土工布料在含砷河道底泥脱水固定化中的实验研究

周保华，李志超，刘 青，王洪杰

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学理学院，河北石家庄 050018；3.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083）

砷污染是许多国家普遍面临的水质安全问题，人们开发了多种有效工艺和方法来消除砷污染，其中吸附法作为一种简单、经济、实用的除砷方法得到了广泛应用［1－7］。特别是在地表水砷污染事件处置过程中，吸附剂被大量投加到污染水体中，在污染水体得到快速有效处置的同时，水中的砷被吸附剂吸附后沉积到河道底部，造成底泥砷含量过高，这些含砷底泥严重威胁着河水生态，会导致内源污染。针对这种污泥的常规处理方式是环保疏浚，然而疏浚污泥具有较高的含水率不容易运输，在处置之前需要进行脱水减容。如果使用常规的堆场自然干化，会造成砷的迁移释放，污染地下水及土壤，并且由于污泥量巨大，如果使用机械法，则成本过高，工期较长［8－10］。因此寻找一种高效便捷的脱水方法成为人们关注的重点［11－16］。

土工管袋（以下简称土工袋）是一种土工织物包容体［17］，由高强度土工织物（聚丙烯或聚酯）编制而成，在环保工程中，具有运输安装方便、容积调节范围大、可塑性强的优点而被广泛应用。KUTAY 等研究发现使用非编织或者编织土工布料可以保留住飞灰泥浆中99%的固体颗粒［18］。MARK 等使用带式压滤法和土工袋工艺对循环水产养殖系统反冲洗泥浆脱水，通过对比发现，2种方法都去除了泥浆中95%以上的悬浮物（SS），然而处理相同的泥浆使用土工袋法可以节省近50%的资金［19］。土工袋污泥脱水工艺是一项新工艺［20］，目前对含砷底泥还没有过类似研究。本研究针对的污泥为某河流砷污染的河道底泥，其主要成分为吸附了砷的铁锰复合氧化物药泥，污泥中的砷全部固定于吸附剂颗粒中，因此如何有效脱水并将这些颗粒物尽可能多地保留在土工袋中成为本文研究的重点。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

土工布料：Geotube GT500 型土工布料（珠海纤科化工有限公司提供），等效孔径为0.4mm。

试剂：阳离子型聚丙烯酰胺（Cationic Polyacrylamide，CZ－8698，相对分子质量为1.2×106，北京北科绿洁环保科技有限公司提供）。

含砷污泥样品：取自某河流处置后的含砷污染底泥。

仪器：六联搅拌仪（MY3000－6N，武汉市梅宇仪器有限公司提供），原子荧光分析仪（AFS9600，北京海光仪器公司提供），浊度仪（WGZ－2AB，上海昕瑞仪器仪表有限公司提供），激光粒度分析仪（Hydro2000Mu，英国马尔文仪器有限公司提供）。

1.2 实验方法

1.2.1 含砷污泥的分析

采用红外水分快速测定仪对含砷河道底泥进行分析，得到污泥的含水率为95%（质量分数）；采用原子荧光分析仪测得污泥样品中砷的质量浓度为10.1mg／L，并且发现污泥中的砷只存在于固相之中，液相中砷质量浓度小于0.1μg／L；使用激光粒度分析仪分析其粒度分布，如图1所示，可以看出污泥样品中大部分颗粒粒径低于77μm。

图1 含砷河道底泥粒度分布曲线Fig.1 Particle size distribution of arsenic sediment

1.2.2 絮凝剂投加量的考察

本实验以阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）为絮凝剂。为了考察絮凝剂的最佳投加量，本研究对含砷河道底泥进行了一系列脱水研究，本实验使用的实验装置如图2所示。该实验装置由过滤柱、土工布料和集液漏斗组成，布料夹在过滤柱与集液漏斗之间，3部分靠螺丝固定，相互之间夹垫硅胶垫以保证装置的密闭性［21］。

