袁玥 張瀚引 王偉 金林

摘要： 太湖淤泥含水量高，強度較低，壓縮變形大。本試驗在淤泥中摻入不同含量陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑，將其裝入針刺無紡土工織物上，針刺無紡土工織物濾層排水，被下層高分子超吸水聚合物吸附。試驗分別在0.01%、0.02%、0.03%濃度的陽離子型聚丙烯酰胺絮凝劑、不同布置形式下進行對比試驗。結果表明，采用雙面排水，0.02%絮凝劑的脫水效果最好，其中絮凝劑起到加速水土分離的作用，土工布（濾紙）將溶液與固體分離，有隔離的作用，超吸水能夠吸收大量水分。其脫水后淤泥的含水量由86.59%降至23.43%。

關鍵詞：太湖淤泥; 脫水固結; 絮凝劑; 試驗；超吸水聚合物；針刺無紡土工布（濾紙）

中圖分類號：TQ352.67文獻標識碼： A 文章編號：

引言：

太湖是中國最大的淡水湖泊，近年來生態(tài)環(huán)境急劇惡化，污染物從周邊地區(qū)進入湖體，漸漸形成大量的太湖淤泥，成為了太湖主要的內源污染。因此太湖淤泥的科學清除，是從根本上改善水體環(huán)境、治理太湖的關鍵所在[1]。

太湖淤泥液性指數(shù)大，承載力低，無法進行二次利用，而經(jīng)過適當處理用于工程則能變害為寶。本課題正是致力于太湖淤泥的性質與淤泥的脫水固結研究。

為了有效處理和利用淤泥，國內外的學者進行了大量的研究，不少發(fā)達國家已經(jīng)用商業(yè)化方式對淤泥進行了綜合開發(fā)利用。在我國，主要使用自然風干法，此種方法占地面積大，脫水時間長，容易造成二次污染，不適合大批量淤泥的處理。對疏浚淤泥進行固化與資源化處理，化害為利，對在國內形成一個既有發(fā)展前途的新興產(chǎn)業(yè)，具有重要的意義。絮凝作為一種簡潔高效的脫水方法被普遍地用在了淤泥脫水過程中[2]，且絮凝劑比例及淤泥含水率等性質是影響淤泥脫水固結重要因素。本文通過研究太湖淤泥水力特性，實驗加入高分子絮凝劑使淤泥脫水固結，找出絮凝劑最適合配比。

1 試驗淤泥的微觀機理及力學性質

1.1 試驗淤泥的初始含水量

1.1.1試驗材料及儀器：太湖淤泥、鋁盒、修土刀、不銹鋼盤、數(shù)顯鼓風干燥箱、電子天平。

1.1.2 試驗方法：

取三鋁盒編號并稱重，用修土刀取三土樣放入鋁盒再稱重，再放入數(shù)顯鼓風干燥箱中烘九個小時且干燥箱溫度保持在115℃，烘干后求出淤泥的自然含水量，即初始含水量。 試驗數(shù)據(jù)如下表4-1所示。

表4-1 初始含水量

由表4-1中可知淤泥的含水量比較高。

1.2 試驗淤泥的天然密度

1.2.1 試驗材料及儀器：淤泥、環(huán)刀、電子天平、修土刀。

1.2.2 試驗步驟：取6個環(huán)刀并記下編號，再將環(huán)刀放在濾紙上并稱它們質量，用修土刀取淤泥放入環(huán)刀內直至裝滿，然后在稱裝了淤泥的環(huán)刀重，最后根據(jù)環(huán)刀體積計算淤泥的密度。

具體數(shù)據(jù)如下表4-2。

表4-2淤泥的密度

1.3 試驗淤泥的界限含水量

1.3.1 試驗材料及儀器：淤泥、盛土杯、調土刀、數(shù)顯鼓風干燥箱、數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀（STYS-1）、鋁盒、電子天平、不銹鋼盤。

1.3.2 試驗方法：液塑限聯(lián)合測定法。

1.3.3 主要試驗步驟：取有代表性的天然含水量土樣進行試驗，將土樣分層裝人盛土杯中。將裝好土樣的試杯放在聯(lián)合測定儀上，得到入土深度H為9mm的土樣。重復以上步驟再得到入土深度為5-6mm和3-4mm的土樣，最后測出這三組盛土杯中土的含水量ω。并按測定結果在雙對數(shù)坐標上作出圓錐體的入土深度與含水量的關系曲線。

具體的試驗數(shù)據(jù)見下表4-3

表4-3淤泥界限含水量

1.3.4 結論:

(1)由試驗數(shù)據(jù)可得，淤泥的塑性指數(shù)Ip= 41.59，可知淤泥的塑性指數(shù)比較大，淤泥處于可塑狀態(tài)的含水量范圍較大。

