王 磊 曹亞麗 殷承啟 許雪記 費(fèi)小通#

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通運(yùn)輸環(huán)境保護(hù)技術(shù)中心，江蘇 南京 210014)

疏浚泥漿吹填余水的污染特征及凈化試驗(yàn)研究*

王 磊1,2曹亞麗1,2殷承啟1,2許雪記1,2費(fèi)小通1,2#

(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.江蘇省交通運(yùn)輸環(huán)境保護(hù)技術(shù)中心，江蘇 南京 210014)

疏浚泥漿吹填余水中含有大量膠體及微小顆粒物，直接排放將對(duì)受納水體造成較大危害。依托京杭運(yùn)河湖西航道疏浚工程展開現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比分析聚合氯化鋁(PAC)和FeCl3對(duì)余水中懸浮固體(SS)的去除效果。研究發(fā)現(xiàn)，疏浚泥漿落淤后的余水SS濃度較高，隨著吹填時(shí)間的延長(zhǎng)，余水SS濃度有明顯增加的趨勢(shì)。室內(nèi)混凝小試試驗(yàn)表明，PAC、FeCl3均能有效降低余水中的SS，PAC、FeCl3的最佳投加量分別為39、17mg/L；在最佳投加量下，兩種混凝劑對(duì)余水SS的混凝效果均隨沉降時(shí)間延長(zhǎng)而改善，前5min內(nèi)FeCl3的混凝效果比PAC好，5min后PAC的混凝效果更佳?，F(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)顯示，兩種混凝劑均在較短時(shí)間取得較好的SS混凝效果。當(dāng)以混凝劑最佳投加量及污染物排放達(dá)標(biāo)為評(píng)價(jià)目標(biāo)時(shí)，F(xiàn)eCl3的處理費(fèi)用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費(fèi)用分別為20.5、10.5元/h，F(xiàn)eCl3的經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于PAC。

疏浚泥漿 余水 懸浮固體 混凝劑 凈化

工程疏浚能提高內(nèi)河航道的通航能力，但在疏浚作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生大量的高含水率疏浚泥漿。疏浚泥漿吹填沉降過程中產(chǎn)生的余水從圍堰尾部排出[1]。余水中含有大量落淤膠體雜質(zhì)和微小顆粒物，這些物質(zhì)表面帶有電荷，靠彼此靜電斥力和范德華力平衡，在溶液中保持懸浮狀態(tài)，排入外部水體會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染[2]?；炷两凳侵竿ㄟ^投加各類混凝劑和絮凝劑，改變懸浮物的帶電性質(zhì)并破壞其懸浮穩(wěn)態(tài)，使懸浮物互相接觸、碰撞形成大型絮狀體，并通過重力沉降去除懸浮固體(SS)[3-5]。非離子型無(wú)機(jī)混凝劑聚合氯化鋁(PAC)和離子型無(wú)機(jī)混凝劑FeCl3是兩種重要的混凝劑，在水處理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

京杭運(yùn)河湖西航道建設(shè)工程(包括航道、船閘)疏浚土方共計(jì)約400萬(wàn)m3，全線圍堰共計(jì)20余處，圍堰中疏浚泥漿含水率高達(dá)90%以上，攜帶有大量SS的余水經(jīng)圍堰泄水口、排水溝渠排入航道，會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染。為了明確疏浚吹填過程中的余水污染特征，進(jìn)而尋找有效的余水污染物控制措施，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定了疏浚吹填過程中各階段余水中污染物的含量，并在現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，研究了PAC和FeCl3對(duì)余水的凈化規(guī)律，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)，為余水的安全排放提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 混凝劑

本次試驗(yàn)采用工業(yè)級(jí)PAC和FeCl3。其中：PAC純度99%，價(jià)格為1 500元/t。FeCl3純度96%，價(jià)格為2 500元/t。

