詹 浪 雍永震 張建宇 劉 銳 李彩青

中國建筑第八工程局有限公司西南公司 四川 成都 610041

在城市大型湖泊綜合治理工程中，“外源控制、內(nèi)源治理、水生態(tài)修復(fù)”的成套治理思路得到了廣泛的認(rèn)同。在內(nèi)源治理實(shí)施過程中，常采用板框壓濾機(jī)對淤泥進(jìn)行脫水固化。本文以武漢南太子湖淤泥脫水固化為例，通過對不同固化劑使用量對淤泥脫水效果的影響進(jìn)行分析，探討固化劑使用量對板框壓濾機(jī)脫水效果的綜合影響。

1 工程概況

武漢南太子湖藍(lán)線內(nèi)面積約357.1 hm2，匯水面積約 16.32 km2，藍(lán)線長度約14.1 km，湖底絕對高程約17.50 m，高水位時(shí)水深約1.70 m，規(guī)劃常水位絕對高程18.65 m，規(guī)劃控制最高水位絕對高程19.15 m。清淤面積238.69 hm2，平均清淤深度0.30～0.60 m。

2 淤泥的成分及性質(zhì)

2.1 淤泥成分

淤泥由液體和固體兩大部分組成，淤泥處理的目的就是將淤泥中的水分盡量脫除，減少淤泥的體積，從而為后續(xù)淤泥的無害化處理提供經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)條件[1-4]。

淤泥濃縮和脫水的作用是去除淤泥中的大量水分，從而得到淤泥體積上的減量。淤泥經(jīng)過濃縮和脫水處理，含水率從99.3%左右降至40.0%左右，其體積降至原體積的1/8左右，有利于運(yùn)輸及后續(xù)處理。

不同含水率下的淤泥相態(tài)有所不同，淤泥具體相態(tài)如表1所示。

表1 淤泥含水率及其相態(tài)

2.2 淤泥的性質(zhì)

雖然不同淤泥的含水率、脫水性能、濃縮性能和可壓縮性能都不盡相同，但是淤泥中水分的存在形式基本一致。根據(jù)水分與淤泥的結(jié)合情況，淤泥中所含水分可分為自由水與結(jié)合水兩大類。自由水指的是不直接與淤泥結(jié)合，也不受淤泥顆粒影響的一部分水，這部分水可通過濃縮去除，淤泥中大部分水以這種形式存在。結(jié)合水可以分為間隙水、毛細(xì)水、水合水（表2）。間隙水存在于絮體或有機(jī)體的空隙之間，條件變化時(shí)（如絮體破壞）可變成自由水；毛細(xì)水指的是結(jié)合力大、結(jié)合緊的多層水分子，重力濃縮時(shí)不能去除這部分水，必須用人工干化、機(jī)械脫水或熱處理的方法去除；水合水存在于細(xì)胞內(nèi)，只有熱處理才能去除這部分水。

表2 結(jié)合水的特性

對不同淤泥而言，各種水分的結(jié)合能力不同，其結(jié)合強(qiáng)度取決于單位水化合力和淤泥顆粒的大小。淤泥顆粒直徑越小，淤泥結(jié)構(gòu)中細(xì)小絮體越多或者淤泥中含有越多的膠體顆粒，淤泥就越難脫水。

3 淤泥脫水處理實(shí)施過程

3.1 淤泥調(diào)理

板框壓濾機(jī)脫水進(jìn)泥的最佳含水率為93%～97%，因此，可利用含水率99%左右的淤泥經(jīng)過離心脫水和加入固化劑，調(diào)理至合理的含水率范圍后，采用板框壓濾機(jī)脫水。

目前采用的比較成熟的板框壓濾機(jī)脫水的淤泥固化劑有以下2種：

1）“石灰＋鐵鹽”。石灰和淤泥水中的重碳酸鈣生成的碳酸鈣顆粒結(jié)構(gòu)能增加淤泥的孔隙率，促進(jìn)泥水分離。鐵鹽的作用是絮凝，通過電中和以及吸附，改變淤泥的親水性。

2）“聚丙烯酰胺（PAM）＋鐵鹽”。由于采用石灰作為固化劑時(shí)會增加干固體總量，導(dǎo)致出泥量增加，而且采用石灰作為固化劑，工作環(huán)境會受影響，因此南太子湖項(xiàng)目采用“PAM＋鐵鹽”作為固化劑進(jìn)行淤泥處理。

3.2 板框壓濾機(jī)處理過程

疏浚泥漿經(jīng)接力泵站輸送至脫水站后，先經(jīng)過振動篩過濾，再輸送至沉淀池。泥漿經(jīng)重力沉淀后，泵入均質(zhì)池。淤泥在均質(zhì)池中加入固化劑攪拌均勻后，通過變頻螺桿泵及附屬連接管路輸送至板框壓濾機(jī)壓濾。

進(jìn)料泵進(jìn)料是個(gè)進(jìn)泥保壓的過程，通過變頻控制，進(jìn)料過程中的濾液通過四角的濾液孔排走。

進(jìn)料結(jié)束后，開始壓濾過程，壓濾是為了進(jìn)一步降低泥餅含水率。壓濾時(shí)，通過擠壓相鄰2塊濾板之間的泥餅來達(dá)到降低泥餅含水率的目的。

壓濾結(jié)束泄壓后需要進(jìn)行中心回吹，使中心進(jìn)料管道中未過濾的含水率較高的淤泥回流到淤泥回流管中。

沉淀池中的濾液經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)后排入湖中，板框壓濾機(jī)的濾出液經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排入市政管網(wǎng)。脫水泥餅通過無軸螺旋輸送機(jī)可直接裝車轉(zhuǎn)運(yùn)至臨時(shí)堆放場暫存，并定期組織外運(yùn)[5-8]。