图2 小柱脱水实验装置Fig.2 Filtration test set－up

首先对污泥进行絮凝实验。量取5组相同体积的污泥，每组污泥的体积为800mL，絮凝剂投加量分别为0，0.06，0.12，0.18，0.24 mg／L（质量浓度，下同），进行混合搅拌，先快速搅拌（120r／min）20s，接着慢速搅拌（20r／min）120s。将絮凝好的污泥快速倒入脱水装置中，并开始计时，记录初始液面高度，同时盖好上盖，在常压下进行脱水实验。实验结束后测定淋出液样品中的颗粒物质量浓度，并分析淋出液流速，其中流速的计算方法如式（1）所示。

其中，FR为淋出液流速，cm／min；V淋出液为收集到的淋出液体积，cm3；t为淋出液的取样时间，min；A为与污泥接触的布料面积，cm2。

本实验重复3次取平均值作为实验结果，通过对实验结果进行分析，得到絮凝剂的最佳投加量。

1.2.3 土工袋脱水实验

HORACE等提出了评价织布－淤泥系统脱水行为的2个参数，分别为脱水效率（DE）以及过滤效率（FE）［20］。

脱水效率（DE）用于评价脱水设备对污泥的脱水能力，其计算方法如下。

其中，PSi为污泥的初始含固率，%（质量分数）；PSf为污泥脱水完成后的含固率，%（质量分数）。

过滤效率（FE）用于评价脱水设备保留填充泥浆中固体颗粒的能力，计算方式如下。

其中，TSi为初始污泥中颗粒物的质量浓度，g／L；TSf为收集的淋出液中颗粒物的质量浓度，g／L。

透过率（PR）［22］也是评价织布脱水效果的一个参数，指的是透过单位面积布料颗粒物的质量，单位为g／m2，其计算方程如下。

其中，Mf为淋出液中颗粒物的总质量，g；A为与污泥接触的布料面积，m2。

为考察土工袋对实验污泥的脱水效果，对70L含砷河道底泥进行土工袋脱水实验，土工袋由2块边长为55cm 的正方形土工布料缝合而成，实验装置由图3所示。

首先根据柱脱水实验得到的絮凝剂最佳投加量，对污泥进行絮凝，然后将絮凝好的污泥由充泥柱灌入土工袋中，土工袋截留住固体颗粒，水分透过布料及筛板，经集液漏斗汇流入水桶中，每隔10s采集淋出液样品。实验结束后使用浊度仪对淋出液的浊度进行分析，采用原子荧光形态分析仪分析淋出液中的砷质量浓度，使用烘干称重法计算袋内污泥含固率以及淋出液中的颗粒物质量。

通过对脱水效率（DE）、过滤效率（FE）以及透过率（PR）3个参数的分析，对土工袋的脱水效果进行评价。

图3 枕状土工袋脱水装置Fig.3 Dehydration device of geotextile bag

2 实验结果与讨论

2.1 絮凝剂用量对脱水的影响

不同絮凝剂投加量条件下，淋出液流速与时间的关系如图4所示。

图4 淋出液流速随时间的变化Fig.4 Variation of flow rate with time for filtrate

可以看出，淋出液流速变化主要分为2个阶段：第1个阶段流速迅速降低，这是由于颗粒物沉降到布料表面，结拱架桥形成滤饼，降低了体系的渗透系数；随着滤饼的最终形成，脱水进入第2个阶段，流速趋于恒定，直至没有水分滤出。通过分析图中的5条曲线，可以看出絮凝剂投加量越高，脱水过程流速越高。当絮凝剂投加量由0 mg／L 增加到0.12 mg／L时，淋出液流速增加得比较明显，脱水开始30 s时的流速分别为0.196cm／min（0mg／L），0.500 cm／min（0.06 mg／L）和0.700cm／min（0.12 mg／L），可以发现，当絮凝剂投加量为0.12mg／L 时，脱水30s时的淋出液流速为未添加絮凝剂的底泥淋出液流速的近3.6倍；然而投加量由0.12mg／L 增加到0.24mg／L 时，淋出液流速增加不再明显，脱水开始30s 时流速分别为0.700cm／min（0.12 mg／L），0.760cm／min（0.18 mg／L）和0.890cm／min（0.24mg／L）。

