超聲波聯合化學調理改善疏浚底泥脫水性能的研究*

譚萬春 文 敏 段武華 彭詩夢 王云波 聶小保 孫士權

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

超聲波聯合化學調理改善疏浚底泥脫水性能的研究*

譚萬春1,2文 敏1#段武華1彭詩夢1王云波1,2聶小保1,2孫士權1,2

(1.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

以長沙市圭塘河疏浚底泥為研究對象，分別采用聚合氯化鋁(PAC)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和超聲波改善疏浚底泥脫水性能。結果表明，單一PAC、CPAM對疏浚底泥脫水性能均有一定程度的改善作用，CPAM效果優于PAC，經兩種藥劑聯合化學調理后，疏浚底泥脫水性能進一步改善，調理結束后疏浚底泥屬較易脫水污泥；超聲波聯合化學調理疏浚污泥時，宜先采用化學調理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)，再進行超聲波調理(超聲頻率40 kHz，聲能密度0.8 W/mL，超聲時間20 s)，調理結束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，疏浚底泥脫水性能大大改善。疏浚底泥脫水性能與其微形態結構相關，疏浚底泥二維分形維數越大、中值粒徑越大，其脫水與沉降性能越好。

疏浚底泥 絮凝調理 脫水性能 超聲波 分形維數

近年來，隨著中國經濟的快速增長和工業化進程的不斷加快，大量沒有經過適當處理的污廢水直接排入河湖，污染物經過一系列物理生化作用后逐漸沉積在河湖底泥中，使河湖底泥變成營養物、持久有機物及重金屬等污染物的聚集庫[1-2]。目前我國主要通過環保疏浚技術治理河湖內源污染[3-4]，取得了較顯著的社會和環境效益，但同時也存在一些問題，其中疏浚底泥的脫水干化處理是環保疏浚中的一大難題。在脫水干化處理前，對疏浚底泥進行快速有效的絮凝調理改善其脫水性能有利于提高疏浚底泥的后續處理效率[5]。

目前主要的污泥絮凝調理方法有化學法、物理法、生物法及聯合法，其中化學法和物理法應用較為廣泛?；瘜W法使用的調理藥劑主要為有機高分子絮凝劑、無機絮凝劑(鋁鹽和鐵鹽)以及部分表面活性劑，但絮凝劑本身成本較高，且化學藥劑調理投加量較大，易使污泥脫水性能急劇降低，同時產生二次污染[6-8]；物理法是指通過外加能量或應力改變污泥性質的方法，當前應用較為廣泛的物理法有微波加熱和超聲波調理。早在1993年，國外出現有關應用超聲波技術處理污泥的研究，發現超聲波能促進絮凝過程[9-10]；此外，超聲波的空化效應可以明顯改變水中液態和固態物質的特性[11]，超聲波產生的熱作用和海綿作用等能加快固液分離速度，從而提高污泥的脫水效果[12]，然而使用超聲波技術調理污泥的能耗較大。聯合法是用兩種及兩種以上技術組合調理，與單獨的化學法和物理法相比，聯合法能減少絮凝劑用量，另一方面可降低物理調理中的能耗，當前已經有超聲波與絮凝劑聯合調理污泥的相關研究[13-15]。本研究以長沙市圭塘河疏浚底泥為研究對象，選用無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁(PAC)、有機高分子絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)和超聲波聯合調理疏浚底泥，探討各種方法對疏浚底泥脫水性能的改善效果，確定聯合法調理的可行性及最佳組合條件，為環保疏浚工程的實際操作提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

疏浚底泥：實驗所用泥樣取自長沙市圭塘河中段，取樣深度為上覆水體以下20 cm，該底泥樣品具備典型疏浚底泥的特征，含水率為96%；pH為6.90～7.05，比阻值為5.812×109s2/g；疏浚底泥上清液濁度為192.8 NTU，沉降比為92.5%，中值粒徑(d0.5)為9.97 μm，有機物質量分數為37%，取樣后去除大顆粒雜質，密封后在陰涼處保存待用。

藥劑：PAC聚合度≤10，中性度為3～5，堿化度70%～75%；CPAM分子量8×106～15×106。所有實驗藥劑均采用分析純。

儀器：MS2000型激光粒度儀、WGZ-500B型濁度儀、KQ5200型超聲清洗器、BX51型攝像顯微鏡、202-2AB型電熱恒溫干燥箱、AUY120型電子天平、ZR4-6型六聯攪拌機等。

