鈣基聚合硫酸鐵添加對河道底泥電滲脫水的影響

李明珠，楊 楠，肖 航, 張會琴,2，劉德富,2，皮科武,2

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068; 2 河湖生態修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068)

隨著城市快速發展和工業化進程的加快，城市河道水體污染日趨嚴重，其污染一方面來自外源污染，另一方面則來自于河道底泥污染物緩慢釋放形成的內源污染，因此對城市河道底泥的治理成為河道整治工作的重中之重，也是確保河道環境持續穩定的根本[1]。由于河道底泥存在“二高一低”(高含水率、高壓縮性、低滲透性)的普遍問題，對其處理帶來了極大的困難，如何降低其含水率，減少其堆放體積與所需堆放場所是首要問題。

電滲透脫水是一種有效的脫水技術，其率先應用于吹填土固結[2]、海相軟粘土排水固結[3]等方面，后被應用于低滲透系數土質的工程排水及市政污泥的深度脫水[4-5]。然而，電滲透用于底泥的深度脫水普遍存在能耗高、脫水時間長等問題[6]。如何通過前期調理改善底泥的物化性質，縮短疏浚底泥脫水時間，并降低其能耗值得深入研究。

筆者利用自行研制的鈣基聚合硫酸鐵，以改善底泥顆粒的性質，探索其強化底泥電滲脫水性能的規律，以此提高河道底泥的電滲脫水速度，縮短脫水時間，降低脫水能耗。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1CaPFS的制備在本實驗室前期研究的基礎上[7]，通過過氧化氫氧化法制備出聚合硫酸鐵，然后加入一定量的氯化鈣粉末，控制實驗溫度共聚反應4 h，即制得鈣基聚合硫酸鐵(CaPFS) 液態產品，對CaPFS通過真空干燥即獲得固態產品，研磨到所需粒徑即為CaPFS粉末，備用。

1.1.2 河道底泥樣品實驗所用底泥取自湖北省武漢市洪山區巡司河河道，北緯N30°29′8.14″ 東經E114°18′21.46″。為保證試驗底泥一致性，一批采樣500～1000 kg，先用10目網篩將樹枝、石頭等雜質去除，而后充分攪拌均勻備用。預處理后底泥的相關理化指標如表1所示。

表1 本實驗所用底泥的理化性質

1.2 實驗步驟

電滲脫水：在實驗室前期實驗結果基礎上[8]，選擇河道底泥電滲脫水最佳電壓為10 V，取1.1.2所備含水率68.0%的底泥100 g，加入1.1.1制備的CaPFS，再將底泥盛置于自制的電滲脫水裝置，此時底泥厚度約為2 cm。接通電源，調節輸出電壓10 V，并在脫水裝置底端用容器接納電滲出水、稱重，即構成電滲脫水實驗。待連續電滲5 min內出水低于1 g，即為電滲脫水終點，停止實驗，分析數據。

非電滲脫水：過程同上述電滲脫水，但無需接通電源，即電壓為0。

CaPFS投加量：設定CaPFS投加量在0～3.0 gFe/kgDS不等，即按1 kg脫水底泥干基(DS)投加的CaPFS 中全Fe的量來計算。

1.3 分析與計算

1)含水率(WC)：指淤泥中水分所占的比例

式中：DSC 為污泥含固率,%；S1表示空蒸發皿質量,g；S2表示蒸發皿和濕樣質量,g；S3表示蒸發皿和烘干樣質量,g。

2)脫水能耗(EC)：指達到脫水終點時所消耗的累計能耗

式中：EC為能耗,kWh或Wh；U為電壓,V；I為電流,A；t為脫水時間,min。

3)脫水能效(EEC)：脫除1 kg水所消耗的電能，單位kWh/kg濾液

式中：EDC為脫水能效,kWh/kg濾液；mf為濾液質量,kg；U、I與t同式(2)。

4)脫水效率(DE)：脫除水的質量占底泥中總水質量的百分比

式中:mf為濾液質量,g；msw為原底泥中水的質量,g。

5)電極電流密度(ECD)：電極單位面積所通過的電流

式中:ECD為電極電流密度,A/ m2；I為通過電極的電流大小,A，S為電極表面積,m2，本實驗有效電極面積為0.0031 m2。

6)其它指標：水樣和泥樣pH采用pH儀(PHS-3C，中國)，粒徑采用激光粒度儀(Mastersizer 2000，英國)進行測定，電導率采用電導率儀(DDS-307，中國)及泥餅溫度采用探針土壤測溫儀(CEM DT-131，中國)進行實時測定[9]。

2 結果與討論

2.1 CaPFS最適投加量的確定

圖 1為不同投加量下的泥餅含水率和脫水效率的變化情況。隨著時間的變化脫水效率呈現先快速上升然后達到極限平衡的趨勢。原因是在電滲透過程中隨著水分的脫除，上層泥餅逐漸干化，引起電阻增大，導致脫水效率逐漸變慢最終達到脫水極限。