1.2 工程介紹

京杭運(yùn)河湖西航道藺家壩段圍堰工程平面布置見圖1。絞吸式疏浚船將河道底泥吸出，經(jīng)管道(直徑500 mm)吹填進(jìn)入堆場(chǎng)。堆場(chǎng)長(zhǎng)200 m、寬100 m、高約3 m。疏浚泥漿沉降產(chǎn)生的余水經(jīng)圍堰余水出口排出，圍堰余水出口到入河口的距離為300 m，余水正常流經(jīng)時(shí)間為30 min。

圖1 工程平面布置Fig.1 The engineering layout

余水中SS主要以黏土顆粒和膠體為主。從圖2可以看出，10 μm以下的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)27%，30 μm以下顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)51%，75 μm以下顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到近80%。根據(jù)張德茹等[6]研究結(jié)果，對(duì)于天然泥沙，混凝臨界粒徑為30 μm。而錢寧[7]的研究結(jié)果顯示，黃河淤泥的混凝臨界粒徑在10 μm左右，對(duì)比本試驗(yàn)余水中SS粒徑分布，說(shuō)明余水較易發(fā)生混凝現(xiàn)象，可通過添加混凝劑促進(jìn)其發(fā)生混凝沉降。

圖2 余水SS粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of SS in tail water

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 自然沉降試驗(yàn)

將1 000 mL余水水樣注入沉降柱中，攪拌均勻，記錄距取樣口20 cm高度處液面SS的質(zhì)量濃度，開啟計(jì)時(shí)器，分別在5、10、20、30、60、120 min時(shí)取水樣100 mL，水樣由干燥的濾紙過濾，過濾后，將濾紙放入已準(zhǔn)確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內(nèi)烘干，稱量濾紙?jiān)黾拥馁|(zhì)量，計(jì)算SS質(zhì)量濃度。

1.3.2 混凝沉降小試試驗(yàn)

(1) 最佳混凝劑投加量：在燒杯中加入1 000 mL余水水樣，分別向水樣中加入5、11、17、28、39、50 mg/L的混凝劑，并將燒杯固定在混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)上，開啟磁力攪拌器快速攪拌3 min(200 r/min)，使混凝劑在溶液中充分混合，然后在60 r/min的轉(zhuǎn)速下緩慢攪拌30 min，靜置沉降90 min并觀察沉降過程，待燒杯內(nèi)沉降過程結(jié)束后，取100 mL上清液并置于準(zhǔn)確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內(nèi)烘干，稱量濾紙?jiān)黾拥馁|(zhì)量，計(jì)算SS質(zhì)量濃度，篩選最佳混凝劑投加量。

(2) 最佳沉降時(shí)間：在燒杯中加入1 000 mL余水水樣，按混凝劑最佳投加量加入一定PAC或FeCl3，將燒杯固定在混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)上，開啟磁力攪拌器快速攪拌3 min(200 r/min)，使混凝劑在溶液中充分混合，然后在60 r/min的轉(zhuǎn)速下緩慢攪拌30 min，分別靜置沉降5、10、20、30、60、120 min，取100 mL上清液并置于準(zhǔn)確稱量的帶蓋稱量瓶中，在105～110 ℃烘箱內(nèi)烘干，稱量濾紙?jiān)黾拥馁|(zhì)量，計(jì)算SS質(zhì)量濃度，確定最佳沉降時(shí)間。

1.3.3 混凝沉降現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)

本次疏浚工程單艘疏浚船疏浚能力為150 m3/h，疏浚泥漿含水率65%，疏浚擾動(dòng)后泥漿含水率增致90%，堆場(chǎng)落淤后含水率降至70%，經(jīng)計(jì)算，需處理余水水量為350 m3/h。以激射流的形式從圍堰余水出口處加入混凝劑，余水出口設(shè)置長(zhǎng)5 m、寬3 m的儲(chǔ)水池，加入混凝劑的余水流入儲(chǔ)水池，在沉降5、10、20、30、60、120 min時(shí)取3個(gè)平行樣，測(cè)定水樣SS濃度，評(píng)價(jià)混凝劑的中試混凝沉降效果。