最终淋出液中的单位体积淋出液颗粒物质量与絮凝剂投加量的关系如图5所示。

图5 絮凝剂投加量对淋出液SS的影响Fig.5 Effect of flocculant dosage on the SS of filtrate

通过比较可以发现，当絮凝剂的投加量由0增加到0.12mg／L 时，随着絮凝剂投加量的增加，淋出液中颗粒物的质量明显减小，当絮凝剂投加量为0.12mg／L 时淋出液的悬浮物质量浓度仅为23.2 mg／L；当继续增加絮凝剂的投加量时，淋出液的悬浮物质量浓度变化不大，没有出现明显的减小。

通过以上实验可以发现，絮凝剂的投加增大了淋出液的流速，缩短了脱水时间，提高了脱水的效率，并且通过投加絮凝剂，明显增强了布料对颗粒物的保留能力，减少了污染物的流失。综合考虑絮凝剂的投加量对淋出液流速与淋出液中颗粒物的保留能力的影响，可以确定0.12mg／L 为絮凝剂的最佳投加量。

2.2 土工袋脱水实验

本实验共使用污泥70L，收集淋出液36L，淋出液中总颗粒物质量仅为1.2g，占污泥样品中总颗粒物质量的0.032%。图6为淋出液流速与体积随时间的变化曲线，可以看出，流速随着滤饼的形成逐渐降低，在30 min左右趋于恒定，流速约为0.008 cm／min。脱水开始时，淋出液出现浑浊，在60s后溶液变澄清，并随着时间的延长，溶液清澈度增加，这是由于滤饼的形成截住了大部分的小粒径颗粒。100s时淋出液体积为4 480mL，浊度降低至16.7 NTU，砷质量浓度降低至0.48 mg／L，低于污水综合排放一级标准［23］。由淋出液中砷质量浓度与浊度随时间的变化曲线（图7）可以发现，淋出液的浊度与砷质量浓度随时间的增加而降低，脱水500s时，淋出液的浊度趋近于零，相应的砷质量浓度也趋近于零。脱水80min后，淋出液体积不再增加，测定淋出液中砷的质量浓度为14μg／L，远远低于污水综合排放一级标准。说明该工艺能够有效脱去含砷污泥中的水分，并且不会造成底泥颗粒中砷的流失。

图6 淋出液流速与体积随时间的变化Fig.6 Variation of flow rate and volume with time for filtrate

图7 淋出液中砷质量浓度与浊度随时间的变化Fig.7 Variation of arsenic content and the turbidity with time for filtrate

此外，通过将高浊度的淋出液单独收集回灌到袋子中，重新脱水，可以降低淋出液中的颗粒物质量以及砷质量浓度。

图8为土工袋内的含固率随时间变化曲线。可以看出，袋内污泥的含固率随时间逐渐升高，于7d后含固率达到20.8%（质量分数，下同），淋出液流速几乎为零，17d后含固率为21.2%，因此可以断定，此种污泥通过土工袋脱水工艺，可以使含固率由5%增加到21%，污泥体积减少近85%。

计算得到该工艺中土工袋对含砷底泥的脱水效率（DE）、过滤效率（FE）以及透过率（PR）3个参数分别为400%，99.1%和135g／m2。可以看出，虽然底泥颗粒的粒径远小于织布的孔径，织布仍能保留绝大部分底泥颗粒，并且该土工袋具有非常高的脱水及过滤效率，透过率低于2 500g／m2［24－25］，说明该工艺能够有效地对含砷底泥进行脱水处理。

图8 袋内污泥含固率随时间的变化Fig.8 Variation of Solid content with time for the arsenic sludge

3 结 语

本研究发现，向含砷污泥中投加絮凝剂（阳离子型聚丙烯酰胺），可以加速污泥的脱水速率，降低淋出液中的颗粒物质量，并且发现在本实验条件下絮凝剂的最佳投加量为0.12mg／L。通过小型土工袋灌注实验，可以发现，该土工袋具有非常高的脱水及过滤效率，透过率低于2 500g／m2，该土工袋体对含砷吸附剂颗粒物有着极强的保留能力，避免因砷的流失造成二次污染，说明该工艺能够有效地对含砷底泥进行脱水处理。

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