新型低碱性淤泥改性剂脱水固化技术研究*

陈文峰，夏新星，李世汩，黄 跃

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040；3.中交二航局市政建设有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

随着我国水环境治理进程的加快，大量河湖清淤疏浚的淤泥处理受到越来越多的关注，高含水率疏浚淤泥的脱水固化是清淤淤泥处理的重要途径，对提升水环境治理效率，节约土地资源具有重要意义[1]。机械脱水法是淤泥脱水较常用的方法，工程应用广泛，采用物理或化学方法改善清淤淤泥脱水性能，是提高淤泥机械脱水固液分离效果，实现淤泥处理和资源化利用的基本措施[2]。

大量研究和工程实践发现，有机聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化铝(PAC)和聚合氯化铁(PFC)等絮凝剂能有效改善淤泥沉降和脱水效率[3]，药剂复合调理比单一药剂调理效果更好。PAC，PAM等絮凝药剂常与粉煤灰、水泥、石灰等改性剂联用，以进一步优化淤泥机械固结脱水效率[4-6]。其中，粉煤灰、水泥、石灰等无机固化剂类调理药剂有较好的脱水改性效果[2,7]，但其高碱性造成脱水尾水、泥饼碱性普遍偏高(pH>12)，需进行二次处理才能排放或利用，不符合当前低碳环保的理念[8-9]。采用工业废弃物生产低碱性的淤泥改性剂，实现较高淤泥脱水效率的同时，消纳工业固体废弃物，替代传统水泥、石灰，具有积极的环境效益和市场前景[10]。

本研究以枣阳沙河清淤工程的淤泥为研究对象，采用一种低碱性淤泥改性剂与PAC，PAM联合复合调理淤泥，开展淤泥深度脱水固化研究。将工程常用的粉煤灰、常规淤泥改性剂与低碱性淤泥改性剂进行板框压滤脱水试验，对比研究脱水效率差异，分析不同药剂组合下尾水、泥饼变化，揭示微观机理。以期为淤泥板框脱水处理工艺提供低碱性解决方案，为淤泥处理和资源化利用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验淤泥取自枣阳沙河清淤工程，经筛网筛分去除垃圾和大颗粒砾石，自然排出表层淤泥沉降后的自由水后堆放于淤泥池内。经测定淤泥含水率为62%～65%，有机质含量为8.5%，pH值为7.5。PAM药剂为白色粉末，阴离子型，分子量为500～800万。PAC药剂为黄色粉末，主要有效成分为Al2O3，含量>28%。自行研制的低碱性淤泥改性剂以低碱性工业废弃物钢渣、磷石膏为主要原料，搭配水泥混合后得到，外观为灰色粉末，具有低碱性。

本试验定制了板框压滤脱水试验平台，平台主要包括淤泥搅拌罐、药剂搅拌罐、螺旋式给料机、污泥进料泵和板框压滤机，其中污泥进料泵采用了气动隔膜泵，平台能实现淤泥调理和板框压滤的功能。试验板框型号为XMGY3/870-30U，板框尺寸为0.8m×0.8m，共有4块板框，最大进料压力为0.7MPa，最大压榨压力为1.3MPa。

1.2 试验方法

1.2.1板框压滤机最优工作条件试验

为确定板框压滤机针对试验淤泥的合理工作参数，采用PAC，PAM对淤泥进行调理和压滤脱水试验。根据文献调研及前期工程实践结果，试验淤泥调理使用 PAC，PAM 溶液质量百分比分别为10%，0.25%，投加量分别为0.300%，0.012%[2,7]。将试验淤泥含水率调整到80%，85%，90%，搅拌10min进行淤泥均化，投入PAC，PAM组合药剂进行调理，测定不同含水率淤泥的进料速率，并观察压滤机的脱水工况，得到板框压滤的合理工艺参数。

