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        城市廢棄泥漿脫水評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性研究

        2022-08-30 02:43:28丁嘉儀張春雷曾文超
        環(huán)境科技 2022年4期
        關(guān)鍵詞:評(píng)價(jià)

        丁嘉儀, 張春雷, 陳 森, 李 捷, 曾文超, 王 健

        (1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.海盈(南京)水處理技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210029;3.南京環(huán)境集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210026;4.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210000)

        0 引言

        據(jù)統(tǒng)計(jì), 我國每年產(chǎn)生約3 億m3城市廢棄泥漿,并且隨著城鎮(zhèn)化地不斷加快而增加[1]。 城市廢棄泥漿大多由細(xì)顆粒和黏土礦物組成, 顆粒長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),含水率較高且難以自然沉降[2-3]。對(duì)廢棄泥漿進(jìn)行減量化和資源化處理利用已經(jīng)成為當(dāng)今解決泥漿難題的必然趨勢(shì)[4-6]。

        城市廢棄泥漿脫水藥劑優(yōu)良比選主要借鑒現(xiàn)有的污泥脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo),包括:污泥比阻[7](specific resistance to filtration,SRF)、毛細(xì)吸水時(shí)間[8](capillary suction time,CST)、Zeta 電位[9]、顆粒粒徑[10]以及泥餅含水率[5]等,一般沉降過程中的泥漿沉降速率或泥水界面高度也被作為評(píng)價(jià)脫水藥劑的指標(biāo)。但由于污泥中有機(jī)組分含量高,而城市廢棄泥漿以無機(jī)物為主,國內(nèi)外學(xué)者篩選藥劑的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不完全一致, 也鮮有關(guān)于多種指標(biāo)之間相關(guān)性的研究報(bào)道,導(dǎo)致目前脫水藥劑的篩選工作難以標(biāo)準(zhǔn)化, 為城市廢棄泥漿脫水藥劑的高效篩選帶來了困難。

        研究選取4 種脫水藥劑, 開展不同種脫水藥劑對(duì)城市廢棄泥漿的沉降及脫水試驗(yàn), 分析沉降泥的比阻(SRF)、毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)、泥餅含水率等指標(biāo)之間的相關(guān)性,以確定1 個(gè)最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo),有效指導(dǎo)脫水藥劑的篩選。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)所用脫水藥劑:聚合氯化鋁(PAC,分析純,由麥克林公司提供, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%)、 三氯化鐵(FeCl3, 分析純, 由成都市科隆化學(xué)品有限公司購入,質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%)、聚合硫酸鐵(PFS,分析純,由麥克林公司提供,鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于21%)和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM,分析純,由麥克林公司提供,相對(duì)分子質(zhì)量為1.2×104)。

        試驗(yàn)所用泥漿取自南京泥漿處置中心泥漿調(diào)節(jié)池, 該泥漿為來自南京市多個(gè)建筑工地鉆孔灌注樁廢棄泥的混合泥漿。取樣時(shí)利用抓斗取泥器,從調(diào)節(jié)池中抓取底部的泥, 泥漿取回后放入冰箱中4 ℃冷藏,其基本性質(zhì)見表1,廢棄泥漿的粒徑分布曲線見圖1。 由圖1 可以看出,泥漿中砂粒(≥75 μm)占比26%,粉粒(5 ~75 μm)占比68.5%,黏粒(≤5 μm)占比4.5%,表明泥漿主要由細(xì)顆粒粉土組成。

        表1 廢棄泥漿基本性質(zhì)

        圖1 廢棄泥漿的粒徑分布

        1.2 試驗(yàn)儀器

        六聯(lián)磁力攪拌器(SN-MS-6D)、真空過濾裝置(2XZ-1 型)、污泥毛細(xì)測(cè)試儀(BT33-304M)、數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 (GZX-9070 MBE)、 土壤密度計(jì)(TM85型)、電子天平(YP20002)。

        1.3 試驗(yàn)方法

        (1)泥漿沉降試驗(yàn)

        將廢棄泥漿混合均勻后分別倒入1 000 mL 的燒杯中,采用電動(dòng)攪拌器在300 r/min 轉(zhuǎn)速下快速攪拌5 min 后依次向泥漿中滴入不同摻量的脫水劑,然后在100 r/min 轉(zhuǎn)速下慢速攪拌1 min, 之后將800 mL泥漿倒入1 L 量筒中, 用橡膠塞蓋住量筒上下顛倒5次后,放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,立即打開秒表開始計(jì)量,記錄不同時(shí)間泥面的高度。 沉降試驗(yàn)共開展1 h,試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)定沉降泥的SRF 和CST 值。 本研究針對(duì)廢棄泥漿采用的4 種脫水劑調(diào)理方案設(shè)置見表2。

        表2 調(diào)理方案

        (2)泥漿比阻(SRF)測(cè)定

        準(zhǔn)備比阻試驗(yàn)裝置, 在抽濾漏斗中放入定性濾紙并打濕,接觸良好,將量筒試驗(yàn)后排出上清液的沉降泥放入布氏漏斗中,均勻鋪設(shè)厚度約2 cm。 在真空吸力為0.04 MPa 下進(jìn)行抽濾,每隔10 s 記錄濾液體積至泥餅破裂,抽濾結(jié)束后取下泥餅及濾紙,測(cè)定抽濾泥餅含水率并計(jì)算SRF 值。

        (3)壓濾脫水試驗(yàn)