4 脫水試驗(yàn)

4.1 取樣

試驗(yàn)用淤泥取自南太子湖漁場附近，底泥有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～20%之間。底泥的含固率在20%～25%之間，中值粒徑約15 μm，底泥密度1.2 g/cm3。

4.2 泥漿含固率對固化劑脫水效果的影響試驗(yàn)

1）試驗(yàn)用固化劑為“質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的鐵鹽（聚合硫酸鐵）＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%的PAM”。

2）將本試驗(yàn)淤泥分別配成含固率為7%、14%、21%、28%、35%的泥漿，置于燒杯中。投入定量鐵鹽快速攪拌3 min后，再加入PAM攪拌至出現(xiàn)明顯的絮凝現(xiàn)象，記錄下PAM的使用量，并對上清液的水質(zhì)進(jìn)行分析。

3）試驗(yàn)結(jié)果及分析。不同含固率泥漿達(dá)到明顯絮凝時(shí)的PAM使用量如圖1所示。

圖1 不同含固率泥漿明顯絮凝時(shí)的PAM使用量

由圖1可知，隨著泥漿含固率的上升，絮凝反應(yīng)逐漸變得困難，絮凝劑使用量的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥漿含固率的增加，泥漿含固率達(dá)到35%時(shí)，肉眼難以觀察到明顯的絮凝反應(yīng)。觀察上清液水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)含固率為7%和14%的泥漿上清液非常清澈，含固率21%的泥漿上清液濁度有所上升，含固率28%的泥漿上清液已經(jīng)有明顯的渾濁狀。這是因?yàn)槟酀{含固率達(dá)到一定程度時(shí)，泥漿中自由水的比例較低，不利于固化劑在水中伸展開分子鏈，進(jìn)而無法與固體物質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)，而泥漿中的固體部分也會對沉降造成影響。降低泥漿含固率對固化的過程是有利的，但泥漿含固率過低，會給整個(gè)脫水固化工藝帶來很大的負(fù)擔(dān)。因此，選擇合適的泥漿含固率非常重要。根據(jù)所取泥樣的分析，泥漿含固率應(yīng)控制在14%左右。

4.3 固化劑使用量對脫水效果的影響試驗(yàn)

1）將本試驗(yàn)淤泥配成含固率為14%的泥漿，并置于燒杯中。

2）加入不同量的鐵鹽快速攪拌3 min后，再加入不同量的PAM，慢速均勻攪拌10 min后，取混合液1 000 mL倒入量筒中，每隔一段時(shí)間，記錄下泥水分離界面的體積讀數(shù)，并觀察上清液的清濁程度。待沉降基本穩(wěn)定后，記錄此時(shí)的淤泥體積，并對上清液的水質(zhì)進(jìn)行分析。

3）試驗(yàn)結(jié)果及分析。

① 鐵鹽使用量對脫水效果的影響。試驗(yàn)用固化劑為“PAM＋鐵鹽”。試驗(yàn)中鐵鹽的使用量分別為0、70、140、210、280 mg/L，PAM統(tǒng)一采用100 mg/L。觀察鐵鹽使用量對泥漿脫水效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，使用固化劑可以顯著提高泥水分離的速度。在鐵鹽使用量為0、70 mg/L時(shí)，泥水分離速度較慢，2 h后泥面降到原來的65%～70%；鐵鹽使用量為140 mg/L時(shí)，泥水分離速度明顯加快，2 h后泥面降低到原來的50%左右；鐵鹽使用量達(dá)210 mg/L時(shí)，在前30 min就可以完成大部分的泥水分離，并且上清液清澈，1 h后泥面降到原來的40%，之后沉降速度逐漸變緩；繼續(xù)增加鐵鹽使用量，泥水分離速度沒有明顯增加，并且上清液逐漸變成紅色。

圖2 鐵鹽使用量對脫水效果的影響

② PAM使用量對脫水效果的影響。試驗(yàn)中鐵鹽使用量為140 mg/L，PAM使用量分別為0、70、140、210 mg/L。觀察PAM使用量對脫水效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在鐵鹽使用量相同的情況下，PAM的使用量越高，脫水速度越快。在PAM使用量為0 mg/L時(shí)，泥水分離速度較慢，2 h后泥面降到原來的65%～70%；PAM使用量為140 mg/L時(shí)，泥水分離速度明顯加快，2 h后泥面降低到原來的50%左右；PAM使用量達(dá)210 mg/L時(shí)，在前30 min就可以完成大部分的泥水分離，并且上清液清澈，1 h后泥面降到原來的40%，之后沉降速度逐漸變緩；繼續(xù)增加PAM使用量，泥水分離速度沒有明顯增加。

圖3 PAM使用量對脫水效果的影響

5 結(jié)語

1）泥漿含固率對脫水固化效果有明顯影響，當(dāng)泥漿含固率低于20%時(shí)，脫水效果明顯；當(dāng)泥漿含固率超過35%時(shí)，很難發(fā)生明顯絮凝反應(yīng)。

2）南太子湖所用的PAM＋鐵鹽的固化劑可以顯著提高泥水分離的速度。鐵鹽可以改善絮凝效果，提高出水水質(zhì)，并有利于減少PAM的使用量；在鐵鹽使用量相同的情況下，PAM使用量越多，脫水速度越快。PAM使用量達(dá)到一定程度后，再加大使用量，脫水速度提升效果不明顯。