1.4 測(cè)定方法

試驗(yàn)中各水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

表2 疏浚工程中主要節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)1)

注：1)“”表示未達(dá)到檢出限；2)指《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 余水污染特征分析

2.1.1 余水SS在疏浚過程中的變化

表2為京杭運(yùn)河湖西航道疏浚工程中期主要節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)。從表2可以看出，項(xiàng)目所在地航道河水的水環(huán)境質(zhì)量良好，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)總體滿足GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求。航道河水、疏浚泥漿、圍堰余水出口和入河口余水中總銅、總鋅、總錳含量均在儀器檢出限以下，由于疏浚泥漿中有機(jī)物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽類含量均很少，COD、氨氮、TP等水質(zhì)指標(biāo)皆不超標(biāo)，故疏浚泥漿需重點(diǎn)控制的污染指標(biāo)為SS。

從SS的變化規(guī)律來(lái)看，經(jīng)輸泥管排入圍堰的疏浚泥漿呈渾濁黏稠狀，SS很高。疏浚泥漿在圍堰中自然沉降后，大部分懸浮物質(zhì)被有效沉降截留，SS急劇下降，從39 755～45 356 mg/L降至圍堰余水出口處的1 237～1 656 mg/L；余水經(jīng)排水溝導(dǎo)流排入河道，SS繼續(xù)發(fā)生自然沉降，降至824～1 021 mg/L，為GB 3838—2002中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的10倍以上，超標(biāo)倍數(shù)較大。

2.1.2 余水SS隨吹填時(shí)間的變化

對(duì)圍堰吹填施工過程中余水SS進(jìn)行連續(xù)采樣，分析SS隨吹填時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，余水SS檢測(cè)值隨吹填時(shí)間的延長(zhǎng)急劇升高。在吹填后期，堆場(chǎng)空間逐漸被淤泥占滿，難以保證淤泥顆粒的沉降條件，余水中攜帶大量泥沙排入河道。因此，對(duì)于航道疏浚工程中圍堰余水的SS處理具有重要意義。

圖3 余水SS隨吹填時(shí)間變化Fig.3 Change of SS content in tail water with dredging time

圖4為典型堆填場(chǎng)內(nèi)落淤過程的概化模型。由圖4(a)可見，在圍堰施工前期，即落淤過程剛開始，粗顆粒主要在堆場(chǎng)靠近進(jìn)水口處沉降，當(dāng)泥漿推流到出水口時(shí)，大部分粗顆粒已經(jīng)落淤完成，只有少量細(xì)顆粒(膠體、黏粒和部分黏粉顆粒)會(huì)隨余水排出；由圖4(b)可見，在圍堰施工后期，由于落淤時(shí)間增加，堆場(chǎng)內(nèi)沉降淤泥依靠重力沉降固結(jié)，沉降固結(jié)趨勢(shì)從進(jìn)水口到出水口依次減弱，一定時(shí)間后，堆填場(chǎng)內(nèi)剩余空間不能滿足粗顆粒的沉降時(shí)間要求，導(dǎo)致圍堰余水中粗顆粒逐漸增加，SS濃度明顯升高。與SS濃度隨吹填時(shí)間的增加而明顯增加(見圖3)的規(guī)律相符。

