0.   引言

随着中国水环境治理工程的广泛开展，大量污染底泥的环保疏浚问题受到越来越多的关注^[1]。在这些工程中，污染底泥的疏浚方式、疏浚后淤泥的处理处置方法，以及后续资源化用途均是需要考虑的问题^[2]。中国中小河道多使用水力冲刷的疏浚方式；湖泊、水库大多采用绞吸式挖泥船进行清淤^[3]。两者都是目前普遍使用的疏浚方式，共同特点是会产生含水率高、孔隙比大、渗透性差、压缩变形大、高黏粒含量的疏浚淤泥^[4]。在过去的十余年间，这些体积庞大的低浓度泥浆一般被吹填至堆场，长时间占用土地以及可能会给周边环境造成二次污染^[5]。汪顺才等^[6]对堆场疏浚淤泥含水率分布规律开展调查，发现160 d后距离吹淤口100~200 m的地方淤泥含水率仍高达100%以上。因此，高含水率疏浚淤泥如何在短期内脱水减容是亟需解决的问题^[7]，这对于提升水环境治理效果和节约土地资源具有重要意义。

机械脱水法是淤泥脱水中较为常用的方法，尤其以板框压滤脱水应用较为广泛^[8]。詹良通等^[9]开展模拟压滤试验对洗砂泥浆压滤脱水性能及快速检测方法进行研究。板框压滤脱水法往往需要协同絮凝剂共同使用。添加絮凝剂预先改善淤泥脱水性能，能够有效提升淤泥压滤脱水固液分离效果^[10]。武亚军等^[11]采用不同药剂联合真空预压法处理工程废浆，结果表明添加药剂能有效起到防淤堵作用。李世汨等^[12]研究了有机和无机絮凝剂复合调理方式对淤泥机械压滤脱水性能的影响规律，发现添加调理药剂可有效促进淤泥的过滤脱水过程。由于不同絮凝剂的脱水效果存在差异，针对不同絮凝剂对板框压滤过程、以及压滤产物泥饼的性质影响规律开展研究具有较大的意义。

大量研究和工程实践发现，有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）、壳聚糖能有效改善淤泥沉降性能和脱水效率^[13]。本研究以太湖一轮清淤工程中所产生的疏浚淤泥为研究对象，采用阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、壳聚糖对淤泥进行调理，开展单掺试验，寻找最优的掺量。在最优掺量下，开展絮凝联合板框压滤脱水试验研究，分析了添加APAM、壳聚糖后淤泥沉降体积值、上覆水浊度值以及板框压滤出水量变化规律。以期为淤泥板框脱水处理处置工艺和后续泥饼资源化利用提供参考方案。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验淤泥取自西太湖清淤工程的堆场，取样深度在3 m以下，为湖相沉积淤泥，外观呈黑灰色。试验前先将淤泥过筛网筛分去除较大的石子、杂草和其它杂质。依据《土工试验方法标准：GB/T 50123—2019》，测得淤泥的基本物理性质如表 1所示，淤泥偏碱性（pH=8）。根据细粒土的分类标准，该堆场淤泥属于高液限黏土（CH）。使用激光粒度仪测定淤泥粒径分布，粒径分布曲线见图 1。

表  1  淤泥的基本物理性质

Table  1.  Basic physical properties of dredged sediment

含水率/%	液限/%	塑限/%	塑性指数	黏粒含量①/%	相对质量密度	有机质含量②/%
100.37	55.89	20.59	35.30	28.00	2.72	0.75
注：①粒径小于5 μm；②重铬酸钾容量法。

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图  1  淤泥粒径分布曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curve of dredged sediment

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根据前期量筒沉积柱试验结果，选用APAM和壳聚糖这两种絮凝剂，其中APAM为白色固体颗粒，壳聚糖为淡黄色粉末状。APAM、壳聚糖的搅拌速度设置为50 r/min，时长为3 min，现配现用。