1.2 實驗步驟

將化學調理藥劑分別配制成溶液態，其中PAC溶液質量分數為10.0%，CPAM溶液質量分數為0.1%；采用ZR4-6型六聯攪拌機進行疏浚底泥調理實驗，取100 mL疏浚底泥置于燒杯中，啟動六聯攪拌機，并迅速投加一定量的調理劑溶液，在200 r/min下快速攪拌10 s，60 r/min慢速攪拌3 min，攪拌后靜置30 min，取樣進行各項指標分析。

1.3 分析方法

疏浚底泥粒徑采用激光粒度儀在線測定；微觀形態采用攝像顯微鏡觀察；二維分形維數(D2)根據計盒維數計算經圖像處理后的底泥絮體得到；比阻值采用真空抽濾法測定。

2 結果與討論

一般情況下，可以根據污泥比阻值表征其脫水性能，通常認為比阻值在1.00×109～1.00×1010s2/g的污泥較難脫水，比阻值在0.50×109～1.00×109s2/g的污泥較易脫水，比阻值小于0.40×109s2/g的污泥容易脫水，即污泥比阻值越小，越容易脫水[16-17]。

2.1 單一藥劑調理對疏浚底泥脫水性能的影響

2.1.1 PAC調理對疏浚底泥脫水性能的影響

向6個裝有100 mL疏浚底泥的燒杯中投加不同體積的PAC溶液，使PAC投加量分別為1、2、3、4、5、6 g/L，考察PAC投加量對疏浚底泥脫水性能的影響，結果見圖1。

圖1 PAC投加量對疏浚底泥脫水性能的影響Fig.1 Effect of PAC dosage on dewatering performance of dredging sediment

從圖1可以看出，當PAC投加量從0 g/L增加到4 g/L時，疏浚底泥比阻值不斷下降，從5.81×109s2/g降至最低1.54×109s2/g，隨著PAC投加量的進一步增加，疏浚底泥比阻值不再降低反而小幅上升，這可能是過量投加的藥劑本身會在一定程度上增加疏浚底泥干基成分，從而導致脫水后的減容效果降低。

2.1.2 CPAM對疏浚底泥脫水性能的影響

向6個裝有100 mL疏浚底泥的燒杯中加入不同體積的CPAM溶液，使CPAM的投加量分別為20、40、60、80、100、120 mg/L，考察CPAM投加量對疏浚底泥脫水性能的影響，結果見圖2。由圖2可見，疏浚底泥比阻值隨CPAM投加量的增加快速下降，當CPAM投加量為100 mg/L時，疏浚底泥比阻值降至最低，為1.08×109s2/g，此時疏浚底泥脫水性能達到最佳，繼續增加CPAM投加量，疏浚底泥脫水性能沒有得到進一步改善。這是由于CPAM主要依靠范德華力和氫鍵為疏浚底泥提供吸附位點，中和疏浚底泥膠體表面的負電荷，削弱膠體顆粒間排斥力，將大量間隙水釋放，從而改善疏浚底泥脫水性能[18]；CPAM投加量過高，則大量陽離子導致絮凝劑分子不能完全伸展，疏浚底泥膠體因正電荷排斥而重新脫穩，反而不利于疏浚底泥脫水性能的改善[19-20]。

圖2 CPAM投加量對疏浚底泥脫水性能的影響Fig.2 Effect of CPAM dosage on dewatering performance of dredging sediment