(2)從土的顆粒來說,由于Ip隨著土粒的表面積增大而愈大，結合水含量愈高，所以該淤泥的土粒比較細，從而得出土粒表面積較大。

(3)從土中水離子成分和濃度來說，當水中高價陽離子濃度減少時，土粒表面吸附的反離子層中低價陽離子增加，Ip變大。所以該淤泥的土中水高價陽離子濃度較小。

(4)由試驗可知液性指數(shù)IL==1.4>1.0，故原狀淤泥處于流塑狀態(tài),說明土質很軟。

1.4 試驗淤泥的粒度分析

1.4.1試驗材料及儀器：原泥、大燒杯、試驗小勺、BT-9300H激光粒度分布儀

1.4.2試驗方法:

a.取少量淤泥加入燒杯中，再加入少量清水并攪拌至淤泥完全溶解在水中。

b.在激光粒度分析儀中加滿清水，打開分析儀讀出清水的粒度情況。

c.待清水中數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，向分析儀中加入淤泥水溶液，待軟件中溶度數(shù)據(jù)在30到59間時停止。

d.點擊測試鍵開始分析淤泥的粒度情況。數(shù)據(jù)如下表圖所示

淤泥粒度分析表

1.4.3 試驗結論：

從圖表中得到不均勻系數(shù)，可看作是均粒土，屬級配不良。

2 絮凝劑介紹

2.1有機絮凝劑

有機絮凝劑是指能產(chǎn)生絮凝作用的天然的或人工合成的有機分子物質。它包括天然高分子、合成高分子和微生物絮凝劑三大類。根據(jù)含有不同的官能團離解后粒子的帶電情況可以分為陽離子型、陰離子型、非離子型。有機高分子絮凝劑大分子中可以帶-COO-、-NH-、-SO3、-OH等親水基團，因此具有很強的吸附功能使水土分離[3]。

2.1.1合成有機高分子絮凝劑

人工合成有機高分子絮凝劑多為水溶性的聚合物,現(xiàn)已在淤泥處理中得到廣泛應用,目前應用較多的是聚丙烯、聚乙烯物質。合成有機高分子絮凝劑具有用量少，絮凝速度快，受共存鹽類、介質pH 及環(huán)境溫度影響小，生成污泥量少的優(yōu)點并且由于分子量大、官能團多的結構特點，在我國市場上占絕大優(yōu)勢。根據(jù)官能團離解后所帶電荷性質的不同,合成有機高分子絮凝劑又可以分為陽離子、陰離子型和非離子型三種，其相對分子質量從五十萬到千萬以上，這使其絮凝效果有很大的提高。在應用中常使用陽離子型的有機高分子絮凝劑，國內外對合成有機高分子絮凝劑的研究也主要集中在陽離子型有幾高分子絮凝劑上。但是由于大多數(shù)有機高分子絮凝劑本身或其水解、降解產(chǎn)物有毒，且合成用丙烯酰胺單體有毒，能麻醉人的中樞神經(jīng)，應用領域受到一定限制，因此目前絮凝劑正向廉價實用、無毒高效的方向發(fā)展。

2.1.2天然有機高分子絮凝劑

天然有機高分子改性絮凝劑是利用農(nóng)副產(chǎn)品中的天然有機高分子物質經(jīng)過化學改性而得到的。由于天然高分子改性絮凝劑具有活性基團多、結構多樣、來源豐富、價格便宜、無毒、可再生等特點,使得此類絮凝劑具有巨大的開發(fā)潛能。

2.1.3微生物絮凝劑

微生物絮凝劑是具有生物分解性和安全性的高效、無毒、無二次污染的處理劑。微生物絮凝劑目前較為普遍接受的是“架橋作用”機理: 微生物絮凝劑具有能與膠粒表面某些部分起作用的化學基因。當微生物絮凝劑與膠粒接觸時, 基團能與膠粒表面產(chǎn)生特殊的反應而互相吸附,而微生物絮凝劑的其余部分則伸展在溶液中, 可以與另一表面有空位的膠粒吸附, 這樣就起了“中間橋梁”的作用[4]。

2.2無機絮凝劑

無機絮凝劑包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等。它比較經(jīng)濟、用法簡單，但用量大、絮凝效果低，存在成本高、腐蝕性強。其作用機理是能提供大量的絡合離子，且能夠強烈吸附膠體微粒，通過吸附、橋架、交聯(lián)作用，使膠體凝聚，同時還發(fā)生物理化學變化，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，膠體微粒由原來的相斥變?yōu)橄辔?，破壞膠團穩(wěn)定性，使膠體微粒相互碰撞，形成絮狀混凝沉淀，極具吸附能力。