1.2   试验方法

（1）量筒沉积柱试验

实际工程中绞吸方式清淤产生的疏浚淤泥经过沉淀池、调理池后，淤泥含水率大约降至4倍液限左右。过筛后淤泥配置成初始含水率为220%（4倍液限）的试验用泥，搅拌均匀。选用规格为500 mL的玻璃量筒。取400 mL搅拌均匀的疏浚淤泥与100 mL的絮凝剂混合液，两者搅拌混合均匀。其中取400 mL的混合液倒入量筒，倒入过程中用玻璃棒进行引流。结束后用保鲜膜密闭封顶，以防水分散失。静置沉降观察7 d，待泥水分离界面高度不再有明显变化时停止观察，记录不同时刻泥水分离界面值（mL）。试验过程中实验室温度保持在20±2℃。具体投加方案如表 2所示。

表  2  单掺药剂投加量

Table  2.  Dosages of single-mixing agents

药剂种类	质量浓度/‰
APAM	0	0.4	0.6	1.0	2.0
壳聚糖	0	1.0	1.5	1.8	2.0

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（2）板框压滤试验

在进行板框压滤试验前，淤泥的预先絮凝调理是极为关键的一步。调理后淤泥中的小颗粒变成大的团聚体，加速排水过程且不易堵塞滤布。为了探究不同絮凝剂对板框压滤性能的影响，采用自主研发的小型板框压滤模型装置开展模拟压滤试验研究。整套模型试验装置配备有隔膜滤板、滤框、滤布、气动隔膜泵、空压机等。各部分之间由透明软管连接，如图 2所示。该装置包括动力系统、进料系统、板框压滤模拟系统。整套装置由空压机提供动力，能够提供≤2.5 MPa的进气压力。进料系统包括气动隔膜泵和配套软管。气动隔膜泵入料口与装有淤泥的物料筒连接；出料口与进泥管连接接入滤框上部的进料口，进泥管上装有开关阀。滤板规格220 mm×220 mm、滤室厚度35 mm。工作时，千斤顶顶紧，使得滤板和滤框紧密结合，淤泥在气压作用下持续进料。进料过滤阶段结束后，关闭开关阀，空压机继续为滤板内嵌的隔膜提供压力，隔膜向滤室凸起，进一步对泥饼压榨脱水。

图  2  板框压滤模型试验机

Figure  2.  Plate and frame pressure filtration model testing machine

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经絮凝调理后淤泥板框压滤整个脱水时间为50 min，包括过滤（0~40 min）和压滤（40~50 min）两个阶段。控制进料压力为0.2 MPa；压榨压力为2 MPa。滤布为聚丙烯材质。试验过程中持续收集滤液并记录实时质量。

2.   试验结果及分析

2.1   沉降体积

絮凝调节后，淤泥浆液以混合悬浮液的形式存在。沉降体积定义为泥水分界面以下淤泥浆液的体积值。图 3显示了不同APAM投加量对淤泥7 d沉降体积的影响。可以看出，沉降曲线呈现先快速下降（48 h内）随后沉降逐渐变缓慢最终趋于稳定的变化趋势。随着APAM掺量的增加，淤泥沉降体积越小，当APAM掺量增至为0.6‰时，此时沉降体积达到最低，7 d沉降稳定时泥水分界面降至186 mL，与原泥相比，其沉降体积降低了25.9%。当投加量超过0.6‰后，淤泥沉降体积反而在上升。发生这种现象的主要原因是APAM分子量较高，较高掺量条件下，溶液中有较多的长链APAM，长分子链无法伸展开来，呈现卷曲状态和线团状态，无法接触较多的土颗粒，导致絮凝作用无法发挥。随着投加量进一步增加，APAM长分子链之间相互缠绕，导致对淤泥颗粒的絮凝效果变差^[14]。过量添加APAM并不能进一步增大絮团的尺寸大小，反而会阻碍高分子链的舒展，土体颗粒无法为多余的APAM分子链提供更多吸附面来形成更大絮团^[15]。

图  3  不同APAM掺量下淤泥沉降体积随时间变化曲线

Figure  3.  Variation curves of settlement volume of dredged sediment with time under different dosages of APAM

