化學調理劑對河湖淤泥脫水效果及泥餅pH的優化

摘要：以工程項目現場原有生石灰投加量為基礎，研究了CaO不同投加量及其粒徑對脫水效果及泥餅pH的影響；同時在CaO最適投加量及粒徑的前提下開展了其與NaHCO3、木質素磺酸鈣、聚合硫酸鐵（PFS）、聚合氯化鋁（PAC）、聚丙烯酰胺（PAM）的復合調配對淤泥脫水效果及泥餅pH變化的影響研究。結果表明，CaO投加量的減少可在一定程度上降低泥餅pH，但泥餅含水率有小幅度加大；不同粒徑分布的CaO對淤泥調質，脫水后泥餅含水率有明顯差異，隨CaO粒徑減小，泥餅含水率呈下降趨勢，pH則呈上升趨勢。NaHCO3、木質素磺酸鈣與CaO聯合調理能夠降低淤泥泥餅的pH，但是泥餅含水率增加相對較大，脫水效果下降。PAC、PAM單獨復配CaO脫水效果稍微優于PFS單獨復配CaO，綜合考慮脫水效果及泥餅pH，最佳組合為0.50%PAC+0.02%PAM+9.00%（120目）CaO。

關鍵詞：化學調理劑；河湖淤泥；泥餅；脫水效果；pH

中圖分類號：X524" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）06-0051-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.010 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Optimization effects of chemical conditioning reagent on the dehydration of river and lake sludge and the pH of sludge cake

WANG Long-tao1，2，3，4， CHEN Wen-feng1，2，3，4， HUANG Sheng1，2，3，4， XU Yang-fan1，2，3，4， XIA Xin-xing1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Co.， Ltd.， Wuhan" 430040， China； 2.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology， Wuhan" 430040， China； 3.Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure， Wuhan" 430040， China； 4.CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co.， Ltd.， Wuhan" 430040， China）

Abstract： The effects of different dosages and particles size of CaO on the dehydration effect and pH of sludge cake were investigated based on the original caustic lime dosage from the actual project. In addition， under the premise of the optimum addition and particle size of the lime， the compound formulation effects of CaO and NaHCO3， calcium lignin sulfonate， polyferric sulfate （PFS）， polyaluminium chloride （PAC） and polyacrylamide （PAM） on dehydration effect and pH of sludge cake was studied. The results showed that， the reduction of the CaO dosage could decrease the pH of sludge cake to a certain extent， but the moisture content of sludge increased slightly. The moisture content of sludge cake after dewatering appeared significantly different for the different particle sizes of CaO powder. As a whole， the moisture content decreased， while the pH increased with the decrease of CaO particle size. The combination of NaHCO3， calcium lignosulfonate and CaO could reduce the pH of sludge cake， but weaken the dehydration effect，the moisture content of sludge cake increased relatively large. The dehydration effect of PAC or PAM compounded CaO was slightly better than that of PFS compounded CaO. Considering the dehydration effect and the pH of sludge cake， the optimal combination was 0.50% PAC + 0.02% PAM + 9.00% （120 mesh） CaO.

Key words： chemical conditioning reagent； river and lake sludge； sludge cake； dehydration effect； pH

隨著水利及環保行業的快速發展，中國疏浚和清淤產生淤泥量超過1億t/年［1］，大量的淤泥處理及處置已迫在眉睫。但國內針對淤泥處理處置相關標準較少，而針對污水處理廠污泥，中國已制定了20余項污泥處理處置相關標準、指南及規范，因此現有的淤泥處理處置方式主要參考城鎮污水處理廠污泥相關標準［2］。針對污泥的調理方法主要有物理法和化學調理法。物理法包括水熱法、超聲法及冷凍溶解法［3-5］等，雖然效果好，但能耗高，不適合大規模使用。因此，在大規模處理淤泥時主要采用化學調理結合機械脫水的方法［6］?；瘜W調理的核心為化學調理劑，常用的有機化學調理劑有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等，聚丙烯酰胺（PAM）因其優良的性能被廣泛運用于淤污泥的化學調理過程，常用的無機化學調理劑有鋁鹽、鐵鹽等［7］。相關研究表明，添加單一類的化學調理劑能夠提高污泥的脫水速率，但無法使污泥的脫水效果達到預期效果［8-10］，因此國內外研究者開始研究復合型調理劑，以提高污泥的脫水效果。其中“化學調理+脫水骨架”聯合構建能夠達到預期效果，在化學調理劑脫水骨架構建方面，工業石灰因其脫水效果好、成本低、取材方便等優點在淤污泥深度脫水中被廣泛使用［11］。生石灰與水反應放熱，在一定程度上破壞了土壤膠體結構，達到污泥改性調理的作用，同時生成的Ca（OH）2為微溶物質，可作為脫水骨架，更有利于淤泥內部間隙水進一步釋放［12］。但使用石灰脫水容易造成泥餅pH高、無機鹽離子（鈣離子）殘留大、熱值降低顯著等問題［13］，增加了泥餅的資源化利用難度。因此，在成本可控的前提下，尋求將石灰作為調理劑及將脫水骨架帶來的負面影響降至最低的調理劑或組合，在淤污泥處理特別是污泥深度脫水領域具有重要意義。

