超声波联合化学调理改善疏浚底泥脱水性能的研究*

谭万春 文 敏 段武华 彭诗梦 王云波 聂小保 孙士权

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

超声波联合化学调理改善疏浚底泥脱水性能的研究*

谭万春1,2文 敏1#段武华1彭诗梦1王云波1,2聂小保1,2孙士权1,2

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

以长沙市圭塘河疏浚底泥为研究对象，分别采用聚合氯化铝(PAC)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和超声波改善疏浚底泥脱水性能。结果表明，单一PAC、CPAM对疏浚底泥脱水性能均有一定程度的改善作用，CPAM效果优于PAC，经两种药剂联合化学调理后，疏浚底泥脱水性能进一步改善，调理结束后疏浚底泥属较易脱水污泥；超声波联合化学调理疏浚污泥时，宜先采用化学调理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，搅拌静置30 min)，再进行超声波调理(超声频率40 kHz，声能密度0.8 W/mL，超声时间20 s)，调理结束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，属于易脱水污泥，疏浚底泥脱水性能大大改善。疏浚底泥脱水性能与其微形态结构相关，疏浚底泥二维分形维数越大、中值粒径越大，其脱水与沉降性能越好。

疏浚底泥 絮凝调理 脱水性能 超声波 分形维数

近年来，随着中国经济的快速增长和工业化进程的不断加快，大量没有经过适当处理的污废水直接排入河湖，污染物经过一系列物理生化作用后逐渐沉积在河湖底泥中，使河湖底泥变成营养物、持久有机物及重金属等污染物的聚集库[1-2]。目前我国主要通过环保疏浚技术治理河湖内源污染[3-4]，取得了较显著的社会和环境效益，但同时也存在一些问题，其中疏浚底泥的脱水干化处理是环保疏浚中的一大难题。在脱水干化处理前，对疏浚底泥进行快速有效的絮凝调理改善其脱水性能有利于提高疏浚底泥的后续处理效率[5]。

目前主要的污泥絮凝调理方法有化学法、物理法、生物法及联合法，其中化学法和物理法应用较为广泛。化学法使用的调理药剂主要为有机高分子絮凝剂、无机絮凝剂(铝盐和铁盐)以及部分表面活性剂，但絮凝剂本身成本较高，且化学药剂调理投加量较大，易使污泥脱水性能急剧降低，同时产生二次污染[6-8]；物理法是指通过外加能量或应力改变污泥性质的方法，当前应用较为广泛的物理法有微波加热和超声波调理。早在1993年，国外出现有关应用超声波技术处理污泥的研究，发现超声波能促进絮凝过程[9-10]；此外，超声波的空化效应可以明显改变水中液态和固态物质的特性[11]，超声波产生的热作用和海绵作用等能加快固液分离速度，从而提高污泥的脱水效果[12]，然而使用超声波技术调理污泥的能耗较大。联合法是用两种及两种以上技术组合调理，与单独的化学法和物理法相比，联合法能减少絮凝剂用量，另一方面可降低物理调理中的能耗，当前已经有超声波与絮凝剂联合调理污泥的相关研究[13-15]。本研究以长沙市圭塘河疏浚底泥为研究对象，选用无机高分子絮凝剂聚合氯化铝(PAC)、有机高分子絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和超声波联合调理疏浚底泥，探讨各种方法对疏浚底泥脱水性能的改善效果，确定联合法调理的可行性及最佳组合条件，为环保疏浚工程的实际操作提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

疏浚底泥：实验所用泥样取自长沙市圭塘河中段，取样深度为上覆水体以下20 cm，该底泥样品具备典型疏浚底泥的特征，含水率为96%；pH为6.90～7.05，比阻值为5.812×109s2/g；疏浚底泥上清液浊度为192.8 NTU，沉降比为92.5%，中值粒径(d0.5)为9.97 μm，有机物质量分数为37%，取样后去除大颗粒杂质，密封后在阴凉处保存待用。

药剂：PAC聚合度≤10，中性度为3～5，碱化度70%～75%；CPAM分子量8×106～15×106。所有实验药剂均采用分析纯。

仪器：MS2000型激光粒度仪、WGZ-500B型浊度仪、KQ5200型超声清洗器、BX51型摄像显微镜、202-2AB型电热恒温干燥箱、AUY120型电子天平、ZR4-6型六联搅拌机等。

1.2 实验步骤

将化学调理药剂分别配制成溶液态，其中PAC溶液质量分数为10.0%，CPAM溶液质量分数为0.1%；采用ZR4-6型六联搅拌机进行疏浚底泥调理实验，取100 mL疏浚底泥置于烧杯中，启动六联搅拌机，并迅速投加一定量的调理剂溶液，在200 r/min下快速搅拌10 s，60 r/min慢速搅拌3 min，搅拌后静置30 min，取样进行各项指标分析。