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图 4为不同壳聚糖掺量下泥水分离界面随时间变化的沉降曲线。可以看出，随着沉降时间的延长，整个沉降曲线呈现先快速下降（48 h内）随后沉降变缓慢最终趋于稳定的变化趋势。由图 4还可以发现，7 d后当淤泥达到沉降稳定状态时，最终沉降体积随壳聚糖掺量的增加不断降低。当壳聚糖掺量增加至1.8‰时，淤泥沉降体积值达到最低值，在7 d整个沉积时间内沉降体积降至175 mL，相较于原泥，其沉降体积降低了32.4%。当壳聚糖掺量超过1.8‰后，沉降体积反而在上升。壳聚糖主要是通过电中和、吸附架桥作用来发挥絮凝效果。过量的壳聚糖一方面增加了淤泥的黏度，减少了颗粒之间的碰撞，从而影响沉降量；另一方面，过量壳聚糖会使得淤泥表面重新带正电荷，颗粒之间相互排斥，吸附架桥作用减弱导致絮凝脱水效果变差^[13]。

图  4  不同壳聚糖掺量下淤泥沉降体积随时间变化曲线

Figure  4.  Variation curves of settlement volume of dredged sediment with time under different dosages of chitosan

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通过单一絮凝剂不同掺量下量筒沉积柱试验结果，得到了APAM、壳聚糖的最优掺量分别为0.6‰，1.8‰。

2.2   上覆水浊度值分析

浊度值是指溶液对光线透过性能的影响程度，浊度值大小能够直观反映上覆水中悬浮物质的多少。自然沉积7 d后，待泥水分离界面高度不再有明显变化时，用移液管吸取量筒上部析出的水，测定上覆水浊度值。图 5为上覆水浊度值随絮凝剂掺量变化曲线。随着APAM掺量的增加，上覆水浊度值在降低，当掺量为0.6‰，浊度值最低，为12.21NTU，相较于原状淤泥，降低了79.51%。一旦APAM掺量超过0.6‰后，浊度值反而在上升。对不同壳聚糖掺量下7 d淤泥沉积稳定后量筒上覆水浊度值进行测定也发现了此现象，壳聚糖也存在一个最优掺量1.8‰，上覆水浊度值存在最低值11.71NTU，相较于原泥，浊度值降低了80.35%。结果表明，当APAM和壳聚糖掺量在上述最优掺量下，上覆水浊度值也表现出最低值。

图  5  不同絮凝剂掺量下上覆水浊度值

Figure  5.  Values of turbidity of overlying water with different dosages of flocculant

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2.3   板框压滤出水量

选用APAM、壳聚糖对疏浚淤泥预先调理，预调理后量筒内泥水分界面下部沉积淤泥含水率大约降至110%左右。在板框压滤试验时，设置调理后淤泥的含水率为110%。在进料过程中，经絮凝调理后的淤泥通过隔膜泵泵送入滤室，并流向滤布外周的低压部分。此时固体颗粒被滤布截留形成泥饼，水透过滤布流向出水口。被截留的絮凝物首先在滤布的表面形成一层泥皮，进一步的过滤必须允许水分首先通过这层泥皮。因此，该层泥皮允许水通过的能力（即渗透系数）决定了是否可以快速进行下一步的过滤。泥浆的渗透系数由絮凝物之间的孔隙大小决定，絮凝物越大，允许水在絮凝物之间通过的孔隙越大，透水能力越强。另一个主要因素是絮凝物的压缩变形。在进一步的过滤脱水中，滤布表面由絮凝物形成的泥皮在流体压力的作用下被压缩变形，变形后的絮凝物堵塞原絮凝物之间的孔隙，使水难以通过。此外，进料结束后，在气压作用下滤板内嵌的隔膜会向外鼓起，进一步压缩滤室内泥饼的体积，起到二次压榨的作用，进一步降低泥饼的含水率。

整个小型隔膜式板框压滤机试验控制在50 min，分为过滤和压滤两个阶段。图 6为不同单掺絮凝剂种类下压滤泥饼出水量随时间的变化曲线。相较于未添加絮凝剂的泥饼出水量，添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖后，泥饼出水量分别提高了17.23%，24.5%，表明添加絮凝剂能够有效构建疏浚淤泥的排水通道，提升脱水量。

图  6  单掺絮凝剂下压滤泥饼出水量

Figure  6.  Water yields of pressure filtration cake under single mixing-flocculant

