城市廢棄泥漿脫水評價指標的相關性研究

丁嘉儀， 張春雷， 陳 森， 李 捷， 曾文超， 王 健

（1.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；2.海盈（南京）水處理技術有限公司，江蘇 南京 210029；3.南京環境集團有限公司，江蘇 南京 210026；4.南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

據統計， 我國每年產生約3 億m3城市廢棄泥漿，并且隨著城鎮化地不斷加快而增加[1]。 城市廢棄泥漿大多由細顆粒和黏土礦物組成， 顆粒長期處于穩定的懸浮狀態，含水率較高且難以自然沉降[2-3]。對廢棄泥漿進行減量化和資源化處理利用已經成為當今解決泥漿難題的必然趨勢[4-6]。

城市廢棄泥漿脫水藥劑優良比選主要借鑒現有的污泥脫水性能評價指標，包括：污泥比阻[7]（specific resistance to filtration，SRF）、毛細吸水時間[8]（capillary suction time，CST）、Zeta 電位[9]、顆粒粒徑[10]以及泥餅含水率[5]等，一般沉降過程中的泥漿沉降速率或泥水界面高度也被作為評價脫水藥劑的指標。但由于污泥中有機組分含量高，而城市廢棄泥漿以無機物為主，國內外學者篩選藥劑的評價指標并不完全一致， 也鮮有關于多種指標之間相關性的研究報道，導致目前脫水藥劑的篩選工作難以標準化， 為城市廢棄泥漿脫水藥劑的高效篩選帶來了困難。

研究選取4 種脫水藥劑， 開展不同種脫水藥劑對城市廢棄泥漿的沉降及脫水試驗， 分析沉降泥的比阻（SRF）、毛細吸水時間（CST）、泥餅含水率等指標之間的相關性，以確定1 個最優評價指標，有效指導脫水藥劑的篩選。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用脫水藥劑：聚合氯化鋁（PAC，分析純，由麥克林公司提供， 質量分數為98%）、 三氯化鐵（FeCl3， 分析純， 由成都市科隆化學品有限公司購入，質量分數大于99%）、聚合硫酸鐵（PFS，分析純，由麥克林公司提供，鐵質量分數大于21%）和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM，分析純，由麥克林公司提供，相對分子質量為1.2×104）。

試驗所用泥漿取自南京泥漿處置中心泥漿調節池， 該泥漿為來自南京市多個建筑工地鉆孔灌注樁廢棄泥的混合泥漿。取樣時利用抓斗取泥器，從調節池中抓取底部的泥， 泥漿取回后放入冰箱中4 ℃冷藏，其基本性質見表1，廢棄泥漿的粒徑分布曲線見圖1。 由圖1 可以看出，泥漿中砂粒（≥75 μm）占比26%，粉粒（5 ～75 μm）占比68.5%，黏粒（≤5 μm）占比4.5%，表明泥漿主要由細顆粒粉土組成。

表1 廢棄泥漿基本性質

圖1 廢棄泥漿的粒徑分布

1.2 試驗儀器

六聯磁力攪拌器（SN-MS-6D）、真空過濾裝置（2XZ-1 型）、污泥毛細測試儀（BT33-304M）、數顯鼓風干燥箱 （GZX-9070 MBE）、 土壤密度計（TM85型）、電子天平（YP20002）。

1.3 試驗方法

（1）泥漿沉降試驗

將廢棄泥漿混合均勻后分別倒入1 000 mL 的燒杯中，采用電動攪拌器在300 r/min 轉速下快速攪拌5 min 后依次向泥漿中滴入不同摻量的脫水劑，然后在100 r/min 轉速下慢速攪拌1 min， 之后將800 mL泥漿倒入1 L 量筒中， 用橡膠塞蓋住量筒上下顛倒5次后，放置在實驗臺上，立即打開秒表開始計量，記錄不同時間泥面的高度。 沉降試驗共開展1 h，試驗結束后，測定沉降泥的SRF 和CST 值。 本研究針對廢棄泥漿采用的4 種脫水劑調理方案設置見表2。

表2 調理方案

（2）泥漿比阻（SRF）測定

準備比阻試驗裝置， 在抽濾漏斗中放入定性濾紙并打濕，接觸良好，將量筒試驗后排出上清液的沉降泥放入布氏漏斗中，均勻鋪設厚度約2 cm。 在真空吸力為0.04 MPa 下進行抽濾，每隔10 s 記錄濾液體積至泥餅破裂，抽濾結束后取下泥餅及濾紙，測定抽濾泥餅含水率并計算SRF 值。

（3）壓濾脫水試驗

試驗采用自制壓濾脫水裝置， 該裝置可用于模擬板框壓濾機的加壓脫水過程。 壓榨壓力設定為0.8 MPa，倒入300 mL 沉降泥漿并壓濾60 min，取出泥餅測定其含水率。