2.2 超聲波對疏浚底泥脫水性能的影響

采用40 kHz超聲波調理100 mL疏浚底泥，調節超聲波聲能密度分別為0.6、0.8、1.0、1.5 W/mL，超聲10、20、30、40、50 s時取樣測定比阻值，考察超聲條件對疏浚底泥脫水性能的影響，結果見圖3。由圖3可見，疏浚底泥的比阻值隨聲能密度的增大先降低后升高，當聲能密度為0.8 W/mL時疏浚底泥比阻值最小，為3.74×109s2/g，與原疏浚底泥相比下降了35.6%。根據超聲波調理機制可知，隨著超聲波聲能密度的增大，其產生的機械效應和空化效應不斷增強[21]，疏浚底泥細胞逐漸破解，膠體中的結合水不斷轉化為自由水，而超聲波的微絮凝作用會使破解的疏浚底泥重新聚集，并吸收能量促使底泥溫度上升，疏浚底泥黏性有所降低，脫水性能變好；當超聲波聲能密度逐漸增大，過度的空化和機械作用反而會破壞底泥內部的絮體結構，使泥樣的粒徑減小，比表面積增大，從而具有更強的親水能力，脫水性能慢慢變差。此外，超聲時間對疏浚底泥比阻值也有較大影響，從圖3可以看出，在選定的聲能密度范圍內，超聲時間在10～30 s時對疏浚底泥脫水性能改善效果較好，超聲時間大于30 s后，疏浚底泥比阻值反而增大。

圖3 超聲波調理對疏浚底泥脫水性能的影響Fig.3 Effect of ultrasonic conditioning on the dewatering performance of dredging sediment

2.3 聯合調理對疏浚底泥脫水性能的影響

2.3.1 化學調理對疏浚底泥脫水性能的影響

化學調理是指采用CPAM、PAC兩種藥劑聯合調理疏浚底泥，分別以CPAM投加量、PAC投加量及投藥順序為因素A、B、C，以疏浚底泥比阻值作為考察底泥脫水性能的指標，進行3因素3水平正交實驗，實驗設計見表1，結果見表2。

由表2可見， A、B、C的極差分別為0.31、0.11、0.25，說明各個因素對脫水性能效果的影響次序為A>C>B。結合藥劑使用成本和疏浚底泥脫水性能改善效果，化學調理的最優水平組合為A3B2C2，即CPAM 100 mg/L，PAC 3g/L，投藥順序為先投加PAC后投加CPAM，在此條件下疏浚底泥比阻值為0.81×109s2/g，屬于較易脫水污泥，與單獨藥劑調理效果相比，兩種藥劑聯合調理使疏浚底泥脫水性能進一步改善。先投加PAC后投加CPAM時脫水效果更優，其原因可能是疏浚底泥中膠體顆粒大多帶負電，PAC投入后即在水中形成不同形態的水和絡合物吸附膠體顆粒，同時通過壓縮雙電層、電中和及羥基間的橋聯等作用使膠體脫穩，隨后借助CPAM良好的架橋吸附作用使已經脫穩的膠體迅速形成較大絮體，達到固液分離的效果[22]；如果先投加CPAM，因CPAM投加量較少，其架橋吸附作用較弱，且CPAM的大分子結構使疏浚底泥顆粒所形成的絮體結構疏松，PAC的加入只中和了一部分電荷，壓縮雙電層作用很弱，使得底泥脫水性能降低。

表1 化學調理正交實驗設計

表2 化學調理正交實驗結果

2.3.2 超聲波聯合化學調理對疏浚底泥脫水性能的影響

(1) 調理順序對疏浚底泥脫水性能的影響

將化學調理(先投加3 g/L PAC慢速攪拌3 min后再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)與超聲波調理(頻率為40 kHz，聲能密度為0.8 W/mL，超聲時間為40 s)進行組合聯合調理疏浚底泥。分別量取100 mL疏浚底泥樣品進行聯合調理實驗，第1組先進行化學調理再進行超聲波調理，第2組先進行超聲波調理再進行化學調理，考察調理順序對疏浚底泥脫水性能的影響。實驗結果表明，聯合調理順序對疏浚底泥脫水性改善具有較大影響，第1組疏浚污泥調理結束后比阻值降至0.63×109s2/g，屬于較易脫水污泥，第2組疏浚污泥調理結束后比阻值為1.65×109s2/g，屬于較難脫水污泥?？梢钥闯?，先進行化學調理時對疏浚污泥脫水性能改善效果最好，因為先進行超聲波調理時，超聲波的機械效應和空化效應使底泥顆粒破碎成為更細小的顆粒，疏浚底泥變得非常黏稠，比表面積增大，化學調理劑提供的絮體長鏈吸附空位不夠吸附更大表面的底泥顆粒，同時比表面積越大其吸水性能越強，結合水含量升高，底泥的脫水性能相對變差。

