土工布料在含砷河道底泥脫水固定化中的實驗研究

周保華，李志超，劉 青，王洪杰

（1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)理學(xué)院，河北石家莊 050018；3.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

砷污染是許多國家普遍面臨的水質(zhì)安全問題，人們開發(fā)了多種有效工藝和方法來消除砷污染，其中吸附法作為一種簡單、經(jīng)濟、實用的除砷方法得到了廣泛應(yīng)用［1－7］。特別是在地表水砷污染事件處置過程中，吸附劑被大量投加到污染水體中，在污染水體得到快速有效處置的同時，水中的砷被吸附劑吸附后沉積到河道底部，造成底泥砷含量過高，這些含砷底泥嚴重威脅著河水生態(tài)，會導(dǎo)致內(nèi)源污染。針對這種污泥的常規(guī)處理方式是環(huán)保疏浚，然而疏浚污泥具有較高的含水率不容易運輸，在處置之前需要進行脫水減容。如果使用常規(guī)的堆場自然干化，會造成砷的遷移釋放，污染地下水及土壤，并且由于污泥量巨大，如果使用機械法，則成本過高，工期較長［8－10］。因此尋找一種高效便捷的脫水方法成為人們關(guān)注的重點［11－16］。

土工管袋（以下簡稱土工袋）是一種土工織物包容體［17］，由高強度土工織物（聚丙烯或聚酯）編制而成，在環(huán)保工程中，具有運輸安裝方便、容積調(diào)節(jié)范圍大、可塑性強的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。KUTAY 等研究發(fā)現(xiàn)使用非編織或者編織土工布料可以保留住飛灰泥漿中99%的固體顆粒［18］。MARK 等使用帶式壓濾法和土工袋工藝對循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)反沖洗泥漿脫水，通過對比發(fā)現(xiàn)，2種方法都去除了泥漿中95%以上的懸浮物（SS），然而處理相同的泥漿使用土工袋法可以節(jié)省近50%的資金［19］。土工袋污泥脫水工藝是一項新工藝［20］，目前對含砷底泥還沒有過類似研究。本研究針對的污泥為某河流砷污染的河道底泥，其主要成分為吸附了砷的鐵錳復(fù)合氧化物藥泥，污泥中的砷全部固定于吸附劑顆粒中，因此如何有效脫水并將這些顆粒物盡可能多地保留在土工袋中成為本文研究的重點。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

土工布料：Geotube GT500 型土工布料（珠海纖科化工有限公司提供），等效孔徑為0.4mm。

試劑：陽離子型聚丙烯酰胺（Cationic Polyacrylamide，CZ－8698，相對分子質(zhì)量為1.2×106，北京北科綠潔環(huán)?？萍加邢薰咎峁?/p>

含砷污泥樣品：取自某河流處置后的含砷污染底泥。

儀器：六聯(lián)攪拌儀（MY3000－6N，武漢市梅宇儀器有限公司提供），原子熒光分析儀（AFS9600，北京海光儀器公司提供），濁度儀（WGZ－2AB，上海昕瑞儀器儀表有限公司提供），激光粒度分析儀（Hydro2000Mu，英國馬爾文儀器有限公司提供）。

1.2 實驗方法

1.2.1 含砷污泥的分析

采用紅外水分快速測定儀對含砷河道底泥進行分析，得到污泥的含水率為95%（質(zhì)量分數(shù)）；采用原子熒光分析儀測得污泥樣品中砷的質(zhì)量濃度為10.1mg／L，并且發(fā)現(xiàn)污泥中的砷只存在于固相之中，液相中砷質(zhì)量濃度小于0.1μg／L；使用激光粒度分析儀分析其粒度分布，如圖1所示，可以看出污泥樣品中大部分顆粒粒徑低于77μm。

圖1 含砷河道底泥粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution of arsenic sediment

1.2.2 絮凝劑投加量的考察

本實驗以陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）為絮凝劑。為了考察絮凝劑的最佳投加量，本研究對含砷河道底泥進行了一系列脫水研究，本實驗使用的實驗裝置如圖2所示。該實驗裝置由過濾柱、土工布料和集液漏斗組成，布料夾在過濾柱與集液漏斗之間，3部分靠螺絲固定，相互之間夾墊硅膠墊以保證裝置的密閉性［21］。

