河道清淤底泥脫水干化調控技術分析

2023-02-20 01:17:58趙顏昌

水利科技與經濟 2023年2期

趙顏昌

(福建省航輝水利水電建筑工程有限公司，福州 350000)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，工業化進程加快，一方面是人民物質生活得到明顯的改善；另一方面，大量的生活污水和工業廢水直接排入河道，污染地表水系。在河流、湖泊等的演化過程中，底部會產生大量的沉積物——淤泥，其中的污染物濃度通常要大于上部的水體，若對這些沉積物處理不當，極易對環境造成二次污染[1-2]。目前，應用較為廣泛的一種方法是對淤泥進行環保疏浚，而后再進行處理，降低污染負荷，恢復水體的生態環境。

目前，我國每年河道港口疏浚會產生數億立方米的高含水量淤泥，其中還含有大量重金屬、磷、有機物等污染物[3-4]。疏浚淤泥在自然條件下往往需要5～10年才能達到承載力要求，而且所需的堆場面積較大，造成嚴重的土地資源浪費，也限制了疏浚工程的進一步開展。因此，需要尋找一種疏浚淤泥快速、綠色的脫水干化技術，對淤泥進行減量化處理。機械脫水法因其脫水效率高、效果良好且穩定而被廣泛應用于淤泥脫水干化，但由于河道疏浚淤泥中含有大量有機物，親水性強，難以進行脫水處理[5]。所以需要一種低成本、效率高的處理藥劑對淤泥進行預處理，既要滿足淤泥脫水的要求，又要有效降低淤泥中的污染物，避免淤泥中氣味的擴散。

本文依托實際河道疏浚工程，分別研究pH值、過氧化氫濃度、亞鐵離子濃度以及絮凝劑等因素對淤泥脫水效果的影響，以此獲得一種合適的處理藥劑，優化淤泥脫水處理前藥劑的質量配比、投加方式等，綜合考慮藥劑的成本、淤泥脫水效率和最終效果，并對其性能的優劣進行評價。

2 試驗土樣和方法

2.1 試驗土樣

本文試驗所用的淤泥取自西港溪支流梅莊溪。梅莊溪發源于海拔841m的頭山，主要流經頭村梅莊村和散湖村，全流域集雨面積3.90km2，主河道河長593km，主河道坡降3.03%。河道兩岸多為民房、農田、地勢較低，河道內存在淤積，長有雜草。采樣點位于河道橫截面的中心位置，采樣深度為0～50cm，采樣完成后將淤泥置于密封桶內備用。經檢測，淤泥的特性見表1。試驗中所用到的藥劑主要包括濃硫酸、硫酸亞鐵、過氧化氫溶液以及生石灰，級別均為工業級純。

表1 淤泥特性

2.2 試驗方法

2.2.1 藥劑預處理方法

1)單因素影響試驗。本文將泥漿的毛細吸水時間(CST)作為評價指標，來研究pH值、過氧化氫、亞鐵離子和氧化鈣摻量等單個因素對淤泥過濾性能的影響。上述藥劑的摻加濃度均按照藥劑質量與淤泥干質量的比值來確定。試驗主要用到的裝置有容積為1 000ml的燒杯、攪拌器和CST測量儀。先在燒杯中加入500g的淤泥，用攪拌器攪拌0.5h，保證淤泥均勻。然后調節淤泥pH值并加入硫酸亞鐵溶液，用攪拌器攪拌均勻；隨后再加入過氧化氫溶液，攪拌1h后加入生石灰，再次攪拌均勻。最后對CST進行測量，并按照下式計算CST的減小率：

(1)

式中：CST0為淤泥的初始毛細吸水時間；CST為添加藥劑后淤泥的初始毛細吸水時間。

2)響應面試驗設計。該方法是在上述結論的基礎上，結合響應面法，按照表2中相應的試驗因素和水平，優化pH值以及過氧化氫、亞鐵離子、生石灰摻量等參數，最后運用最小二乘法進行擬合。方程如下：

表2 試驗影響因素的范圍和水平

(2)

式中：Y為響應值，即CST減小比率；X為自變量代碼值；β0為常數項；βi為線性系數；βii為二次項系數；βij為交互項系數。

本文共進行29組試驗，運用試驗結果對式(2)中的回歸系數進行擬合。

3)中試優化。綜合考慮壓濾試驗中濾餅的最終含水率和淤泥處理的成本，對響應面試驗中的變量再次進行優化，得到Fenton試劑聯合生石灰處理淤泥時的最優配比和摻加方案。

2.2.2 淤泥脫水試驗

淤泥脫水試驗所采用的裝置為X20G02型板框式壓濾機，其壓濾室厚3cm，濾布采用200～250目的丙綸平紋濾布，進料壓力設置為0.7MPa，單次進料1.5h，重約400kg，壓濾壓力設置為1.5MPa，需要加壓0.5h。試驗結束后，在濾餅中取樣測定最終含水率。

3 試驗結果分析

3.1 單因素影響試驗

3.1.1 pH值的影響分析

本試驗中，過氧化氫、亞鐵離子和氧化鈣的摻加濃度分別為20、10和20mg·g-1。前人的研究已經證明Fenton試劑在酸性環境下的效果最好，因此pH的變化范圍為1～6。圖1為pH值對淤泥脫水性能的影響變化曲線。從圖1中可以看出，隨著pH值的增加，CST先減小再增加，在pH=4時達到最小值24.29s，與初始CST相比減少86%左右。因此，在本文的試驗條件下，最優的pH值在3～5之間。

