龔本洲 王鈺捷 張志勝 陳雯 李亮

摘要：為了有效處理砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的廢水泥渣，避免其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，采用PAC、PAM、FeCl₃、CaO、PAC+PAM、PAC+CaO、PAM+CaO處理泥渣，研究泥渣脫水性能。結(jié)果表明：PAM+CaO聯(lián)合投加對(duì)改善泥渣脫水特性效果最好;當(dāng)CaO投藥量為0.59%、PAM投藥量為0.012%時(shí)，比阻較不投加化學(xué)藥劑條件下減小了40%。通過壓濾試驗(yàn)，不投加藥劑條件下，泥餅厚度僅3mm，且無力學(xué)強(qiáng)度，泥餅含水率25%;PMA和CaO聯(lián)合投加條件下，泥餅厚度可達(dá)14mm，并具有一定力學(xué)強(qiáng)度，泥餅含水率僅為22%。研究成果可為今后國(guó)內(nèi)外砂石項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：砂石廢水泥渣;脫水性能;比阻試驗(yàn);壓濾試驗(yàn);化學(xué)藥劑

中圖法分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2020）12-0048-05

1研究背景

在水電站工程施工中，大規(guī)?；炷了璧纳笆橇掀毡椴捎萌斯ぶ迫〉姆绞教峁榇_?；炷临|(zhì)量，在人工砂石骨料加工過程中，處理砂石料中的泥土雜質(zhì)是一個(gè)重大課題，較成熟的方法是采用大量潔凈水對(duì)砂石料進(jìn)行清洗，將骨料的泥渣及石粉含量控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，從而產(chǎn)生相應(yīng)排放量的高懸浮物廢水。水電站施工期砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)廢水中主要污染物成分為懸浮固體，廢水中SS質(zhì)量濃度一般高達(dá)30000～100000mg/L，有的甚至更高（視料源及加工工藝不同而變）。若不作任何處理直接排放，砂石加工系統(tǒng)的廢水，將會(huì)破壞施工區(qū)生態(tài)環(huán)境，造成河道淤積，河床抬高，進(jìn)而影響水生生物的生存環(huán)境。

砂石加工系統(tǒng)廢水處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量泥渣，由于砂石廢水泥渣量極大，泥渣未經(jīng)處理直接進(jìn)入脫水設(shè)備，導(dǎo)致脫水設(shè)備運(yùn)行效率低、泥渣脫水效果差。本文以石料加工系統(tǒng)生產(chǎn)廢水泥渣為研究對(duì)象，探求不同化學(xué)藥劑對(duì)水電工程砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)廢水泥渣脫水特性的影響。

2試驗(yàn)方法

2.1比阻試驗(yàn)

比阻測(cè)定試驗(yàn)裝置詳見圖1，根據(jù)Carman公式，在壓力一定的條件下過濾時(shí)，t/V與V成直線關(guān)系：

在直角坐標(biāo)系中，以V為橫坐標(biāo)，t/V為縱坐標(biāo)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求解斜率b，再利用式（2）求得比阻r。

2.2泥渣脫水試驗(yàn)

試驗(yàn)采用廂式壓濾機(jī)（濾板為隔膜板，規(guī)格1m×1m），研究在調(diào)理劑作用下不同含固率泥樣脫水能力，脫水試驗(yàn)裝置如圖2所示。

為模擬工程現(xiàn)場(chǎng)前端加藥的時(shí)間條件，先向原水樣中投加藥劑，等其沉降后，將一部分清水排出，使其達(dá)到指定的含固率。

假設(shè)原泥的重量為M₁，含固率為ω₁，排出水后泥的重量為M₂，指定的含固率為ω₂，由于排出的只有清水，泥樣前后所含的干泥總重是不變的，因此有：

3泥渣脫水特性試驗(yàn)