圖2 小柱脫水實驗裝置Fig.2 Filtration test set－up

首先對污泥進行絮凝實驗。量取5組相同體積的污泥，每組污泥的體積為800mL，絮凝劑投加量分別為0，0.06，0.12，0.18，0.24 mg／L（質(zhì)量濃度，下同），進行混合攪拌，先快速攪拌（120r／min）20s，接著慢速攪拌（20r／min）120s。將絮凝好的污泥快速倒入脫水裝置中，并開始計時，記錄初始液面高度，同時蓋好上蓋，在常壓下進行脫水實驗。實驗結(jié)束后測定淋出液樣品中的顆粒物質(zhì)量濃度，并分析淋出液流速，其中流速的計算方法如式（1）所示。

其中，F(xiàn)R為淋出液流速，cm／min；V淋出液為收集到的淋出液體積，cm3；t為淋出液的取樣時間，min；A為與污泥接觸的布料面積，cm2。

本實驗重復(fù)3次取平均值作為實驗結(jié)果，通過對實驗結(jié)果進行分析，得到絮凝劑的最佳投加量。

1.2.3 土工袋脫水實驗

HORACE等提出了評價織布－淤泥系統(tǒng)脫水行為的2個參數(shù)，分別為脫水效率（DE）以及過濾效率（FE）［20］。

脫水效率（DE）用于評價脫水設(shè)備對污泥的脫水能力，其計算方法如下。

其中，PSi為污泥的初始含固率，%（質(zhì)量分數(shù)）；PSf為污泥脫水完成后的含固率，%（質(zhì)量分數(shù)）。

過濾效率（FE）用于評價脫水設(shè)備保留填充泥漿中固體顆粒的能力，計算方式如下。

其中，TSi為初始污泥中顆粒物的質(zhì)量濃度，g／L；TSf為收集的淋出液中顆粒物的質(zhì)量濃度，g／L。

透過率（PR）［22］也是評價織布脫水效果的一個參數(shù)，指的是透過單位面積布料顆粒物的質(zhì)量，單位為g／m2，其計算方程如下。

其中，Mf為淋出液中顆粒物的總質(zhì)量，g；A為與污泥接觸的布料面積，m2。

為考察土工袋對實驗污泥的脫水效果，對70L含砷河道底泥進行土工袋脫水實驗，土工袋由2塊邊長為55cm 的正方形土工布料縫合而成，實驗裝置由圖3所示。

首先根據(jù)柱脫水實驗得到的絮凝劑最佳投加量，對污泥進行絮凝，然后將絮凝好的污泥由充泥柱灌入土工袋中，土工袋截留住固體顆粒，水分透過布料及篩板，經(jīng)集液漏斗匯流入水桶中，每隔10s采集淋出液樣品。實驗結(jié)束后使用濁度儀對淋出液的濁度進行分析，采用原子熒光形態(tài)分析儀分析淋出液中的砷質(zhì)量濃度，使用烘干稱重法計算袋內(nèi)污泥含固率以及淋出液中的顆粒物質(zhì)量。

通過對脫水效率（DE）、過濾效率（FE）以及透過率（PR）3個參數(shù)的分析，對土工袋的脫水效果進行評價。

圖3 枕狀土工袋脫水裝置Fig.3 Dehydration device of geotextile bag

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 絮凝劑用量對脫水的影響

不同絮凝劑投加量條件下，淋出液流速與時間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 淋出液流速隨時間的變化Fig.4 Variation of flow rate with time for filtrate

可以看出，淋出液流速變化主要分為2個階段：第1個階段流速迅速降低，這是由于顆粒物沉降到布料表面，結(jié)拱架橋形成濾餅，降低了體系的滲透系數(shù)；隨著濾餅的最終形成，脫水進入第2個階段，流速趨于恒定，直至沒有水分濾出。通過分析圖中的5條曲線，可以看出絮凝劑投加量越高，脫水過程流速越高。當絮凝劑投加量由0 mg／L 增加到0.12 mg／L時，淋出液流速增加得比較明顯，脫水開始30 s時的流速分別為0.196cm／min（0mg／L），0.500 cm／min（0.06 mg／L）和0.700cm／min（0.12 mg／L），可以發(fā)現(xiàn)，當絮凝劑投加量為0.12mg／L 時，脫水30s時的淋出液流速為未添加絮凝劑的底泥淋出液流速的近3.6倍；然而投加量由0.12mg／L 增加到0.24mg／L 時，淋出液流速增加不再明顯，脫水開始30s 時流速分別為0.700cm／min（0.12 mg／L），0.760cm／min（0.18 mg／L）和0.890cm／min（0.24mg／L）。