1.3 分析方法

疏浚底泥粒径采用激光粒度仪在线测定；微观形态采用摄像显微镜观察；二维分形维数(D2)根据计盒维数计算经图像处理后的底泥絮体得到；比阻值采用真空抽滤法测定。

2 结果与讨论

一般情况下，可以根据污泥比阻值表征其脱水性能，通常认为比阻值在1.00×109～1.00×1010s2/g的污泥较难脱水，比阻值在0.50×109～1.00×109s2/g的污泥较易脱水，比阻值小于0.40×109s2/g的污泥容易脱水，即污泥比阻值越小，越容易脱水[16-17]。

2.1 单一药剂调理对疏浚底泥脱水性能的影响

2.1.1 PAC调理对疏浚底泥脱水性能的影响

向6个装有100 mL疏浚底泥的烧杯中投加不同体积的PAC溶液，使PAC投加量分别为1、2、3、4、5、6 g/L，考察PAC投加量对疏浚底泥脱水性能的影响，结果见图1。

图1 PAC投加量对疏浚底泥脱水性能的影响Fig.1 Effect of PAC dosage on dewatering performance of dredging sediment

从图1可以看出，当PAC投加量从0 g/L增加到4 g/L时，疏浚底泥比阻值不断下降，从5.81×109s2/g降至最低1.54×109s2/g，随着PAC投加量的进一步增加，疏浚底泥比阻值不再降低反而小幅上升，这可能是过量投加的药剂本身会在一定程度上增加疏浚底泥干基成分，从而导致脱水后的减容效果降低。

2.1.2 CPAM对疏浚底泥脱水性能的影响

向6个装有100 mL疏浚底泥的烧杯中加入不同体积的CPAM溶液，使CPAM的投加量分别为20、40、60、80、100、120 mg/L，考察CPAM投加量对疏浚底泥脱水性能的影响，结果见图2。由图2可见，疏浚底泥比阻值随CPAM投加量的增加快速下降，当CPAM投加量为100 mg/L时，疏浚底泥比阻值降至最低，为1.08×109s2/g，此时疏浚底泥脱水性能达到最佳，继续增加CPAM投加量，疏浚底泥脱水性能没有得到进一步改善。这是由于CPAM主要依靠范德华力和氢键为疏浚底泥提供吸附位点，中和疏浚底泥胶体表面的负电荷，削弱胶体颗粒间排斥力，将大量间隙水释放，从而改善疏浚底泥脱水性能[18]；CPAM投加量过高，则大量阳离子导致絮凝剂分子不能完全伸展，疏浚底泥胶体因正电荷排斥而重新脱稳，反而不利于疏浚底泥脱水性能的改善[19-20]。

图2 CPAM投加量对疏浚底泥脱水性能的影响Fig.2 Effect of CPAM dosage on dewatering performance of dredging sediment

2.2 超声波对疏浚底泥脱水性能的影响

采用40 kHz超声波调理100 mL疏浚底泥，调节超声波声能密度分别为0.6、0.8、1.0、1.5 W/mL，超声10、20、30、40、50 s时取样测定比阻值，考察超声条件对疏浚底泥脱水性能的影响，结果见图3。由图3可见，疏浚底泥的比阻值随声能密度的增大先降低后升高，当声能密度为0.8 W/mL时疏浚底泥比阻值最小，为3.74×109s2/g，与原疏浚底泥相比下降了35.6%。根据超声波调理机制可知，随着超声波声能密度的增大，其产生的机械效应和空化效应不断增强[21]，疏浚底泥细胞逐渐破解，胶体中的结合水不断转化为自由水，而超声波的微絮凝作用会使破解的疏浚底泥重新聚集，并吸收能量促使底泥温度上升，疏浚底泥黏性有所降低，脱水性能变好；当超声波声能密度逐渐增大，过度的空化和机械作用反而会破坏底泥内部的絮体结构，使泥样的粒径减小，比表面积增大，从而具有更强的亲水能力，脱水性能慢慢变差。此外，超声时间对疏浚底泥比阻值也有较大影响，从图3可以看出，在选定的声能密度范围内，超声时间在10～30 s时对疏浚底泥脱水性能改善效果较好，超声时间大于30 s后，疏浚底泥比阻值反而增大。

图3 超声波调理对疏浚底泥脱水性能的影响Fig.3 Effect of ultrasonic conditioning on the dewatering performance of dredging sediment