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此外可以发现，添加0.6‰APAM在过滤阶段（0~40 min）对淤泥出水量的影响较大；而添加1.8‰壳聚糖在过滤阶段对淤泥出水量的影响较小，在压滤阶段（40~50 min）对淤泥出水量的影响较大。表明泥皮表面由0.6‰APAM与土颗粒组成的絮凝物孔隙较大，透水性较强，但在压滤过程中结构易被压缩变形，导致絮凝体堵塞了部分孔隙。相对而言，添加1.8‰壳聚糖后形成的絮凝物孔隙较小，淤泥内部能够形成较为密实的空间网状结构，在压滤阶段该结构不易被压缩变形，排水通道依旧畅通。

3.   絮凝脱水微观机理的探讨

3.1   颗粒粒径分析

使用激光粒度仪测定添加0.6‰APAM和1.8‰壳聚糖这2种配方下淤泥的颗粒粒径。加入这2种絮凝剂配方之后，淤泥颗粒粒径尺寸变大。原状淤泥d₉₀为10.97 μm，添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖这2种配方后，d₉₀分别增加至29.48，29.63 μm，相当于体系中大颗粒粒径增加为原来的3倍左右。原状淤泥d₁₀为1.453 μm，加入这2种絮凝剂配方之后，d₁₀分别增加为2.235，2.159 μm，相当于体系中小颗粒粒径增加为原来的1.5倍。由此可见，加入絮凝剂后，其长链结构会与淤泥中的土颗粒胶结形成大的团聚体，团聚体之间互相碰撞，在重力的作用下加速下沉。

3.2   SEM电镜分析

对原状淤泥以及掺入0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理的淤泥进行扫描电镜（SEM）测试，从微观角度观察其形貌特征。从原状淤泥扫描电镜图像中可以看出淤泥颗粒之间连接疏松、结构松散，整体性较差（图 7）。从添加0.6‰APAM的淤泥电镜图像中（图 8），可以看到淤泥颗粒表面有较多絮状物质存在，小颗粒团聚在一起，形成较大的团聚体，颗粒之间连接紧密，整体性较好。图 9为添加1.8‰壳聚糖的淤泥电镜图像，可以看出淤泥颗粒之间形成多孔结构，表面有片状物质存在，形成的团聚体体积较大，团聚体之间连接也较为紧密，整体空间结构呈网状。

图  7  原状淤泥SEM图

Figure  7.  SEM image of in-situ sediment

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图  8  掺入0.6‰APAM淤泥电镜图

Figure  8.  SEM image of sediment with APAM of 0.6‰

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图  9  掺入1.8‰壳聚糖淤泥电镜图

Figure  9.  SEM image of sediment with chitosan of 1.8‰

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针对原状淤泥、单掺0.6‰APAM以及单掺1.8‰壳聚糖调理后淤泥的电镜扫描图像（放大2000倍），采用PCAS软件对SEM图像进行自动识别^[16]，获得关于土体孔隙的一些统计参数，结果如表 3所示。

表  3  电镜扫描图像分析

Table  3.  Analysis of SEM images

絮凝剂类型	图像面积	总孔隙区域面积	孔隙占比/%
原状淤泥	1228800	338779	27.57
APAM	1228800	132498	10.78
壳聚糖	1228800	488665	38.61

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未添加絮凝剂的原状淤泥孔隙占比27.57%，由于淤泥的高含水率状态，土颗粒之间有较多的孔隙水（图 7）。添加有0.6‰APAM絮凝剂的淤泥孔隙占比减小至10.78%，主要是因为APAM发挥吸附架桥作用，淤泥中小颗粒在APAM吸附架桥作用下相互团聚在一起，形成较大一些的絮团（图 8），絮团体积较大，占据了部分孔隙体积，孔隙占比减少。添加1.8‰壳聚糖的淤泥，孔隙占比为38.61%，相较于原状淤泥，孔隙占比提高了40%，这主要是因为壳聚糖属于弱阳离子型高分子絮凝剂，首先通过电性中和作用使胶体颗粒和微小悬浮物脱稳并形成较小的絮体，再通过高分子架桥作用使这些絮体聚集成较大的絮团^[17]，在这两种作用下絮团之间连接更为紧密，相较于添加APAM来说，絮团体积略小一些，整体空间呈现出网状结构，反而增大了孔隙体积。由于添加壳聚糖后絮团之间的孔隙小而多，而絮团之间连接紧密呈网状结构，在板框压滤机压滤过程中不易被压缩（图 9，10）。