1.2.2不同调理药剂对脱水效果的影响

确定板框压滤工作参数后，在加入PAC，PAM调理的基础上，加入不同掺量的低碱性淤泥改性剂对淤泥进行复合调理，研究不同掺量低碱性淤泥改性剂对淤泥脱水的影响。另外，分别开展低碱性淤泥改性剂、粉煤灰及市售常规淤泥改性剂的淤泥调理试验，具体淤泥调理方案如表1所示。

表1 板框压滤淤泥调理方案

针对各组试验，分别收集不同药剂调理压滤后形成的泥饼，置于室内堆放晾干，监测静置堆放泥饼pH值的变化；对各组泥饼分别进行X射线衍射(XRD)分析，以了解泥饼的矿物组分差异。

1.3 分析方法

采用质量法测定淤泥及泥饼的含水率，泥饼pH值的测定按土水比1∶2.5提取后用pH计测定上清液pH值；污泥比阻采用布氏漏斗法测定。样品粒度组成采用激光粒度仪进行测定。泥饼样品的表面形貌由Sigma HD型场发射扫描电子显微镜获得，结合EDS能谱分析样品基本元素含量。泥饼采用德国Bruker AXS D8-Focus X射线衍射仪进行XRD测试。水中重金属含量采用ICP-OES进行测定。

2 试验结果分析

2.1 过滤-压滤参数试验

为确定试验淤泥板框压滤的工作参数，对淤泥采用PAC，PAM调理和板框压滤，得到板框压滤进料过滤段和压榨固结段的参数。在保证设备正常运行、兼顾进料效率的情况下，采用0.5MPa进料压力，此条件下进料淤泥含固量随时间变化曲线如图1所示。此条件下，进料45min后，淤泥进料量增长趋于停滞，因此将试验进料时间设为45min。压榨段压力设为0.9MPa以延长设备寿命，并达到较好的脱水固结效果。此条件下压榨段压滤尾水排放随时间变化曲线如图2所示。由图2可知，压榨时间为10min时，尾水流量降低到约0.15L/min，此时尾水表现为滴出状态，因此压榨时间确定为10min。

图1 进料淤泥含固量随时间变化曲线

由图1可知，淤泥含水率越高，进料速率越快。清淤工程上岸原泥含水率普遍>90%，经过简单浓缩后，含水率能降低到85%左右，结合图1，2结果，将板框压滤的工作参数确定为：进料淤泥含水率85%，进料压力0.5MPa，进料时间为45min，压榨压力0.9MPa，压榨时间10min。

2.2 调理药剂加药量影响

不同低碱性淤泥改性剂掺量下淤泥脱水试验结果如表2及图3所示。随着低碱性环保改性剂使用量的增加，淤泥进料速率和进料量并未明显提高，尾水pH值逐渐升高，为7～10，不同掺量下泥饼的含水率和厚度等指标相差不大。与常见的石灰和水泥调理药剂相比，该药剂虽有显著低碱度特征，仍应适当控制掺量[2,7]。0.25%，0.5%及1%的进料曲线十分接近，但0.5%，1%的加药量下尾水pH>9，泥饼pH>8，说明0.25%低碱性环保改性剂加药量可达到较好的改性脱水效果，同时也较好地控制了尾水与泥饼pH值的上升。改性剂的主要成分磷石膏矿物组成以二水石膏为主，自身呈现弱酸性，能中和碱性的矿渣和水泥[11]。

表2 不同低碱性淤泥改性剂掺量下淤泥脱水试验结果

图3 不同调理药剂下淤泥进料情况

2.3 调理药剂对淤泥比阻的作用

不同调理药剂下淤泥比阻测定结果如表3所示，未调理淤泥的淤泥比阻高达1.92×1011s2/g，属于难过滤淤泥；使用PAC和PAM组合、0.25%掺量低碱性环保改性剂等调理，淤泥比阻明显下降，减少了过滤阻力。不同调理药剂掺量下淤泥进料体积随时间变化曲线如图4所示。