注：粒徑a>粒徑b>粒徑c>粒徑d>粒徑e>粒徑f，概化模型旨在定性描述，不對(duì)粒徑進(jìn)行定量分析。

圖4堆填場(chǎng)落淤概化模型
Fig.4 Generalized model of sedimentation in dredging

2.2 室內(nèi)混凝沉降小試結(jié)果

不同混凝劑投加量下，混凝結(jié)束后余水上清液中SS質(zhì)量濃度變化見圖5。由圖5可見，隨著PAC投加量的增加，余水上清液中SS濃度呈先快速下降后逐漸平衡的趨勢(shì)，PAC最佳投加量為39 mg/L，此時(shí)余水上清液SS質(zhì)量濃度為25 mg/L。隨著FeCl3投加量的增加，余水上清液中SS呈快速下降后緩慢上升，最后明顯增加的趨勢(shì)，F(xiàn)eCl3最佳投加量為17 mg/L，此時(shí)上清液SS質(zhì)量濃度為44 mg/L。相比而言，F(xiàn)eCl3對(duì)SS去除效果不夠穩(wěn)定，可能的原因是離子型無(wú)機(jī)混凝劑主要通過破壞膠體顆粒間的靜電斥力發(fā)生聚集沉降，當(dāng)混凝劑投加量過少時(shí)，不足以中和膠體表面電荷，膠體間靜電斥力使膠體不能發(fā)生凝聚；但過量投加混凝劑將導(dǎo)致絮體發(fā)生脫穩(wěn)，重新穩(wěn)定分散在溶液中[8-10]。

圖5 混凝劑投加量與上清液SS質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between flocculating agent dosage and the SS content in upper liquid

在自然沉降及最佳混凝劑投加量下，余水上清液中SS隨不同沉降時(shí)間的變化見圖6。

圖6 不同沉降時(shí)間下上清液SS質(zhì)量濃度Fig.6 SS content in upper liquid after different time of flocculation

由圖6可見，自然沉降條件下，余水上清液SS濃度遠(yuǎn)大于投加混凝劑后余水上清液，這是由于混凝劑與余水中顆粒物結(jié)合在一起，單個(gè)顆粒質(zhì)量增加，根據(jù)斯托克斯公式，粗顆?？焖俪两?，細(xì)顆粒沉降速度緩慢[11]。

沉降前5 min，F(xiàn)eCl3的混凝效果稍好于PAC，余水上清液SS從1 520 mg/L下降至730 mg/L，而投加PAC 5 min后，余水上清液SS下降至808 mg/L。5 min后，PAC的混凝效果好于FeCl3。投加PAC、FeCl3沉降60 min時(shí)，余水上清液SS分別為21、57 mg/L，沉降120 min時(shí)，余水上清液SS分別為16、40 mg/L。這是由于PAC由形態(tài)多變的多元羧基絡(luò)合物組成，相比于低分子結(jié)晶鹽的傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑，PAC混凝沉降效果更好，有效期更長(zhǎng)。

2.3 余水SS混凝沉降現(xiàn)場(chǎng)中試結(jié)果

混凝沉降現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)結(jié)果見表3。可見，自然沉降條件下，沉降10 min時(shí)，余水SS最小，平均值為726 mg/L；沉降120 min時(shí)，余水SS最大，平均值為1 039 mg/L。自然沉降條件下SS濃度在沉降后期稍有增加，其主要原因?yàn)橛嗨M(jìn)入儲(chǔ)水池后，由于連續(xù)進(jìn)水造成擾動(dòng)，使部分黏粒無(wú)法得到有效沉降，甚至?xí)袛_動(dòng)后的釋放現(xiàn)象。FeCl3、PAC對(duì)余水均有較好的混凝效果。對(duì)比5、120 min的SS含量可以看出，實(shí)際工程處理時(shí)，混凝劑產(chǎn)生作用的時(shí)間基本上在5 min左右即可完成，這說(shuō)明圍堰余水中SS膠體和黏粒與FeCl3及PAC能在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生良好的混凝反應(yīng)，工程實(shí)際利用效果均良好。

2.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

以實(shí)際處理工程量分析最佳投加量及環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)要求下的PAC與FeCl3費(fèi)用，對(duì)兩種混凝劑的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.4.1 最佳投加量下的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

表3 混凝沉降現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)室內(nèi)混凝沉降小試結(jié)果，PAC、FeCl3投加量分別為39、17 mg/L時(shí)混凝效果最佳，在此投加量下的混凝劑費(fèi)用計(jì)算見表4。可見，處理同一批次圍堰余水，采用PAC、FeCl3所需要的混凝劑費(fèi)用分別為20.5、15.0元/h。