图  10  原状淤泥微观结构

Figure  10.  Microstructure of in-situ sediment

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通过对添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理后的淤泥进行颗粒分析和电镜扫描测试，表明经0.6‰APAM絮凝后形成的絮团尺寸较大，占据了部分孔隙的体积，孔隙占比减少（图 11）；而添加1.8‰壳聚糖调理后的淤泥在电性中和和吸附架桥两种作用下絮体之间连接更加紧密，所形成的絮团相较于添加0.6‰APAM而言体积略微小，絮团之间形成的孔隙较小且数量多，（图 12），故相对于原泥来说，总的孔隙占比增大。

图  11  掺入0.6‰APAM淤泥微观结构

Figure  11.  Microstructure of sediment with APAM of 0.6‰

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图  12  掺入1.8‰壳聚糖淤泥微观结构

Figure  12.  Microstructure of sediment with chitosan of 1.8‰

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3.3   XRD测试分析

为探究加入絮凝剂后淤泥成分的变化规律，对原状淤泥、单掺0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖的淤泥进行X射线衍射分析，对应工况1，2，3。XRD测试图谱如图 13所示。淤泥的主要矿物组成成分为石英、伊利石、钠长石、高岭石等。加入APAM、壳聚糖这两种絮凝剂调理后淤泥主要矿物组成成分仍未发生改变，表明添加絮凝剂基本不会改变淤泥组成成分的种类，但图谱有所差别，各物质的组成比例有所改变。APAM、壳聚糖主要与淤泥颗粒之间发生物理作用使得淤泥颗粒快速絮凝成团，通过絮凝作用改变淤泥颗粒之间的空间结构，但它们的絮凝机理又有所差别APAM主要以吸附架桥作用为主；而壳聚糖主要以电性中和、吸附架桥作用为主。

图  13  原泥和不同絮凝剂处理后淤泥XRD图谱

Figure  13.  XRD patterns of in-situ sediment and dredged one after treatment with different flocculants

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5.   结论

选取APAM和壳聚糖这两种絮凝材料，通过量筒沉积柱试验，探究不同絮凝剂掺量下疏浚淤泥脱水性能变化规律。基于这两种絮凝剂的最优掺量开展絮凝联合小型隔膜式板框压滤试验，对比APAM和壳聚糖预处理对于板框压滤试验的影响规律，主要得到以下4点结论。

（1）量筒沉积柱试验（7 d）结果表明，絮凝剂掺量影响疏浚淤泥脱水性能，且存在最优值。随着絮凝剂掺量的上升，沉降体积先下降后上升。当APAM、壳聚糖掺量分别为0.6‰，1.8‰时，淤泥脱水性能最佳，上覆水浊度值亦分别降至最低。

（2）采用自主研发的模型板框压滤试验机模拟现场大型压滤机脱水，研究发现随着进料时间的推移，出水速率越来越缓慢。整个脱水过程分为过滤和压滤两个阶段，两种类型絮凝剂对板框压滤脱水各个阶段的影响效果不同。在过滤阶段，宜添加PAM类絮凝剂加速脱水；在压滤阶段，添加壳聚糖类具有“骨架功能”的絮凝剂较为合适。

（3）经最优掺量0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖调理后，淤泥絮凝效果较好，颗粒尺寸有了明显的增大，d₉₀从10.97 μm分别增加至29.48，29.63 μm，但从扫描电镜图像中可以发现添加0.6‰APAM、1.8‰壳聚糖后，土体的空间结构不同。

（4）两种类型的絮凝剂对板框压滤的阶段性效果不同，这是因为不同絮凝剂对于不同成分的颗粒物质架桥联结能力不同，所形成的孔隙尺寸、空间桥联结构不同。由于APAM与壳聚糖絮凝机理的差异，建议工程中可统筹考虑这两种絮凝剂联合使用，尝试采用部分壳聚糖代替传统PAM类絮凝剂的方式，进一步提升板框压滤效率。