        試驗(yàn)采用自制壓濾脫水裝置, 該裝置可用于模擬板框壓濾機(jī)的加壓脫水過程。 壓榨壓力設(shè)定為0.8 MPa,倒入300 mL 沉降泥漿并壓濾60 min,取出泥餅測(cè)定其含水率。

        (4)泥漿毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)測(cè)定

        試驗(yàn)選用直徑為1 cm 的進(jìn)樣桶,先在下板上放置一片標(biāo)準(zhǔn)濾紙,將上板放置在標(biāo)準(zhǔn)濾紙上,插入進(jìn)樣桶, 將沉降泥迅速倒入, 由于標(biāo)準(zhǔn)濾紙的毛細(xì)作用,水分向四周擴(kuò)散,待水分?jǐn)U散至2 組探針后,即可得到從開始至通過探針的時(shí)間。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響

        SRF,CST 是常用于表征泥漿脫水性能的指標(biāo),其值越小,說明泥漿的脫水性能越好。不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響見圖2。 由圖2 可以看出, 隨著不同脫水劑投加量的增加, 沉降泥SRF和CST 值均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),根據(jù)這一趨勢(shì), 可以得到各種脫水劑的最佳投加量,PAC,F(xiàn)eCl3,PFS,CPAM 的最佳投加量分別為1.25%,2.0%,3.5%,0.7‰。

        圖2 不同脫水劑投加量對(duì)沉降泥脫水性能的影響

        不同脫水劑調(diào)理下沉降泥的SRF 值與CST 值的相關(guān)性分析見表3。 由表3 可以看出,4 種脫水劑作用下沉降泥的SRF 值與CST 值均呈現(xiàn)出了較好的相關(guān)性,但SRF 值與CST 值之間的換算公式差別較大。 將4 種脫水劑作用下的所有沉降泥的SRF 值與CST 值整合做相關(guān)性分析, 得到線性關(guān)系方程,R2為0.692 1,相關(guān)性一般。

        表3 SRT 與CST 的相關(guān)性分析

        綜上所述,沉降泥的SRF 值與CST 值具有一定的相關(guān)性[11-13],且可相互替換作為表征同一脫水劑作用下的泥漿的脫水性能指標(biāo)。

        2.2 不同種脫水劑調(diào)理后沉降泥的沉降性能分析

        不同脫水劑在最佳投加量下的泥漿沉降曲線見圖3。 結(jié)合沉降泥的SRF 和CST 值發(fā)現(xiàn),泥水分界面高度變化的快慢與SRF 和CST 值并未存在相似的趨勢(shì),且PAC 與PFS 促沉效果相差不大,而有機(jī)脫水劑的促沉效果優(yōu)于無機(jī)脫水劑, 這與李悅等[14]人的研究結(jié)果一致,說明對(duì)于SRF 和CST 值不能直觀評(píng)價(jià)泥漿沉降性能, 泥漿沉降性同時(shí)取決于脫水劑的化學(xué)性質(zhì)、 分子結(jié)構(gòu)及其與泥漿顆粒的結(jié)合能力等,可考慮用沉降速率或沉降比來表征。

        圖3 不同脫水劑調(diào)理下的泥漿沉降曲線

        2.3 SRF,CST 與泥餅含水率的相關(guān)性

        為了更進(jìn)一步降低沉降泥含水率、減小體積,很多處理廠選擇機(jī)械脫水的方式進(jìn)行深度處理, 因此脫水后的泥餅含水率也是衡量處理工藝優(yōu)良的重要指標(biāo)。壓濾后泥餅含水率與SRF,CST 之間的關(guān)系見圖4。

        圖4 泥餅含水率以及與SRF,CST 之間的關(guān)系

        由圖4(a)可以看出,SRF 的變化趨勢(shì)與泥餅含水率的變化趨勢(shì)一致,SRF 越小, 泥餅含水率就越低, 且SRF 與泥餅含水率呈線性相關(guān),R2=0.95,這是由于SRF 測(cè)定原理與壓濾脫水原理類似,均為通過壓力使泥漿顆粒間的水分快速脫除,因此SRF 能準(zhǔn)確表征泥漿壓濾脫水性能。

        由圖4(b)還可以看出,CST 與泥餅含水率也存在一定的相關(guān)性,R2=0.98,說明CST 也能夠較好地反映壓濾脫水效果。

        相較于SRF,CST 與泥餅含水率的相關(guān)性略好,且在實(shí)際操作過程中,CST 的測(cè)定更加簡(jiǎn)便,無過多條件限制,因此,可通過測(cè)定CST 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)代替SRF,縮短試驗(yàn)時(shí)間。

        3 結(jié)論

        (1)在同一脫水劑作用下,沉降泥的SRF 與CST值呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性, 不同脫水劑作用下的沉降泥的SRF 值與CST 值也存在一定的相關(guān)性。表明沉降泥的SRF 值和CST 值均可作為表征泥漿脫水性能的指標(biāo)。

        (2)泥漿沉降速率、沉降泥面高度與SRF,CST值均未存在相似的趨勢(shì), 不建議將泥漿沉降速率和沉降泥面高度作為評(píng)價(jià)泥漿脫水性能的指標(biāo)。

        (3)脫水泥餅含水率與沉降泥的SRF 值和CST值均存在較好的相關(guān)性,且CST 值與脫水泥餅含水率相關(guān)性更好,鑒于實(shí)際操作中沉降泥的CST 值更加簡(jiǎn)便,可考慮將CST 值作為評(píng)價(jià)泥漿脫水性能的指標(biāo),高效指導(dǎo)泥漿脫水劑優(yōu)選。

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