2.3 联合调理对疏浚底泥脱水性能的影响

2.3.1 化学调理对疏浚底泥脱水性能的影响

化学调理是指采用CPAM、PAC两种药剂联合调理疏浚底泥，分别以CPAM投加量、PAC投加量及投药顺序为因素A、B、C，以疏浚底泥比阻值作为考察底泥脱水性能的指标，进行3因素3水平正交实验，实验设计见表1，结果见表2。

由表2可见， A、B、C的极差分别为0.31、0.11、0.25，说明各个因素对脱水性能效果的影响次序为A>C>B。结合药剂使用成本和疏浚底泥脱水性能改善效果，化学调理的最优水平组合为A3B2C2，即CPAM 100 mg/L，PAC 3g/L，投药顺序为先投加PAC后投加CPAM，在此条件下疏浚底泥比阻值为0.81×109s2/g，属于较易脱水污泥，与单独药剂调理效果相比，两种药剂联合调理使疏浚底泥脱水性能进一步改善。先投加PAC后投加CPAM时脱水效果更优，其原因可能是疏浚底泥中胶体颗粒大多带负电，PAC投入后即在水中形成不同形态的水和络合物吸附胶体颗粒，同时通过压缩双电层、电中和及羟基间的桥联等作用使胶体脱稳，随后借助CPAM良好的架桥吸附作用使已经脱稳的胶体迅速形成较大絮体，达到固液分离的效果[22]；如果先投加CPAM，因CPAM投加量较少，其架桥吸附作用较弱，且CPAM的大分子结构使疏浚底泥颗粒所形成的絮体结构疏松，PAC的加入只中和了一部分电荷，压缩双电层作用很弱，使得底泥脱水性能降低。

表1 化学调理正交实验设计

表2 化学调理正交实验结果

2.3.2 超声波联合化学调理对疏浚底泥脱水性能的影响

(1) 调理顺序对疏浚底泥脱水性能的影响

将化学调理(先投加3 g/L PAC慢速搅拌3 min后再投加100 mg/L CPAM，搅拌静置30 min)与超声波调理(频率为40 kHz，声能密度为0.8 W/mL，超声时间为40 s)进行组合联合调理疏浚底泥。分别量取100 mL疏浚底泥样品进行联合调理实验，第1组先进行化学调理再进行超声波调理，第2组先进行超声波调理再进行化学调理，考察调理顺序对疏浚底泥脱水性能的影响。实验结果表明，联合调理顺序对疏浚底泥脱水性改善具有较大影响，第1组疏浚污泥调理结束后比阻值降至0.63×109s2/g，属于较易脱水污泥，第2组疏浚污泥调理结束后比阻值为1.65×109s2/g，属于较难脱水污泥。可以看出，先进行化学调理时对疏浚污泥脱水性能改善效果最好，因为先进行超声波调理时，超声波的机械效应和空化效应使底泥颗粒破碎成为更细小的颗粒，疏浚底泥变得非常黏稠，比表面积增大，化学调理剂提供的絮体长链吸附空位不够吸附更大表面的底泥颗粒，同时比表面积越大其吸水性能越强，结合水含量升高，底泥的脱水性能相对变差。

(2) 联合调理时超声时间对底泥脱水性能的影响

量取4份100 mL疏浚底泥，先进行化学调理后再进行超声波调理，分别控制超声时间为10、20、30、40 s，联合调理结束后测定疏浚底泥比阻值，考察联合调理时超声时间对底泥脱水性能的影响，结果见图4。从图4可以看出，联合调理的超声时间为20 s时比阻值降至最低，为0.38×109s2/g，属于易脱水污泥，可见联合调理大大改善了疏浚底泥的脱水性能。

图4 联合调理时超声时间对脱水性能的影响Fig.4 Effect of ultrasonic time on the dewatering performance during combined conditioning

2.4 D2、d0.5与脱水性能的关系

2.4.1 PAC、CPAM调理对D2、d0.5的影响

一般情况下，D2越大，絮体结构越密实，则颗粒粒径也越大，颗粒絮凝效果越好，底泥脱水效果越好。图5、图6分别为PAC、CPAM在不同投加量时对疏浚底泥d0.5、D2的影响。可以看出，当PAC投加量为4 g/L时，疏浚底泥d0.5、D2最大，分别为15.71 μm、1.69；当CPAM投加量为100 mg/L时，疏浚底泥中d0.5、D2最大，分别为25.16 μm、1.81。

图5 PAC投加量对疏浚底泥D2、d0.5的影响Fig.5 Effect of PAC dosage on D2 and d0.5 of dredging sediment

图6 CPAM投加量对疏浚底泥D2、d0.5的影响Fig.6 Effect of CPAM dosage on D2 and d0.5 of dredging sediment

