不同絮凝剂对长江疏浚淤泥的絮凝试验研究

罗倩

（重庆市渝中区滨江建设服务中心，重庆 400010）

经过多年发展，我国已经成为世界第一疏浚大国，年疏浚量超过10 亿立方米。港口、航道的建设和维护及河流、湖泊等水环境治理工程中会产生大量的疏浚淤泥[1]，疏浚淤泥由泥水混合物与有机物和生物残体等物质组成，疏浚淤泥有着体量巨大、含水率高、液限高、压缩性高、强度高、组成成分复杂等特点[2]导致疏浚淤泥一般在工程上难以直接利用，而被抛弃处理。抛弃处理不仅是对堆场土地资源的浪费，更是对环境有巨大的污染。2021 年两会期间也提出：减少长江航道回淤，将疏浚土“变废为宝”的观点，加快推进长江航道疏浚土综合利用，服务长江黄金水道建设，促进长江生态环境保护。对于疏浚淤泥的合理利用已经成为目前的共识，由于刚出水的疏浚淤泥有着压缩性大、含水率高、强度低等缺点，这对疏浚淤泥的运输与利用有着严重不利影响，为了便于疏浚淤泥的运输与后续处理，需要对疏浚淤泥进行脱水处理。

目前主流的淤泥脱水主要有两类分别为物理机械与加入化学絮凝剂絮凝脱水，针对淤泥脱水研究已有部分进展。姜洁[3]等人研究了聚合氯化铝对城市污泥脱水效果的影响，研究结果表明对于初始含水量为99%的城市污泥，1.4g/L 的PAC 掺量可以使城市污泥含水率降至91%，且可使污泥体积减少20%。郭丽君[4]研究了聚合氯化铝（PAC）与聚合氯化铁对市政污泥脱水性能的影响，研究结果表明PAC 投加量为160.7mg/g 时，污泥比阻值最小，为4.251011cm/g 相比于原污泥2.91012cm/g 下降明显；聚合氯化铝掺量为263.2mg/g 时，污泥比阻值降低至3.71011cm/g。陆香玉[5]等人研究了硫酸铁与硫酸铝对污泥脱水性能的影响，研究结果表明加入硫酸铁、硫酸铝之后污泥沉降性能较大提升，此外硫酸铝与硫酸铁的加入也能降低污泥含水率，含水率95%的原污泥分别加入硫酸铝与硫酸铁之后含水率降至74%、70%。现阶段针对长江疏浚淤泥的脱水研究较少，絮凝剂方面针对微生物絮凝剂研究相对缺乏。本文针对长江流域疏浚淤泥采用聚丙烯酰胺（PAM）、微生物絮凝剂、聚合氯化铝（PAC）和聚合氯化铁(PAF)分别絮凝并研究其对沉降性能、污泥比阻与泥饼含水率的影响。

1 试验材料与方法

疏浚淤泥来自长江疏浚工程淤泥，主要成分为SiO2、Al2O3、MgO 等，PH 值7.6，淤泥含 水率为100%。微生物絮凝剂来自浙江希望生物科技有限公司，主要成分为生物酶，部分微生物。聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）、聚合氯化铁（PAF）来自江苏鑫灏公司。

根据预实验与文献，不同絮凝剂选择掺量如表1 所示，淤泥含水率为100%，每组试验重复三次取平均值，检测指标为沉降性能、清液高度、污泥比阻和泥饼含水率。

试验将疏浚淤泥干土配置成含水率为100%的疏浚淤泥，在搅拌器上充分搅拌后，利用注射器添加配置的絮凝剂，通过玻璃棒缓慢搅拌，使絮凝剂与泥浆充分混合后将烧杯中试样转移至量筒内，通过玻璃杯慢搅拌后，记 录0min，2min，5min，10min，15min，30min，1h，2h，3h 的泥面高度，绘制泥面高度和沉降时间的关系曲线。泥饼含水率按照规范《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）烘干法进行测量。

2 结果与讨论

2.1 絮凝沉降曲线

絮凝沉降曲线可以较为清楚显示絮凝快慢进度，比较不同絮凝剂之间絮凝效果差异，不同絮凝剂加入后淤泥絮凝沉降曲线见图1。由图可知，加入絮凝剂后能有效提高淤泥絮凝速率，使泥面高度迅速下降，微生物的絮凝沉降曲线在各组曲线最下方，泥面高度下降速率最快，絮凝剂效果好，后续依次为PAM、PAC 和PAF。可能是因为絮凝剂种类不同絮凝剂机理也不相同，PAM属有机高分子絮凝剂，通过卷积－扫网作用实现絮凝，PAC 与PAF 属无机高分子絮凝剂，絮凝主要通过吸附、电中和实现，微生物絮凝剂属新型生物絮凝剂，主要依靠生物酶、微生物实现絮凝，微生物絮凝剂里面的生物酶、微生物等是活性成分絮凝效果强于无活性成分的絮凝剂，而PAM 属于有机高分子絮凝剂掺量少但分子量大卷积－扫网作用强，PAC 与PAF 絮凝是依靠电离出的金属阳离子实现吸附、电中和作用实现，导致PAC与PAF 掺量大且絮凝效果一般。