圖1 pH值對淤泥脫水性能的影響

3.1.2 過氧化氫的影響分析

本試驗pH值為4，亞鐵離子和氧化鈣的摻加濃度分別為10和20mg·g-1。過氧化氫摻加濃度的變化范圍為0～24mg·g-1。圖2為淤泥脫水性能與過氧化氫濃度摻量之間的關系。從圖2中可以看出，淤泥的CST會隨著過氧化氫濃度的增加而減小，在過氧化氫的摻加濃度為8 mg·g-1時，CST的變化速率最快，與初始值相比減小80%左右。進一步增加過氧化氫的摻加濃度，CST的變化趨勢趨于穩定。當過氧化氫濃度從20mg·g-1增加至24mg·g-1時，CST僅減小1.5s，變化并不明顯。所以在本文的試驗條件下，過氧化氫的最佳摻加濃度為8～20mg·g-1。

圖2 過氧化氫濃度對淤泥脫水性能的影響

3.1.3 亞鐵離子的影響分析

本試驗pH值為4，過氧化氫和氧化鈣的摻加濃度均為20mg·g-1。圖3中，亞鐵離子的摻加濃度范圍控制在0～40mg·g-1。從圖3中可以看出，隨著CST與亞鐵離子的濃度呈現負相關。當摻加濃度為5 mg·g-1時，CST與初始值相比減小80%左右，此時的下降幅度最大。若繼續增加亞鐵離子的摻加濃度，CST的變化趨于平緩，甚至會有細微的上升。所以在本文的試驗條件下，亞鐵離子的最佳摻加濃度為5～15mg·g-1。

圖3 亞鐵離子濃度對淤泥脫水性能的影響

3.1.4 生石灰的影響分析

本試驗pH值為4，過氧化氫和亞鐵離子的摻加濃度均為20mg·g-1。圖4中，生石灰的摻加濃度同樣處于0～40mg·g-1之間，以此來研究生石灰的摻加濃度對淤泥脫水性能的影響。從圖4中可以看出，CST與生石灰的摻加濃度同樣呈現出負相關。當生石灰的摻加濃度為8mg·g-1時，CST的下降幅度最大，與初始值相比，下降78%左右。假如持續增加生石灰的摻加濃度，CST則呈現出平穩的態勢，幾乎沒有變化。所以在本文的試驗條件下，生石灰的最佳摻加濃度為8～20mg·g-1。

圖4 生石灰濃度對淤泥脫水性能的影響

3.2 響應面法與參數優化

從上述單因素試驗中可以看出，隨著pH值的增加，CST減小率呈現出先增加再降低的變化趨勢；CST的減少率會隨著過氧化氫濃度、亞鐵離子濃度、生石灰濃度的增加而增加，但CST減小率的變化趨勢會逐漸變緩，表明一味的提高摻加濃度并不能減少CST。綜上所述，Fenton試劑和生石灰聯合使用時，二者之間存在一個最優的摻加濃度配比，以獲得最大的CST減少率。

因此，在試驗結果基礎上，最終結合響應面法和CST減少率的方程，可以確定CST減少率取得最大值89%時，X1=-0.57，X2=0.51，X3=0.22，X4=0.44。從而確定最優的pH值及硫酸亞鐵濃度、過氧化氫濃度、生石灰摻量分別為3.43及12.55、15.31、16.61mg·g-1。

3.3 中試參數優化

將濾餅的最終含水率作為評價指標，綜合考量經濟因素，在上文基礎上，對pH值、硫酸亞鐵濃度、過氧化氫濃度和生石灰摻量進行優化。

通常情況下，壓濾機的進料時間不超過2h。通過改變壓濾機的送料時間和壓濾時間來分析該因素對濾餅最終含水率的影響，結果見表3。從表3中可以看出，增加送料時間和壓濾時間，均能夠降低濾餅的最終含水率。所以，后續試驗中確定單次送料時間為1.5h，單次壓濾時間為0.5h。

表3 送料時間和壓濾時間對濾餅最終含水率的影響

在實際的操作過程中，一味增加藥劑的使用量，不僅會導致淤泥脫水效果不理想，還會增加工程成本，尤其是生石灰的摻量如果過大，還會增加淤泥的體積。因此，在pH=3.43的基礎之上，從成本和最終含水率的角度再次對亞鐵離子、過氧化氫和生石灰的摻量進行優化。同樣，使用響應面法進行試驗設計，具體水平設置見表4。

表4 CCD設計參數水平

聯合響應面模型和濾餅最終含水率的變化方程，得到濾餅的最終含水率最小值為29.7%，此時X1=0.66，X2=0.85，X3=0.87，所對應的硫酸亞鐵濃度、過氧化氫濃度和生石灰摻量分別為12.31、14.96和13.39mg·g-1。

為了更好地突出Fenton試劑聯合生石灰處理淤泥時的效果和成本優勢，將其與其他兩種常用的試劑進行比較，分別為氯化鐵聯合生石灰和PAC聯合PAM類絮凝劑。3組試驗的送料時間和壓濾時間分別為1.5和0.5h。3種藥劑的摻加量見表5。從表5中可知，3種工況下濾餅的最終含水率分別為29.7%、43.9%和46.2%，Fenton試劑聯合生石灰的處理效果最好。