的二次污染,还具有捕捉重金属离子净化水质的作用。4土工管袋脱水减容技术土工管袋脱水作为一种新型的底泥脱水减容技术,具有如下优点:可进行就地脱水,减少运输费用;处理量大,能满足疏浚时大量底泥的处理;在土工管袋中进行脱水和固结,无需特殊设备,耗能小无需设备维护;不受季节影响;尺寸选择灵活,可以根据实际需要设计尺寸