河道清淤底泥脱水干化调控技术分析

赵颜昌

(福建省航辉水利水电建筑工程有限公司，福州 350000)

1 概 述

随着我国经济的快速发展，工业化进程加快，一方面是人民物质生活得到明显的改善；另一方面，大量的生活污水和工业废水直接排入河道，污染地表水系。在河流、湖泊等的演化过程中，底部会产生大量的沉积物——淤泥，其中的污染物浓度通常要大于上部的水体，若对这些沉积物处理不当，极易对环境造成二次污染[1-2]。目前，应用较为广泛的一种方法是对淤泥进行环保疏浚，而后再进行处理，降低污染负荷，恢复水体的生态环境。

目前，我国每年河道港口疏浚会产生数亿立方米的高含水量淤泥，其中还含有大量重金属、磷、有机物等污染物[3-4]。疏浚淤泥在自然条件下往往需要5～10年才能达到承载力要求，而且所需的堆场面积较大，造成严重的土地资源浪费，也限制了疏浚工程的进一步开展。因此，需要寻找一种疏浚淤泥快速、绿色的脱水干化技术，对淤泥进行减量化处理。机械脱水法因其脱水效率高、效果良好且稳定而被广泛应用于淤泥脱水干化，但由于河道疏浚淤泥中含有大量有机物，亲水性强，难以进行脱水处理[5]。所以需要一种低成本、效率高的处理药剂对淤泥进行预处理，既要满足淤泥脱水的要求，又要有效降低淤泥中的污染物，避免淤泥中气味的扩散。

本文依托实际河道疏浚工程，分别研究pH值、过氧化氢浓度、亚铁离子浓度以及絮凝剂等因素对淤泥脱水效果的影响，以此获得一种合适的处理药剂，优化淤泥脱水处理前药剂的质量配比、投加方式等，综合考虑药剂的成本、淤泥脱水效率和最终效果，并对其性能的优劣进行评价。

2 试验土样和方法

2.1 试验土样

本文试验所用的淤泥取自西港溪支流梅庄溪。梅庄溪发源于海拔841m的头山，主要流经头村梅庄村和散湖村，全流域集雨面积3.90km2，主河道河长593km，主河道坡降3.03%。河道两岸多为民房、农田、地势较低，河道内存在淤积，长有杂草。采样点位于河道横截面的中心位置，采样深度为0～50cm，采样完成后将淤泥置于密封桶内备用。经检测，淤泥的特性见表1。试验中所用到的药剂主要包括浓硫酸、硫酸亚铁、过氧化氢溶液以及生石灰，级别均为工业级纯。

表1 淤泥特性

2.2 试验方法

2.2.1 药剂预处理方法

1)单因素影响试验。本文将泥浆的毛细吸水时间(CST)作为评价指标，来研究pH值、过氧化氢、亚铁离子和氧化钙掺量等单个因素对淤泥过滤性能的影响。上述药剂的掺加浓度均按照药剂质量与淤泥干质量的比值来确定。试验主要用到的装置有容积为1 000ml的烧杯、搅拌器和CST测量仪。先在烧杯中加入500g的淤泥，用搅拌器搅拌0.5h，保证淤泥均匀。然后调节淤泥pH值并加入硫酸亚铁溶液，用搅拌器搅拌均匀；随后再加入过氧化氢溶液，搅拌1h后加入生石灰，再次搅拌均匀。最后对CST进行测量，并按照下式计算CST的减小率：

(1)

式中：CST0为淤泥的初始毛细吸水时间；CST为添加药剂后淤泥的初始毛细吸水时间。

2)响应面试验设计。该方法是在上述结论的基础上，结合响应面法，按照表2中相应的试验因素和水平，优化pH值以及过氧化氢、亚铁离子、生石灰掺量等参数，最后运用最小二乘法进行拟合。方程如下：

表2 试验影响因素的范围和水平

(2)