表4 最佳混凝效果下的混凝劑費(fèi)用

2.4.2 環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)要求下的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

湖西航道執(zhí)行GB 3838—2002中的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此可知，余水SS排放限值為70 mg/L。根據(jù)室內(nèi)混凝小試試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)PAC投加量為20 mg/L，F(xiàn)eCl3投加量為9、42 mg/L時(shí)余水能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，基于處理成本考慮，F(xiàn)eCl3投加量以8 mg/L計(jì)算，據(jù)此計(jì)算得到的混凝劑費(fèi)用見表5。

表5 環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)要求下所需藥劑費(fèi)用

綜上所述，當(dāng)分別以最佳混凝效果及污染物排放達(dá)標(biāo)為評(píng)價(jià)目標(biāo)時(shí)，F(xiàn)eCl3的處理費(fèi)用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費(fèi)用分別為20.5、10.5元/h，F(xiàn)eCl3的經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于PAC。

3 結(jié) 論

(1) 京杭運(yùn)河湖西航道疏浚工程圍堰余水SS含量較高，對(duì)于該工程中圍堰余水進(jìn)行室內(nèi)混凝小試試驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)eCl3和PAC均能有效降低余水中SS含量，F(xiàn)eCl3、PAC的最佳投加量分別為17、39 mg/L。FeCl3和PAC在最佳投加劑量下，SS濃度下降趨勢(shì)均隨時(shí)間增加而增強(qiáng)，前5 minFeCl3的混凝效果比PAC好，5 min后PAC的混凝效果更佳。

(2) 實(shí)際工程處理中，F(xiàn)eCl3和PAC均能在5 min內(nèi)對(duì)圍堰出口余水中SS產(chǎn)生較佳的混凝沉降效果，與自然沉降相比，余水入河口處SS大幅降低。當(dāng)以混凝劑最佳投加量及污染物排放達(dá)標(biāo)為評(píng)價(jià)目標(biāo)時(shí)，F(xiàn)eCl3的處理費(fèi)用分別為15.0、8.0元/h，PAC的處理費(fèi)用分別為20.5、10.5元/h，F(xiàn)eCl3的經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于PAC。

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Thefiledstudyonthepollutioncharacteristicsandpurificationeffectoftailwaterindredgingslurry

WANGLei1,2,CAOYali1,2,YINChengqi1,2,XUXueji1,2,FEIXiaotong1,2.

(1.ChinaDesignGroupCo.,Ltd.,NanjingJiangsu210014; 2.JiangsuProvinceResearchCenterofEnvironmentProtectionEngineering&TechnologyinCommunicationandTransportation,NanjingJiangsu210014)

The tail water from dredging engineering contained large amount of gel and fine particulate matters,directly discharge of tail water would caused environmental hazard to receiving water body. Relying on dredging project in the Huxi Waterway of Grand Canal,field test were studied to analyze the effect of polymeric aluminium (PAC) and FeCl3on SS removal from tail water of cofferdam. The study found that the SS content in tail water was very high,and it increased with the increasing of dredging time. The indoor coagulation experiments showed that PAC and FeCl3could removal SS in tail water effectively,the best dosage of PAC and FeCl3were 39,17 mg/L. Under the optimal dosage of two flocculating agent,the effect of flocculation enhanced when the flocculation time increased,and within the first 5 min of flocculation,the effect of FeCl3was better than that of PAC,while PAC performed much better than FeCl3after 5 min of flocculation. The pilot test showed that both two kinds of flocculants had good performance of SS sedimentation in a relatively short period. The most economical flocculant was FeCl3,on the best processing efficiency and pollutant emission standards as the goal,the treatment cost of FeCl3was 15.0,8.0 yuan/h,for PAC was 20.5,10.5 yuan/h,respectively.

dredging slurry; tail water; SS; flocculating agent； purification

2016-12-15)

王 磊，男，1982年生，碩士，工程師，主要從事水環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)及研究工作。#

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*江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(No.2013Y16)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.010