本研究在中交第二航務工程局現有實施項目的基礎上開展研究。項目受畜禽養殖業及生活污水排放的影響，河道淤泥中有機質含量及其腐殖化程度較高，淤泥性質介于淤泥質土與有機污泥之間。本研究基于現場淤泥有機質高及項目實際情況，主要采用高堿度生石灰來改善污泥脫水性能。由于該項目對泥餅堿度有硬性指標要求，生石灰摻量受到限制，因此，本研究基于項目實際情況擬采用生石灰的投料配比、生石灰粒度、無機-有機高分子絮凝劑與石灰聯合調質，在滿足泥餅低pH的同時，盡可能提高淤泥脫水效果，為后續同類型的淤泥處理處置項目提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥來自中交第二航務工程局河道整治工程，根據現場情況設置采樣點，樣品采集的是項目脫水現場未改性前的淤泥泥漿。泥漿采回項目現場淤泥脫水站實驗室后進行混勻并置于陰涼處保存?；靹蛴倌嗄鄻觩H為7.26，含水率為80%，容重為1.15 g/cm3，有機質含量為148.3 g/kg，中值粒徑為10.69 μm，含沙率為6.43%。

本研究篩選的改性材料主要包括聚合硫酸鐵（PFS）、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）（法國愛森牌，離子度30%，分子質量1 600萬u）、聚合氯化鋁（PAC）、NaHCO3、木質素碳酸鈣及CaO（分析純，99.9%），其中CaO采用40目（孔徑425 μm）、60目（孔徑250 μm）、120目（孔徑125 μm）、200目（孔徑75 μm）、325目（孔徑45 μm）過篩密封保存。

1.2 試驗方法

目前底泥脫水評價指標各異，常用的評價指標包括底泥的過濾性能、底泥的沉降性能及底泥的脫水程度［14］。其中，脫水快慢和最終可脫水程度是主要的評價指標，底泥的沉降速度和過濾速度可以衡量底泥脫水的快慢，底泥最終可脫水程度采用真空抽濾脫水后的泥餅含水率表示［15］。因為工程項目主要考察底泥最終可脫水程度及泥餅pH，所以本研究主要選取真空抽濾脫水后的泥餅含水率作為衡量脫水效果的指標。

試驗每次取淤泥100 mL（按容重計算為115 g）至250 mL燒杯中，加入化學調理劑（投加量是以淤泥中干固體含量為基礎計算出的質量比），攪拌15 min，然后將調質好的淤泥迅速轉移到真空抽濾裝置的布氏漏斗進行抽濾，抽濾壓力為0.1 MPa，直至無明顯濾液時取出泥餅烘干稱重測定含水率。

1.3 測定指標及數據處理

測定指標主要為泥餅pH、脫水泥餅含水率。濾餅含水率的測定方法參照《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T 221—2005）。采用Origin 8.0和SPSS 13.0軟件分別進行數據作圖及方差分析。

2 結果與分析

2.1 CaO投加量對淤泥脫水效果及泥餅pH的影響

本研究項目現場脫水泥餅含水率要求控制在50%以下，項目實際運行時的單獨CaO投加量為12.00%，因此以成本控制為原則，CaO投加量設計依次為12.00%、11.00%、10.00%、9.00%、8.00%、7.00%、6.00%、5.00%。從圖1可以發現，隨著CaO投加量的減少，泥餅pH降低，CaO投加量在12.00%、11.00%及10.00%時泥餅pH相對較高且下降很慢，pH分別為11.85±0.03、11.80±0.06、11.76±0.07。當CaO投加量從10.00%降低至9.00%時，pH降低趨勢出現了明顯的變化，pH從11.76降至11.21，降低了0.55，占總體pH降低量的61.1%，可能是CaO投加量在9.00%時，CaO與水反應相對較為充分，泥餅中殘余CaO或者Ca（OH）2相對減少。隨著CaO投加量的減少，泥餅含水率整體呈上升趨勢，其中CaO投加量在12.00%、11.00%及10.00%時泥餅含水率都低于50%，分別為48.73%±1.18%、48.99%±1.12%、49.44%±1.52%，CaO投加量在9.00%及以下時泥餅含水率都高于50%。由以上結果可知，CaO投加量為9.00%時泥餅含水率為50.14%，接近驗收50%的要求，此時pH下降較快，因此后續配合其他改性或調理劑理論上可滿足項目驗收要求。結合項目現場實際情況及生產成本，可以考慮在CaO投加量為9.00%時替代原來12.00%的CaO用量。但由于pH降低能力有限，因此仍然需要其他方法輔助降低pH。李一璇［16］的研究表明，石灰投加量與原污泥性質密切相關，PAM和石灰配合使用量為污泥干重的10%～20%能取得較好的脫水及運行效果。而本研究對象為河道淤泥，淤泥的含水率、有機質、含沙量等與市政污泥差異較大，且同時考慮對泥餅pH的影響，因此有一定差異。