式中：Y为响应值，即CST减小比率；X为自变量代码值；β0为常数项；βi为线性系数；βii为二次项系数；βij为交互项系数。

本文共进行29组试验，运用试验结果对式(2)中的回归系数进行拟合。

3)中试优化。综合考虑压滤试验中滤饼的最终含水率和淤泥处理的成本，对响应面试验中的变量再次进行优化，得到Fenton试剂联合生石灰处理淤泥时的最优配比和掺加方案。

2.2.2 淤泥脱水试验

淤泥脱水试验所采用的装置为X20G02型板框式压滤机，其压滤室厚3cm，滤布采用200～250目的丙纶平纹滤布，进料压力设置为0.7MPa，单次进料1.5h，重约400kg，压滤压力设置为1.5MPa，需要加压0.5h。试验结束后，在滤饼中取样测定最终含水率。

3 试验结果分析

3.1 单因素影响试验

3.1.1 pH值的影响分析

本试验中，过氧化氢、亚铁离子和氧化钙的掺加浓度分别为20、10和20mg·g-1。前人的研究已经证明Fenton试剂在酸性环境下的效果最好，因此pH的变化范围为1～6。图1为pH值对淤泥脱水性能的影响变化曲线。从图1中可以看出，随着pH值的增加，CST先减小再增加，在pH=4时达到最小值24.29s，与初始CST相比减少86%左右。因此，在本文的试验条件下，最优的pH值在3～5之间。

图1 pH值对淤泥脱水性能的影响

3.1.2 过氧化氢的影响分析

本试验pH值为4，亚铁离子和氧化钙的掺加浓度分别为10和20mg·g-1。过氧化氢掺加浓度的变化范围为0～24mg·g-1。图2为淤泥脱水性能与过氧化氢浓度掺量之间的关系。从图2中可以看出，淤泥的CST会随着过氧化氢浓度的增加而减小，在过氧化氢的掺加浓度为8 mg·g-1时，CST的变化速率最快，与初始值相比减小80%左右。进一步增加过氧化氢的掺加浓度，CST的变化趋势趋于稳定。当过氧化氢浓度从20mg·g-1增加至24mg·g-1时，CST仅减小1.5s，变化并不明显。所以在本文的试验条件下，过氧化氢的最佳掺加浓度为8～20mg·g-1。

图2 过氧化氢浓度对淤泥脱水性能的影响

3.1.3 亚铁离子的影响分析

本试验pH值为4，过氧化氢和氧化钙的掺加浓度均为20mg·g-1。图3中，亚铁离子的掺加浓度范围控制在0～40mg·g-1。从图3中可以看出，随着CST与亚铁离子的浓度呈现负相关。当掺加浓度为5 mg·g-1时，CST与初始值相比减小80%左右，此时的下降幅度最大。若继续增加亚铁离子的掺加浓度，CST的变化趋于平缓，甚至会有细微的上升。所以在本文的试验条件下，亚铁离子的最佳掺加浓度为5～15mg·g-1。

图3 亚铁离子浓度对淤泥脱水性能的影响

3.1.4 生石灰的影响分析

本试验pH值为4，过氧化氢和亚铁离子的掺加浓度均为20mg·g-1。图4中，生石灰的掺加浓度同样处于0～40mg·g-1之间，以此来研究生石灰的掺加浓度对淤泥脱水性能的影响。从图4中可以看出，CST与生石灰的掺加浓度同样呈现出负相关。当生石灰的掺加浓度为8mg·g-1时，CST的下降幅度最大，与初始值相比，下降78%左右。假如持续增加生石灰的掺加浓度，CST则呈现出平稳的态势，几乎没有变化。所以在本文的试验条件下，生石灰的最佳掺加浓度为8～20mg·g-1。