表3 不同调理药剂下淤泥比阻测定结果

图4 不同调理药剂掺量下淤泥进料体积随时间变化曲线

由图4可知，各试验组初始进料速率均较快，随后出现分化。相比于PAC+PAM组，低碱性淤泥改性组进料速率提高约15%，但与粉煤灰组和常规淤泥改性剂组差异不显著，3种调理药剂中，常规淤泥改性剂组进料速率相对最好。

2.4 不同调理药剂脱水效果

不同调理药剂处理后泥饼与尾水pH差异明显，在0.25%加药比例下，添加低碱性环保改性剂后，压滤尾水的pH值为7.14，相对于PAC+PAM组升高0.3。使用粉煤灰组合药剂试验组尾水的pH值为7.98，这是由于粉煤灰自身呈弱碱性。常规淤泥改性剂组尾水的pH值高达9.98，反映出显著的高碱性特征，这与其生石灰和水泥成分较多有关。

对比3种调理药剂，常规淤泥改性剂具有进料速率快的优势，然而尾水pH过高，不满足环保排放标准。粉煤灰和低碱性环保改性剂控制使用量的情况下，能达到环保排放标准且进料速率较高，粉煤灰组含水率高于低碱性环保改性剂，可见低碱性改性剂具有较好的脱水性能。PAC的最佳工作pH值为5～9，低碱性淤泥改性剂与PAC工作范围相近，有利于PAC发挥改善脱水性能作用。

通过单块脱水泥饼含固率对比分析不同调理药剂的脱水效率。相对于不使用药剂调理淤泥，PAC+PAM组单块泥饼含固量提升27.2%；低碱性环保改性剂组单块泥饼含固量提升了38.3%，且与粉煤灰组、常规淤泥改性剂组泥饼量相当(见表4)。可见，低碱性环保改性剂可显著提升淤泥脱水固化效率。

表4 不同调理药剂下泥饼及淤泥质量

不同调理药剂处理泥饼pH随时间变化曲线如图5所示。由图5可知，常规淤泥改性剂pH随时间迅速下降，粉煤灰组、低碱性淤泥改性剂组下降较缓慢，而原泥组和PAC+PAM组pH基本未明显变化。一般认为这种变化与空气中二氧化碳的中和作用有关，较低pH的泥饼基本不受影响。

图5 不同调理药剂处理泥饼pH随时间变化曲线

2.5 调理药剂脱水固化机理讨论

各组泥饼的XRD图谱如图6所示。由图6可知，试验淤泥的主要矿物组分为石英、高岭石和伊利石等黏土矿物，PAC+PAM调理泥饼矿物组成未明显变化。低碱性改性剂、粉煤灰与常规淤泥改性剂组泥饼出现少量水化硅酸钙、水化硅铝酸钙、氢氧化钙和氢氧化镁铝等矿物，表明淤泥调理后发生水化反应，生成硅酸盐、碳酸钙等矿物骨架，改善淤泥脱水性能，提高泥饼强度[8]。通过峰的强弱可知，粉煤灰和低碱性淤泥改性剂组的氢氧化钙等强碱性组分含量低于常规淤泥改性剂，导致其尾水和泥饼碱性更低[12-13]。空气中的二氧化碳在泥饼堆肥过程中，能与其中的氢氧化钙等碱性物质发生中和反应，进一步降低泥饼pH。

图6 调理后泥饼XRD图谱

3 结语

1)新型低碱性淤泥改性药剂能与常用的PAC，PAM发挥较好的复合调理作用，有效降低脱水淤泥比阻，改善脱水性能。

2)相比粉煤灰、常规高碱性淤泥改性药剂，新型低碱性淤泥改性剂在达到同等调理效果的同时，尾水和泥饼pH值可控制在较低范围，无需二次处理，降低了淤泥脱水固化总成本，有效克服了传统固化剂碱性过高的缺陷。

3)新型低碱性淤泥改性剂在对钢渣、磷石膏等工业废弃物进行资源化利用的基础上，为淤泥脱水固化工程提供了低碱性解决方案。