2.2 CaO粒徑對淤泥脫水效果及泥餅pH的影響

為了探討CaO粒徑分布對淤泥脫水效果的影響，本研究分別用40、60、120、200、325目的篩子將CaO進行篩分分組，并各取投加量為9.00%的篩分CaO至100 mL試驗淤泥中，攪拌15 min，進行真空抽濾脫水試驗，其中未篩分CaO泥餅含水率為50.14%±1.41%、pH為11.21，篩分后的試驗結果如圖2所示。由圖2可知，不同粒徑分布的CaO對污泥調質，對脫水后泥餅含水率有明顯影響，整體上泥餅含水率隨著CaO粒徑的減小呈下降趨勢，從120目篩分開始，泥餅含水率都在50%以下，120、200、325目的泥餅含水率分別為49.11%±1.12%、49.08%±1.20%、49.01%±0.98%；而40、60目的泥餅含水率都高于50%，不滿足項目驗收條件。40、60、120、200、325目篩分的CaO處理的pH依次為11.22、11.23、11.23、11.28、11.30，pH隨著CaO粒徑的減小而加大。產生以上結果和現象的主要原因是石灰加到淤污泥中，通過反應主要以CaO、Ca（OH）2、Ca2+和OH-等形式存在，而石灰在淤污泥脫水中起作用的主要形式是Ca（OH）2，而不是Ca2+，Ca（OH）2絮體物能使淤污泥顆粒發生凝聚作用，從而改善淤污泥的脫水性能［17，18］，且隨著粒徑的減小，生石灰反應更加充分，在相同量的CaO和相同反應時間下形成了更多的Ca（OH）2，因此隨著CaO粒徑的減小泥餅的含水率降低，而pH變大。

從以上分析可以看出，在泥餅含水率滿足項目驗收的前提下，120目篩分的CaO綜合效果相對最好，泥餅含水率為49.11%±1.12%，pH為11.23。一方面120目篩分的CaO可增大與淤泥顆粒接觸面積從而充分反應，另一方面CaO活性及參與反應的量會增大，在達到相同脫水效果下的CaO投加量會減少。

2.3 CaO與不同試劑復配對泥餅脫水效果及pH的影響

在不同試劑復配改性上，基于單投CaO及CaO粒徑影響分析的基礎上，嘗試多種材料測試其脫水改性效果及對pH的影響。研究表明，試劑的投加順序對淤泥的改性脫水效果有一定影響，先投CaO容易引起污泥中固體物含量的增加，在膠體顆粒表面覆蓋率一定的情況下會導致PAM等用量的增加，反應不夠充分，同時污泥的pH對PAM等絮凝劑的反應效果有一定影響［16］。因此，為了避免重復研究得出相同的結論，本研究的方案是建立在先投加改性試劑的基礎上再投加CaO。方案設計如表1所示。

CaO與不同試劑復配對泥餅脫水效果及pH影響結果見圖3。由圖3可知，投加NaHCO3雖然可以通過與Ca（OH）2反應生成CaCO3使pH從11.23降至10.53，明顯降低泥餅pH，但總體上使淤泥脫水效果降低，泥餅含水率從49.11%±1.12%上升至53.19%±2.12%。產生以上現象的主要原因可能是由于" NaHCO3與Ca（OH）2反應將生石灰吸收的水分進一步釋放，同時生產的碳酸鈣粉末屬于難溶物質，且密度相對Ca（OH）2更大，極易沉降，導致在脫水骨架構建的效果上不及Ca（OH）2，因此造成淤泥脫水效果下降。這一結果和吳素花等［19］的研究結果較為相近，其研究表明采用FeCl3和改性CaCO3調理污泥對污泥脫水性能的改善效果不如FeCl3和石灰。基于以上結果未開展NaHCO3進一步優化研究。