2.4.2 疏浚底泥沉降性能、脱水性能与d0.5、D2的关系

疏浚底泥比阻值、沉降比与D2的关系见图7。由图7可见，疏浚底泥沉降性能和脱水性能与D2均呈现较好的负相关关系，疏浚底泥沉降比随D2增大而不断降低；D2≤1.70时，疏浚底泥比阻值变化不明显，D2>1.7时比阻值快速下降，当D2>1.8时，比阻值低于1.0×109s2/g。疏浚底泥沉降比、比阻值与D2的拟合结果见式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：SV为疏浚底泥沉降比，%；SRF为疏浚底泥的比阻值，109s2/g。

图7 D2变化对疏浚底泥脱水性能的影响Fig.7 Effects of D2 variation on the dewatering performance of sludge

疏浚底泥d0.5与比阻值、沉降比的关系见图8。疏浚污泥沉降比、比阻值也随d0.5增大整体表现减小的趋势，疏浚底泥沉降比、比阻值与d0.5的拟合结果如下：

SV=-0.130d0.52+2.245d0.5+73.469
R2=0.906 4

(3)

SRF=-0.003d0.52+0.035d0.5+2.11
R2=0.717 9

(4)

图8 d0.5变化对疏浚底泥脱水性能的影响Fig.8 Effects of d0.5 variation on the dewatering performance of sludge

由式(1)至式(4)可见，疏浚底泥沉降比、比阻值与D2、d0.5相关系数均较高，说明疏浚底泥脱水性能与其形态结构存在明显的相关性，D2、d0.5越大，说明疏浚底泥的脱水与沉降性能越好。

3 结 论

(1) 采用投加PAC、CPAM及超声波3种方式单独调理疏浚底泥，3种方式均能在一定程度上改善底泥脱水性能，CPAM最佳投加量为100 mg/L，调理后疏浚底泥比阻值降至1.08×109s2/g，接近较易脱水污泥；PAC最佳投加量为4 g/L，调理后疏浚底泥比阻值为1.58×109s2/g；超声波辐射时最佳的声能密度为0.8 W/mL，超声时间宜在10～30 s。

(2) PAC、CPAM联合化学调理的正交实验表明，最佳化学调理条件为CPAM 100 mg/L，PAC 3 g/L，投药顺序为先投加PAC后投加CPAM，在此条件下疏浚底泥脱水性能进一步改善，属于较易脱水污泥；超声波联合化学调理疏浚污泥时，宜先采用化学调理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，搅拌静置30 min)，再进行超声波调理(超声频率40 kHz，声能密度0.8 W/mL，超声时间20 s)，调理结束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，属于易脱水污泥，疏浚底泥脱水性能大大改善。

(3) 底泥脱水性能与形态结构呈现明显相关性，D2、d0.5越大，疏浚底泥的脱水与沉降性能越好。

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Studyontheimprovementofdredgedsedimentdewateringperformanceunderultrasoniccombinedchemicalconditioning

TANWanchun1,2，WENMin1，DUANWuhua1，PENGShimeng1，WANGYunbo1,2，NIEXiaobao1,2，SUNShiquan1,2.

(1.SchoolofHydraulicEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，ChangshaHunan410114；2.KeyLaboratoryofWater-SedimentSciencesandWaterDisasterPreventionofHunanProvince，ChangshaHunan410114)

Taking the sediment of Guitang River dredged from Changsha City as the research object,the single polymerized aluminum chloride (PAC),cationic polyacrylamide (CPAM),ultrasonic and their combination were used to improve the dewatering performance of the dredged sediment. The results showed that both single PAC and CPAM could improve the dewatering performance of dredged sediment to a certain degree,and the CPAM effect was better than that of PAC. The dewatering performance of dredged sediment was further improved by the combination of two chemical agents,and the dredged sediment belonged to easier to dewatered sludge after combination conditioning. Applying combination conditioning of ultrasonic with chemical conditioning to treat dredged sludge,the chemical conditioning (adding 3 g/L PAC first and then adding 100 mg/L CPAM and stirring for 30 min) should be adopted before ultrasonic treatment (ultrasonic frequency 40 kHz,acoustic energy density 0.8 W/mL,ultrasonic time 20 s). The specific resistance of dredged sediment dropped to 0.38 ×109s2/g after conditioning,the dewatering performance was greatly improved. The dewatering performance of dredged sediment was related to its micromorphological structure. The specific resistance and sedimentation performance of dredged sediment increased with the increase of fractal dimension and median diameter.

dredging sediment； flocculation conditioning； dewatering performance； ultrasonic； fractal dimension

谭万春，男，1975年生，博士，副教授，主要从事水环境污染治理理论与技术研究。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.51309032、No.51408068)；湖南省教育厅科学研究重点项目(No.16A009)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.006

2017-05-04)