图4 生石灰浓度对淤泥脱水性能的影响

3.2 响应面法与参数优化

从上述单因素试验中可以看出，随着pH值的增加，CST减小率呈现出先增加再降低的变化趋势；CST的减少率会随着过氧化氢浓度、亚铁离子浓度、生石灰浓度的增加而增加，但CST减小率的变化趋势会逐渐变缓，表明一味的提高掺加浓度并不能减少CST。综上所述，Fenton试剂和生石灰联合使用时，二者之间存在一个最优的掺加浓度配比，以获得最大的CST减少率。

因此，在试验结果基础上，最终结合响应面法和CST减少率的方程，可以确定CST减少率取得最大值89%时，X1=-0.57，X2=0.51，X3=0.22，X4=0.44。从而确定最优的pH值及硫酸亚铁浓度、过氧化氢浓度、生石灰掺量分别为3.43及12.55、15.31、16.61mg·g-1。

3.3 中试参数优化

将滤饼的最终含水率作为评价指标，综合考量经济因素，在上文基础上，对pH值、硫酸亚铁浓度、过氧化氢浓度和生石灰掺量进行优化。

通常情况下，压滤机的进料时间不超过2h。通过改变压滤机的送料时间和压滤时间来分析该因素对滤饼最终含水率的影响，结果见表3。从表3中可以看出，增加送料时间和压滤时间，均能够降低滤饼的最终含水率。所以，后续试验中确定单次送料时间为1.5h，单次压滤时间为0.5h。

表3 送料时间和压滤时间对滤饼最终含水率的影响

在实际的操作过程中，一味增加药剂的使用量，不仅会导致淤泥脱水效果不理想，还会增加工程成本，尤其是生石灰的掺量如果过大，还会增加淤泥的体积。因此，在pH=3.43的基础之上，从成本和最终含水率的角度再次对亚铁离子、过氧化氢和生石灰的掺量进行优化。同样，使用响应面法进行试验设计，具体水平设置见表4。

表4 CCD设计参数水平

联合响应面模型和滤饼最终含水率的变化方程，得到滤饼的最终含水率最小值为29.7%，此时X1=0.66，X2=0.85，X3=0.87，所对应的硫酸亚铁浓度、过氧化氢浓度和生石灰掺量分别为12.31、14.96和13.39mg·g-1。

为了更好地突出Fenton试剂联合生石灰处理淤泥时的效果和成本优势，将其与其他两种常用的试剂进行比较，分别为氯化铁联合生石灰和PAC联合PAM类絮凝剂。3组试验的送料时间和压滤时间分别为1.5和0.5h。3种药剂的掺加量见表5。从表5中可知，3种工况下滤饼的最终含水率分别为29.7%、43.9%和46.2%，Fenton试剂联合生石灰的处理效果最好。

表5 3种药剂的处理效果

在处理成本上，以1t的淤泥为基础，表6为上述3种药剂处理淤泥时的成本对比。Fenton试剂联合生石灰的成本为26.04元/t，其余两种的成本分别为44.4和47.5元/t，明显高于Fenton试剂联合生石灰处理淤泥时的成本。

表6 3种药剂的成本对比

4 结 论

1)本文通过单因素试验和响应面法，获得了Fenton试剂联合生石灰进行淤泥脱水干化时的最优掺加浓度，pH值及硫酸亚铁浓度、过氧化氢浓度和生石灰浓度分别为3.34及12.55、15.3和16.61mg·g-1，淤泥的CST降低89%左右，明显提升淤泥的过滤性能。

2)综合考虑处理效果和成本，以滤饼的最终含水率为指标，再次对药剂的掺量进行优化。在进料时间为1.5h和压滤时间为0.5h的条件下，pH值及硫酸亚铁浓度、过氧化氢浓度和生石灰浓度的最优取值分别为3.34及12.31、14.96和13.39mg·g-1，滤饼的最终含水率为29.7%，降低69.5%。

3)通过对比，Fenton试剂联合生石灰不仅在淤泥的处理效果上占有明显优势，所需的成本也要明显低于其他药剂的成本。