投加木質素磺酸鈣（表面活性劑/減水劑）泥餅的pH從11.23降至10.58，但泥餅含水率從49.11%±1.12%上升至57.67%±2.00%，對淤泥脫水有負面作用，造成這種現象的主要原因可能是木質素磺酸鈣的加入使淤泥內部變得結構密實，孔隙率降低，從而導致淤泥的脫水效果大大降低［20］。

分別投加PFS、PAC、PAM即D、E、F試驗組的淤泥脫水效果有所提高，泥餅含水率分別比對照組A降低了0.03、0.08、0.06個百分點，泥餅pH比對照組A分別降低了0.48、0.72、0.42。相對來說，PAC、PAM單獨復配CaO脫水效果稍優于PFS單獨復配CaO，同時綜合考慮泥餅pH及項目考核要求，可選擇PAC單獨復配CaO即E組，其在能滿足50%含水率的前提下，pH相對較低。PAM與無機絮凝劑、CaO三者復配時，即G和H組明顯提高了淤泥的脫水效果，其中PAC+PAM復配CaO的改性效果仍優于PFS+PAM復配CaO，G和H組的脫水泥餅含水率分別為48.44%±0.98%、48.03%±0.99%，pH分別為10.43、10.38。導致以上結果的主要原因是聚合氯化鋁電解的Al3+相對分子質量較聚合硫酸鐵電解的Fe3+低，相同投加量下能產生更多的Al3+，形成更多的絮凝結構體。

綜上，綜合考慮脫水效果及泥餅pH，最佳組合為H組，即0.50%PAC+0.02%PAM+9.00%（120目）CaO。

2.4 暴露及密閉條件下泥餅pH的變化

為進一步研究pH降低的方式，本研究進一步分析了暴露及密閉情況下對泥餅pH的影響，結果分別見表2和表3。由表2可知，在暴露空氣條件下，120目CaO投加量在12.00%時，泥餅暴露放置3.0 d其pH仍在11.23；而CaO投加量在9.00%時，泥餅暴露處理放置3.0 d其pH可降至10.89，主要原因在于泥餅pH主要來源于殘留的Ca（OH）2，易與空氣中CO2發生反應形成CaCO3固體，同時淤泥中腐殖質也具有一定酸堿緩沖性能。

由表3可知，在密閉條件下，泥餅pH隨時間變化緩慢，pH均有所下降。其pH變化原因可能主要是淤泥中有機腐殖質的酸堿緩沖性以及投加鐵鹽、鋁鹽與OH-反應形成了難溶性沉淀物。

3 小結

1）單獨投加CaO研究表明，當CaO投加量從10.00%降至9.00%時pH降低明顯，從11.76降至11.21，降低了0.55，占總體pH降低量的61.1%，此時泥餅含水率為50.14%，接近驗收50%的要求。綜合項目驗收標準，從生產成本角度考慮，CaO投加量9.00%可以替代原來12.00%的CaO用量。

2）隨著CaO粒徑的減小，泥餅含水率整體呈下降趨勢，pH呈上升趨勢。從120目篩分開始，泥餅含水率都在50%以下，120、200、325目的泥餅含水率分別為49.11%±1.12%、49.08%±1.20%、49.01%±0.98%，而40、60目的泥餅含水率都高于50%，不滿足項目泥餅含水率50%的驗收條件。在含水率滿足項目的前提下，120目CaO綜合效果最好，泥餅含水率為49.11%±1.12%，pH為11.23。

3）在相同CaO投加量下聚合氯化鋁對淤泥脫水改性的效果優于聚合硫酸鐵；投加NaHCO3可以通過與Ca（OH）2反應生成CaCO3降低泥餅pH，但使淤泥脫水性能有所降低，不利于淤泥脫水。投加木質素磺酸鈣泥餅的pH從11.23降至10.58，但使淤泥泥餅含水率從49.11%±1.12%上升至57.67%±2.00%，對淤泥脫水有負面作用。以PAC+PAM復配CaO即0.50%PAC+0.02%PAM+9.00%（120目）CaO效果最佳，泥餅含水率及pH分別為48.03%±0.99%、10.38。

4）CaO投加量為12.00%時泥餅堆置養護3.0 d其pH仍在11.23，CaO投加量為9.00%時泥餅堆置養護3.0 d其pH可降至10.89；泥餅在密閉環境下pH均有所下降。

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收稿日期：2022-05-06

基金項目：中交第二航務工程局有限公司科技專項（00-科技-JSKF-20190730-023）

作者簡介：王龍濤（1989-），男，安徽滁州人，工程師，主要從事河道綜合治理研究，（電話）15527428682（電子信箱）wanglongtaoxyz@qq.com。