(2) 聯合調理時超聲時間對底泥脫水性能的影響

量取4份100 mL疏浚底泥，先進行化學調理后再進行超聲波調理，分別控制超聲時間為10、20、30、40 s，聯合調理結束后測定疏浚底泥比阻值，考察聯合調理時超聲時間對底泥脫水性能的影響，結果見圖4。從圖4可以看出，聯合調理的超聲時間為20 s時比阻值降至最低，為0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，可見聯合調理大大改善了疏浚底泥的脫水性能。

圖4 聯合調理時超聲時間對脫水性能的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on the dewatering performance during combined conditioning

2.4 D2、d0.5與脫水性能的關系

2.4.1 PAC、CPAM調理對D2、d0.5的影響

一般情況下，D2越大，絮體結構越密實，則顆粒粒徑也越大，顆粒絮凝效果越好，底泥脫水效果越好。圖5、圖6分別為PAC、CPAM在不同投加量時對疏浚底泥d0.5、D2的影響?？梢钥闯?，當PAC投加量為4 g/L時，疏浚底泥d0.5、D2最大，分別為15.71 μm、1.69；當CPAM投加量為100 mg/L時，疏浚底泥中d0.5、D2最大，分別為25.16 μm、1.81。

圖5 PAC投加量對疏浚底泥D2、d0.5的影響Fig.5 Effect of PAC dosage on D2 and d0.5 of dredging sediment

圖6 CPAM投加量對疏浚底泥D2、d0.5的影響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、脫水性能與d0.5、D2的關系

疏浚底泥比阻值、沉降比與D2的關系見圖7。由圖7可見，疏浚底泥沉降性能和脫水性能與D2均呈現較好的負相關關系，疏浚底泥沉降比隨D2增大而不斷降低；D2≤1.70時，疏浚底泥比阻值變化不明顯，D2>1.7時比阻值快速下降，當D2>1.8時，比阻值低于1.0×109s2/g。疏浚底泥沉降比、比阻值與D2的擬合結果見式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：SV為疏浚底泥沉降比，%；SRF為疏浚底泥的比阻值，109s2/g。

圖7 D2變化對疏浚底泥脫水性能的影響Fig.7 Effects of D2 variation on the dewatering performance of sludge

疏浚底泥d0.5與比阻值、沉降比的關系見圖8。疏浚污泥沉降比、比阻值也隨d0.5增大整體表現減小的趨勢，疏浚底泥沉降比、比阻值與d0.5的擬合結果如下：

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)

圖8 d0.5變化對疏浚底泥脫水性能的影響Fig.8 Effects of d0.5 variation on the dewatering performance of sludge

由式(1)至式(4)可見，疏浚底泥沉降比、比阻值與D2、d0.5相關系數均較高，說明疏浚底泥脫水性能與其形態結構存在明顯的相關性，D2、d0.5越大，說明疏浚底泥的脫水與沉降性能越好。

3 結 論

(1) 采用投加PAC、CPAM及超聲波3種方式單獨調理疏浚底泥，3種方式均能在一定程度上改善底泥脫水性能，CPAM最佳投加量為100 mg/L，調理后疏浚底泥比阻值降至1.08×109s2/g，接近較易脫水污泥；PAC最佳投加量為4 g/L，調理后疏浚底泥比阻值為1.58×109s2/g；超聲波輻射時最佳的聲能密度為0.8 W/mL，超聲時間宜在10～30 s。

(2) PAC、CPAM聯合化學調理的正交實驗表明，最佳化學調理條件為CPAM 100 mg/L，PAC 3 g/L，投藥順序為先投加PAC后投加CPAM，在此條件下疏浚底泥脫水性能進一步改善，屬于較易脫水污泥；超聲波聯合化學調理疏浚污泥時，宜先采用化學調理(先投加3 g/L PAC再投加100 mg/L CPAM，攪拌靜置30 min)，再進行超聲波調理(超聲頻率40 kHz，聲能密度0.8 W/mL，超聲時間20 s)，調理結束后疏浚底泥比阻值降至0.38×109s2/g，屬于易脫水污泥，疏浚底泥脫水性能大大改善。

(3) 底泥脫水性能與形態結構呈現明顯相關性，D2、d0.5越大，疏浚底泥的脫水與沉降性能越好。

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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

譚萬春，男，1975年生，博士，副教授，主要從事水環境污染治理理論與技術研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51309032、No.51408068)；湖南省教育廳科學研究重點項目(No.16A009)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.006

2017-05-04)