最終淋出液中的單位體積淋出液顆粒物質(zhì)量與絮凝劑投加量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 絮凝劑投加量對淋出液SS的影響Fig.5 Effect of flocculant dosage on the SS of filtrate

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當絮凝劑的投加量由0增加到0.12mg／L 時，隨著絮凝劑投加量的增加，淋出液中顆粒物的質(zhì)量明顯減小，當絮凝劑投加量為0.12mg／L 時淋出液的懸浮物質(zhì)量濃度僅為23.2 mg／L；當繼續(xù)增加絮凝劑的投加量時，淋出液的懸浮物質(zhì)量濃度變化不大，沒有出現(xiàn)明顯的減小。

通過以上實驗可以發(fā)現(xiàn)，絮凝劑的投加增大了淋出液的流速，縮短了脫水時間，提高了脫水的效率，并且通過投加絮凝劑，明顯增強了布料對顆粒物的保留能力，減少了污染物的流失。綜合考慮絮凝劑的投加量對淋出液流速與淋出液中顆粒物的保留能力的影響，可以確定0.12mg／L 為絮凝劑的最佳投加量。

2.2 土工袋脫水實驗

本實驗共使用污泥70L，收集淋出液36L，淋出液中總顆粒物質(zhì)量僅為1.2g，占污泥樣品中總顆粒物質(zhì)量的0.032%。圖6為淋出液流速與體積隨時間的變化曲線，可以看出，流速隨著濾餅的形成逐漸降低，在30 min左右趨于恒定，流速約為0.008 cm／min。脫水開始時，淋出液出現(xiàn)渾濁，在60s后溶液變澄清，并隨著時間的延長，溶液清澈度增加，這是由于濾餅的形成截住了大部分的小粒徑顆粒。100s時淋出液體積為4 480mL，濁度降低至16.7 NTU，砷質(zhì)量濃度降低至0.48 mg／L，低于污水綜合排放一級標準［23］。由淋出液中砷質(zhì)量濃度與濁度隨時間的變化曲線（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，淋出液的濁度與砷質(zhì)量濃度隨時間的增加而降低，脫水500s時，淋出液的濁度趨近于零，相應(yīng)的砷質(zhì)量濃度也趨近于零。脫水80min后，淋出液體積不再增加，測定淋出液中砷的質(zhì)量濃度為14μg／L，遠遠低于污水綜合排放一級標準。說明該工藝能夠有效脫去含砷污泥中的水分，并且不會造成底泥顆粒中砷的流失。

圖6 淋出液流速與體積隨時間的變化Fig.6 Variation of flow rate and volume with time for filtrate

圖7 淋出液中砷質(zhì)量濃度與濁度隨時間的變化Fig.7 Variation of arsenic content and the turbidity with time for filtrate

此外，通過將高濁度的淋出液單獨收集回灌到袋子中，重新脫水，可以降低淋出液中的顆粒物質(zhì)量以及砷質(zhì)量濃度。

圖8為土工袋內(nèi)的含固率隨時間變化曲線。可以看出，袋內(nèi)污泥的含固率隨時間逐漸升高，于7d后含固率達到20.8%（質(zhì)量分數(shù)，下同），淋出液流速幾乎為零，17d后含固率為21.2%，因此可以斷定，此種污泥通過土工袋脫水工藝，可以使含固率由5%增加到21%，污泥體積減少近85%。

計算得到該工藝中土工袋對含砷底泥的脫水效率（DE）、過濾效率（FE）以及透過率（PR）3個參數(shù)分別為400%，99.1%和135g／m2?？梢钥闯觯m然底泥顆粒的粒徑遠小于織布的孔徑，織布仍能保留絕大部分底泥顆粒，并且該土工袋具有非常高的脫水及過濾效率，透過率低于2 500g／m2［24－25］，說明該工藝能夠有效地對含砷底泥進行脫水處理。

圖8 袋內(nèi)污泥含固率隨時間的變化Fig.8 Variation of Solid content with time for the arsenic sludge

3 結(jié) 語

本研究發(fā)現(xiàn)，向含砷污泥中投加絮凝劑（陽離子型聚丙烯酰胺），可以加速污泥的脫水速率，降低淋出液中的顆粒物質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)在本實驗條件下絮凝劑的最佳投加量為0.12mg／L。通過小型土工袋灌注實驗，可以發(fā)現(xiàn)，該土工袋具有非常高的脫水及過濾效率，透過率低于2 500g／m2，該土工袋體對含砷吸附劑顆粒物有著極強的保留能力，避免因砷的流失造成二次污染，說明該工藝能夠有效地對含砷底泥進行脫水處理。

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