圖1 CaPFS投加量對底泥含水率與脫水效率的影響

如圖1所示，對原泥直接電滲脫水時，電滲脫水70 min即可達到終點，此時泥含水率61.3±0.9%，脫水效率為25.4±2.9%。逐漸增加CaPFS 投加量到0.5 gFe/kgDS時，電滲脫水后底泥含水率在58.1±0.4%，脫水效率可達34.9±0.1%。進一步加大CaPFS 投加量到3.0 gFe/kgDS時，電滲脫水后底泥含水率和脫水效果均呈現下降趨勢，因此，CaPFS強化電滲脫水時，并非其投加量越多越好。分析認為投入泥中電解質逐漸增加，系陽離子攜帶水分向陰極運動的能力增強所致[10]。由圖1可知，對含水率68%的河道底泥采用電滲脫水時，控制CaPFS投加量在0.5 gFe/kgDS及以下較為合適。對圖1所示CaPFS投加量與底泥含水率及脫水效率進行分析，分別可得到如下關系，如式(1)和(2)所示。

底泥最終含水率

(1)

底泥脫水效率

(2)

式中：WC(x)為底泥最終含水率,%；x為CaPFS投加量,gFe/kgDS；DE(x)為電滲脫水效率,%。

2.2 對電滲出水pH的影響

底泥在電場作用下，底泥顆粒間游離水及其陽離子不僅可隨電場向陰極移動，同時由于施加的電壓超過了電極溶出電壓，使陽極溶出腐蝕及顆粒間游離水發生電解，導致電滲出水pH發生改變，其脫水效率也隨之變化，如圖2所示。

圖2 出水pH與底泥脫水效率隨CaPFS投加量的變化

電滲出水pH隨CaPFS投加量增加而逐漸上升，當CaPFS投加量為0.4 gFe/kgDS時，水樣pH上升到10.8，而后下降到9.6(CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS)。在電場力的作用下，除了電泳和電遷移迫使水分子向陰極移動外，也會發生水的電解，陰極產生的部分OH-會被電滲出水帶出，導致濾液pH增加[11]。

2.3 對電滲出水電導率的影響

電滲透脫水速率主要由底泥的Zeta電位及所施加的電流密度等因素決定[12]，而底泥電導率對其Zeta電位以及電滲透脫水過程中的電極電流密度具有一定影響，因此必然會對底泥的電滲透脫水效果產生作用，如圖3所示。

圖3 不同投加量下電滲出水電導率、電極電流密度與脫水效率的變化

CaPFS的添加明顯提高了出水電導率，而當CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS時，電導率下降，其原因是此時電滲脫水效率下降導致水分子攜帶離子的能力減弱[13]。電導率與電滲脫水效率呈現相似的變化，當CaPFS投加量逐漸增加，CaPFS離解產生更多的帶電離子壓縮底泥雙電層，促使脫水效率增加；而當CaPFS投加量過多，在電場作用下，膠粒表面電荷會發生逆轉，造成膠體重新穩定，降低絮凝效果。吸附架橋理論指出，只有在絮凝劑投加量適當時，即膠體粒子部分表面被覆蓋才能在微粒間產生有效的吸附架橋作用，并獲得最佳絮凝效果。原泥聚集成團，表面吸附性強，其內包裹水分難于脫除，添加一定量的CaPFS后，泥團絮體成團現象得以緩解，結構松散成塊，降低了顆粒對吸附水和結合水的持有能力，利于脫水，如圖4所示。

圖4 CaPFS的添加對底泥顆粒絮團形態變化的影響

2.4 對電滲脫水能耗的影響

電滲脫水過程當中能耗的影響如圖5所示。同一含固率時，隨CaPFS投加量增加，能耗先呈現下降而后上升。如當含固率為38%，未投加CaPFS時，能耗為1.07 Wh，0.1 gFe/kgDS的投加量時，對應能耗為0.95 Wh，而0.6 gFe/kgDS的投加量時，能耗達到1.45 Wh。

圖5 電滲脫水累計能耗隨底泥含固率的變化

CaPFS的投加在一定程度上會降低脫水終點對應的底泥含水率(即固含率增加)(圖6)，如未投加CaPFS時，脫水終點時底泥含水率為61%，施加0.5 gFe/kgDS的投加量時，則脫水終點底泥對應含水率為58%，因此，CaPFS的加入可提高底泥脫水效率，降低最終底泥的含水率。

圖6 投加量對底泥最終含水率、電滲脫水能效與電導率的影響

底泥電滲透脫水過程不僅僅是粒子間歇水的滲出，更是水中陰陽離子的電遷移、膠體粒子及絮團電泳，同時也包含電極溶出及水的電解過程[14]。CaPFS投加對泥餅含水率、出水電導率及脫水能效的影響可分為以下三個階段：