图1 淤泥絮凝沉降曲线

2.2 清液高度

淤泥絮凝之后的清液高度可以清楚反映淤泥絮凝进度，清液高度增长速率可以反映淤泥絮凝速率，不同絮凝剂下淤泥清液高度如图2，不同絮凝剂下清液高度历时如图3。由图2、3 可知，淤泥清液高度随时间增加而增大，加入絮凝剂后清液高度有显著上升，且淤泥清液高度上升速率明显加大。微生物絮凝剂絮凝效果最好，清液高度最大，0.5h 清液高度达17ml，2h 絮凝基本完成清液高度为35ml，对比无絮凝剂的空白组0.5h与1h 清液高度分别提升了240.0%、169.2%。PAM 絮凝效果仅次于微生物絮凝剂，0.5h 清液高度达13ml，2h 絮凝基本完成清液高度为28ml，对比无絮凝剂的空白组0.5h 与1h 清液高度分别提升了260.0%、115.4%。PAC 与PAF 同属无机高分子絮凝剂，絮凝效果弱于PAM，其中PAC 絮凝效果优于PAF，PAF 絮凝效果是四中絮凝剂中最差的。

图2 不同絮凝剂的清液高度图

图3 不同絮凝剂下的清液高度历时

2.3 污泥比阻

污泥比阻是表示污泥脱水性能的综合性指标。它的物理意义是：单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。污泥比阻可以比较淤泥中加入不同絮凝剂后的过滤性能。污泥比阻越大，过滤脱水性能越差，反之脱水性能越好。公式如下：

掺入不同絮凝剂的淤泥污泥比阻结果如图4。由图4 可知，添加絮凝剂可以有效减小疏浚淤泥的污泥比阻，提高疏浚淤泥的过滤脱水性能。疏浚淤泥的污泥比阻从小到大以为微生物、PAM、PAC、PAF 和空白对照组，微生物絮凝剂组的污泥比阻最小仅为5.45×1012m/Kg，相比于未添加空白组的4.73×1013m/Kg，淤泥比阻减小幅度为88.5%；PAM 组的污泥比阻仅次于微生物组，为9.21×1012m/Kg，淤泥比阻在1012m/Kg 数量级，对比空白组淤泥比阻减小80.4%；PAC 与PAF 组污泥比阻相比空白组也有下降，但污泥比阻在1013m/Kg 数量级，减小幅度小于微生物与PAM。这是因为微生物中的生物酶、微生物活性成分絮凝能力远大于没有活性的有机物与无机物使得淤泥的污泥比阻明显减小，有机高分子的PAM 有极大的分子量卷积－扫网作用也比无机金属阳离子的吸附、电中和强使PAM 污泥比阻减小幅度大于PAC 与PAF。

图4 不同絮凝剂下的污泥比阻

2.4 泥饼含水率

淤泥的污泥比阻试验的泥饼含水率接近淤泥通过机械脱水后的含水率，泥饼含水率可以反映不同絮凝剂对淤泥机械脱水后的泥饼含水率的影响。加入不同絮凝剂后的泥饼含水率如图5，由图可知，絮凝剂可以有效减小泥饼含水率，其中加入微生物絮凝剂后的泥饼含水率最低仅为47.1%，相比空白组的63.9%，含水率下降16.8%，可极大减小泥饼体积，极大有利于疏浚淤泥的运输与进一步利用。加入PAM 后的泥饼含水率为50.3%，泥饼含水率减小了13.6%。PAC 与PAF 泥饼含水率在55%左右，泥饼函数了有一定下降，但幅度有限。可能是因为微生物絮凝剂的活性絮凝成分可以使淤泥颗粒沉淀充分使泥饼含水率较低，PAM 也有较强絮凝沉淀效果使得泥饼含水率低，而PAC 与PAF 絮凝不完全，颗粒没有成分沉淀导致泥饼含水率下降幅度不大。

图5 不同絮凝剂下的泥饼含水率

3 结论

（1）掺入不同絮凝剂都可加快疏浚淤泥絮凝，其中微生物絮凝剂相比于有机高分子絮凝剂PAM 与无机高分子絮凝剂PAC 和PAF 有更好的絮凝效果，能更快絮凝、使淤泥的污泥比阻与泥饼含水率更小。

（2）对于工程应用，相比传统有机或无机絮凝剂微生物絮凝剂能极大减小疏浚淤泥污泥比阻与泥饼含水率，微生物掺量50g/t，可使疏浚淤泥污泥比阻减小88.5%，泥饼含水率减小至47.1%，能极大减小刚出水时疏浚淤泥体方便运输，有利于疏浚淤泥进一步利用。