比阻試驗(yàn)表明，白鶴灘水電站三灘泥渣脫水性能良好。本節(jié)采用小型廂式壓濾機(jī)進(jìn)行泥渣脫水試驗(yàn)，壓濾機(jī)試驗(yàn)的主要工作參數(shù)有壓濾時(shí)間、壓濾壓力和進(jìn)漿濃度等。每組試驗(yàn)將分別測(cè)定壓濾后的泥餅厚度、含水率及尾水SS等指標(biāo)。

一般認(rèn)為，污泥比阻值在1×10¹²～4×10¹²m/kg之間時(shí)進(jìn)行機(jī)械脫水較為適宜。對(duì)無機(jī)高分子、有機(jī)高分子和無機(jī)鹽等不同種類調(diào)理劑及其投藥量進(jìn)行比阻試驗(yàn)，篩選出適宜的藥劑，可供泥渣脫水能力試驗(yàn)參考。

白鶴灘水電站三灘原水樣沉降濃縮加藥量與泥渣比阻試驗(yàn)加藥量轉(zhuǎn)換如表1所示（加藥量為藥劑質(zhì)量與干泥質(zhì)量之比）。比阻試驗(yàn)?zāi)嘣捎迷畼映两禎饪s后的底部泥漿，以期模擬沉淀池沉降分離過程。因此調(diào)理劑投加量即為原水樣絮凝沉降投藥量，投加不同調(diào)理劑條件下泥渣比阻值如表2所示。

（1）PAC、PAM、FeCl₃、CaO單獨(dú)投加條件下，比阻較不投加調(diào)理劑均有不同程度地增大，其中PAM在0.006%投加量條件下比阻增大幅度最大，較不投加調(diào)理劑增大520%。

（2）PAC+PAM和PAC+CaO兩種聯(lián)合投加方式條件下，比阻較不投加調(diào)理劑均有不同程度增大，最高增幅244%。

（3）PAM+CaO聯(lián)合投加條件下，當(dāng)CaO投藥量為0.59%時(shí)，比阻較不投加調(diào)理劑減小40%;當(dāng)CaO投藥量增大時(shí)，比阻較不投加調(diào)理劑稍有增大。這表明PAM和CaO聯(lián)合投加有利于泥渣脫水。

壓濾試驗(yàn)條件如表3所示，壓濾試驗(yàn)結(jié)果如表4、圖3和圖4所示。

（1）不投加藥劑條件下，壓濾尾水渾濁，泥餅厚度僅3mm，且無力學(xué)強(qiáng)度，泥餅內(nèi)部和表面含有較多附著水，含水率25%。

（2）PMA和CaO聯(lián)合投加條件下，壓濾尾水TSS 32mg/l，泥餅厚度可達(dá)14mm，并具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，泥餅表面附著水分較少，含水率22%。

4泥渣脫水特性分析

4.1泥渣中水分形態(tài)

污泥中水分的存在形式有多種分類，Cosenza將污泥中的水分分成兩大類：自由水和結(jié)合水。自由水是指污泥在脫水過程中，污泥中水分性質(zhì)不隨周圍固體顆粒存在而發(fā)生變化的那部分水分。相對(duì)于自由水，結(jié)合水是指與固體顆粒存在相互作用力的水分。根據(jù)水分與污泥顆粒間作用力的不同，可將其分成3種。

（1）內(nèi)部結(jié)合水。以化學(xué)鍵力與污泥顆粒結(jié)合的水分。

（2）表面結(jié)合水。以吸附、吸收的方式固定在固體表面。

（3）機(jī)械結(jié)合水。存在于毛細(xì)管內(nèi)或者絮體內(nèi)的水分。

污泥的水分分布特性與污泥的機(jī)械脫水性能關(guān)系密切。結(jié)合水越多，機(jī)械脫水越難。一般而言，不同水分形式的結(jié)合強(qiáng)度依次為自由水<機(jī)械結(jié)合水<表面結(jié)合水<內(nèi)部結(jié)合水。與市政、工業(yè)等廢水不同，砂石加工廢水是無機(jī)懸浮物廢水，沉渣中幾乎不含有機(jī)質(zhì)和微生物，內(nèi)部結(jié)合水含量較少。