（4）泥漿毛細吸水時間（CST）測定

試驗選用直徑為1 cm 的進樣桶，先在下板上放置一片標準濾紙，將上板放置在標準濾紙上，插入進樣桶， 將沉降泥迅速倒入， 由于標準濾紙的毛細作用，水分向四周擴散，待水分擴散至2 組探針后，即可得到從開始至通過探針的時間。

2 試驗結果與分析

2.1 不同脫水劑投加量對沉降泥脫水性能的影響

SRF，CST 是常用于表征泥漿脫水性能的指標，其值越小，說明泥漿的脫水性能越好。不同脫水劑投加量對沉降泥脫水性能的影響見圖2。 由圖2 可以看出， 隨著不同脫水劑投加量的增加， 沉降泥SRF和CST 值均呈現出先減小后增大的趨勢，根據這一趨勢， 可以得到各種脫水劑的最佳投加量，PAC，FeCl3，PFS，CPAM 的最佳投加量分別為1.25%，2.0%，3.5%，0.7‰。

圖2 不同脫水劑投加量對沉降泥脫水性能的影響

不同脫水劑調理下沉降泥的SRF 值與CST 值的相關性分析見表3。 由表3 可以看出，4 種脫水劑作用下沉降泥的SRF 值與CST 值均呈現出了較好的相關性，但SRF 值與CST 值之間的換算公式差別較大。 將4 種脫水劑作用下的所有沉降泥的SRF 值與CST 值整合做相關性分析， 得到線性關系方程，R2為0.692 1，相關性一般。

表3 SRT 與CST 的相關性分析

綜上所述，沉降泥的SRF 值與CST 值具有一定的相關性[11-13]，且可相互替換作為表征同一脫水劑作用下的泥漿的脫水性能指標。

2.2 不同種脫水劑調理后沉降泥的沉降性能分析

不同脫水劑在最佳投加量下的泥漿沉降曲線見圖3。 結合沉降泥的SRF 和CST 值發現，泥水分界面高度變化的快慢與SRF 和CST 值并未存在相似的趨勢，且PAC 與PFS 促沉效果相差不大，而有機脫水劑的促沉效果優于無機脫水劑， 這與李悅等[14]人的研究結果一致，說明對于SRF 和CST 值不能直觀評價泥漿沉降性能， 泥漿沉降性同時取決于脫水劑的化學性質、 分子結構及其與泥漿顆粒的結合能力等，可考慮用沉降速率或沉降比來表征。

圖3 不同脫水劑調理下的泥漿沉降曲線

2.3 SRF，CST 與泥餅含水率的相關性

為了更進一步降低沉降泥含水率、減小體積，很多處理廠選擇機械脫水的方式進行深度處理， 因此脫水后的泥餅含水率也是衡量處理工藝優良的重要指標。壓濾后泥餅含水率與SRF，CST 之間的關系見圖4。

圖4 泥餅含水率以及與SRF，CST 之間的關系

由圖4（a）可以看出，SRF 的變化趨勢與泥餅含水率的變化趨勢一致，SRF 越小， 泥餅含水率就越低， 且SRF 與泥餅含水率呈線性相關，R2=0.95，這是由于SRF 測定原理與壓濾脫水原理類似，均為通過壓力使泥漿顆粒間的水分快速脫除，因此SRF 能準確表征泥漿壓濾脫水性能。

由圖4（b）還可以看出，CST 與泥餅含水率也存在一定的相關性，R2=0.98，說明CST 也能夠較好地反映壓濾脫水效果。

相較于SRF，CST 與泥餅含水率的相關性略好，且在實際操作過程中，CST 的測定更加簡便，無過多條件限制，因此，可通過測定CST 作為評價指標代替SRF，縮短試驗時間。

3 結論

（1）在同一脫水劑作用下，沉降泥的SRF 與CST值呈現出較好的相關性， 不同脫水劑作用下的沉降泥的SRF 值與CST 值也存在一定的相關性。表明沉降泥的SRF 值和CST 值均可作為表征泥漿脫水性能的指標。

（2）泥漿沉降速率、沉降泥面高度與SRF，CST值均未存在相似的趨勢， 不建議將泥漿沉降速率和沉降泥面高度作為評價泥漿脫水性能的指標。

（3）脫水泥餅含水率與沉降泥的SRF 值和CST值均存在較好的相關性，且CST 值與脫水泥餅含水率相關性更好，鑒于實際操作中沉降泥的CST 值更加簡便，可考慮將CST 值作為評價泥漿脫水性能的指標，高效指導泥漿脫水劑優選。