第一階段，高能效高含水率(CaPFS投加量<0.3 gFe/kgDS)：加入泥樣電解質較少，泥樣電導率低，因而電滲電流較低，能耗相對較低，電滲出水較少，因此最終泥餅含水率高，但脫水能效高。此階段以電泳為主。

第二階段，低能效低含水率(CaPFS投加量0.3～0.5 gFe/kgDS)，泥樣中Ca2+、Fe2+、Fe3+及SO42-等增加，電極電流增加，用于離子電遷移的電耗增加相對較少，而耗于電泳和電滲的電能必然增加，因此電滲出水增多，含水率達到最低，但增加電耗，因此脫水能效達到最低。此階段以電滲脫水為主。

第三階段，電位反向階段(CaPFS投加量>0.5 gFe/kgDS)，進一步增加CaPFS投加量，在電滲脫水條件下，底泥顆粒電位反向抑制顆粒間歇水滲出，泥餅最終含水率增加，出水電導率下降。此階段以電遷移為主。

因此，脫水能效和含水率整體呈現“∪”型，而電導率呈現“∩”型。

2.5 泥餅溫度隨電滲脫水的變化

由于電流通過泥餅，電滲透脫水過程中部分電能以熱量的形式散出，且泥餅溫度與電極電流大小有一定的關系,如圖7所示。

圖7 CaPFS投加量對泥餅溫度隨電滲時間變化的影響

未添加CaPFS的底泥達到脫水終點的最高溫度為 18 ℃左右，而添加了CaPFS的底泥脫水時泥餅的最高溫度可達 21℃，溫度變化趨勢整體隨CaPFS投加量的增加而上升。由于溫度升高利于降低泥樣的粘度，電滲透脫水將朝有利的方向發展，但溫度升高也是電能釋放的一種形式，增加了脫水總能耗，導致脫水能效降低。

2.6 CaPFS投加量對粒徑的影響

CaPFS的投加改變底泥顆粒表面與粒子間膠體電性，利于顆粒膠體雙電層的壓縮，顆粒間歇水易于滲出。顆粒重新聚集為較大顆粒，形成利于水分子滲出的粒子間通道；而過量添加CaPFS，促使底泥顆粒呈現反向電性，顆粒基本維持單個或低聚合狀態，粒子間不易形成滲水通道，泥樣水分難于脫除。不同CaPFS投加量對粒徑的影響如表2所示。

當CaPFS投加量為0.1與0.3 gFe/kgDS時，D50為12.64±0.18 μm和11.26±0.10 μm ，略大于未投加藥劑的D50為10.98±0.10 μm，但隨著投加量的增加，當投加量為0.5 gFe/kgDS與0.6 gFe/kgDS時，D50為10.65±0.09 μm和10.70±0.06 μm，略低于原泥的D50；同時，觀察表2可以得出D90隨CaPFS投加量變化先增大后減小的規律。在無機絮凝劑絮凝過程中，污泥粒徑由兩個過程共同決定：首先，污泥顆粒由于橋接和電性中和、沉淀網捕而迅速聚集成大的絮凝物，隨著反應時間的延長，由壓縮雙電層引起的聚集體水分剝離，絮凝物尺寸逐漸減小。隨后，當聚集速率與斷裂速率達到平衡時，絮體粒徑達到穩定。因此，絮凝劑使粒徑減小是由于絮體斷裂速率大于聚集速率所致。同時，顆粒粒徑并非越小越好，粒徑過小將增加底泥脫水的阻力，合適顆粒粒徑組成的底泥能脫除更多的水分[12]，所以當CaPFS投加量為0.6 gFe/kgDS時，脫水效率出現降低的現象。

表2 底泥粒徑隨CaPFS投加量增加的分布變化

3 結論

1)當CaPFS投加量在0.3～0.5 gFe/kgDS時，可獲得含水率為58.6±0.39%脫水底泥，此時脫出水pH為10.6±0.27，電導率為728.1±7.46 μs/cm，脫水能效為0.07±0.01 kWh/kg濾液。

2)CaPFS調理河道底泥電滲脫水過程可隨CaPFS投加量的變化分為三個階段，第一階段以電泳為主，第二階段以電滲脫水為主，第三階段以電遷移為主，三階段內脫水能效和含水率整體呈現“∪”型，而電導率呈現“∩”型。

3)河道底泥添加適當的鈣基聚合硫酸鐵(CaPFS)可提高其電滲脫水效果，當CaPFS投加量為0.5 gFe/kgDS時，底泥絮體結構由松散塊狀變為密集團狀，有效降低了顆粒間結合水；當CaPFS投加量增加到0.6 gFe/kgDS時，D50和D90進一步減小，細小顆粒增加了底泥脫水的阻力，導致脫水效率下降。