4.2泥渣調(diào)理機(jī)理

水電工程砂石加工廢水處理系統(tǒng)產(chǎn)生泥渣脫水難度與固體顆粒的密度和粒徑有關(guān)。密度越小的泥渣，相同重量體積越大，因此水分含量越高，脫水越困難。泥渣粒度越小，其表面積越大，結(jié)合水的水量越多，脫水越困難;泥渣粒度均勻，顆粒間空隙較大，雖然能容納較多水分，但其水分易受重力作用排除。泥渣粒度不均勻，細(xì)顆粒將充填在粗顆?？障吨校w粒間空隙較小，水分較難排除。

泥渣調(diào)理的目的是將無定形的膠樣污泥轉(zhuǎn)變成有空隙的物質(zhì)，便于釋出其中的水分。脫水過程中使用調(diào)理劑以期改善濾液澄清度或提高過濾速度，按照其作用機(jī)理可分為介質(zhì)型和化學(xué)調(diào)理劑。介質(zhì)型調(diào)理劑只靠物理或機(jī)械作用來改善過濾物料，不涉及吸附作用或化學(xué)作用，是一些分散的、不同尺寸分布的固體顆粒或添加物質(zhì)。在過濾過程中，它們起著過濾介質(zhì)的作用，主要應(yīng)用于固體顆粒小且對(duì)濾液有較高要求的場(chǎng)合。化學(xué)調(diào)理劑指通過吸附或化學(xué)作用改善過濾過程。

不投加調(diào)理劑條件下，泥渣比阻值在適宜直接機(jī)械脫水比阻范圍內(nèi)。多種藥劑比阻試驗(yàn)表明，PAM和CaO聯(lián)合投加可進(jìn)一步改善泥渣的脫水性能，這也表明絮凝沉降試驗(yàn)所推薦藥劑與泥渣脫水調(diào)理需求一致。

脫水試驗(yàn)表明，在泥渣不進(jìn)行調(diào)理的條件下，由于白鶴灘水電站三灘泥渣粒徑較小（中值粒徑約3.43μm），固體顆粒容易穿過和堵塞濾布，造成壓濾尾水水質(zhì)較差，濾餅薄且無力學(xué)強(qiáng)度。采用CaO和PAM進(jìn)行調(diào)理后，壓濾尾水澄清，泥餅較厚且力學(xué)強(qiáng)度較好。CaO水溶液主要成分是Ca（OH）₂，Ca²⁺和OH^-。一方面，相關(guān)研究表明水的硬度對(duì)廢水沉降有較大影響，當(dāng)硬度較大時(shí)，水中Ca²⁺、Mg²⁺含量增高，這些離子可以在固體顆粒表面吸附，改變顆粒表面電位，使顆粒表面水化作用發(fā)生變化，促使顆粒凝聚。另一方面，Ca（OH）₂是一種介質(zhì)型調(diào)理劑，在其表面具有吸附膠體的能力，使得形成的濾餅具有格子型結(jié)構(gòu)，保持良好的滲透性，使得細(xì)顆粒不易粘附堵塞濾布;PAM通過架橋作用，細(xì)顆粒形成絮團(tuán)，改變物料粒度組成，提高濾餅滲透率，加快過濾速度。

5結(jié)語

PAM和CaO聯(lián)合投加對(duì)砂石系統(tǒng)生產(chǎn)廢水泥渣脫水性能改善效果顯著。當(dāng)CaO投藥量為0.59%、PAM投藥量為0.012%時(shí)，比阻從不加藥的0.85×10¹²m/kg降至0.51×10¹²m/kg。通過壓濾試驗(yàn)，在PMA和CaO聯(lián)合投加條件下，泥餅厚度從不加藥的3mm增至14mm，泥餅含水率從25%降低至22%。該方法適用于砂石系統(tǒng)生產(chǎn)廢水泥渣的有效處理，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，可為今后國(guó)內(nèi)外砂石項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供借鑒。

（編輯：唐湘茜）