淤泥絮凝脱水试验研究及水铰链假说的提出

Posted 2023-01-12 淤泥

篇首语：知识虽宝贵，但更可贵的却在于运用。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了淤泥絮凝脱水试验研究及水铰链假说的提出相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

针对江河湖泊清淤产生的高含水率淤泥的絮凝脱水问题进行了试验研究，试验结果表明：絮凝剂加入比例与淤泥初始含水量之间存在一定的联系，初始含水量越高，絮凝剂加入比例的下临界值越低，且两者之间呈非线性关系.据此试验现象和结果，并在已有研究的基础上提出了水铰链假说，阐述了淤泥颗粒的结合过程和原理，解析了淤泥在高含水率下仍保持稳定的原因，通过水铰链密度解释了淤泥难以自然脱水的原因以及采用絮凝剂时淤泥含水率和絮凝剂下临界的关系，进一步说明了淤泥颗粒在絮凝过程中絮团的形成过程.
泥水环境健康的关键在于雨污分流、截污减排、水质修复和环保清淤，其中雨污分流和截污减排是泥水环境健康的可持续决策性措施，而水质修复和环保清淤是泥水环境健康快速发展的根本，其主体内容包括底泥的清除和底泥的处理与处置.就底泥清淤而言，目前国内挖泥船在清淤中得到的淤泥含水量通常在80%以上，多为液限含水量的1.2～2.0倍，这样大的含水量在通过管道输送到指定位置时，能耗大且效率低；自然状态下淤泥中细颗料泥沙难以形成大的絮团[2-3]，如果不对淤泥体系中极细颗粒的淤泥内部特性进行调理，营造脱水环境，淤泥的自然或者机械脱水都是极度困难的.因此，一方面必须深入研究泥水环境系统中的絮凝机理和沉降特性；另一方面，通过物理化学方法研究絮凝尺度、沉降效率以及泥水分离的可能性.目前，国内外对于淤泥脱水研究还处于试验观察阶段[5-7]，大量的试验结果仍未得到合理的理论解释.近年的研究热点集中在淤泥固化时水分转化机理[8-9]和絮凝剂絮凝特性[10-11]等方面，对于淤泥絮凝脱水时的淤泥颗粒和水分子变化状态以及淤泥在高含水率情况下仍保持稳定的原因，国内外还很少有文献报道.淤泥中自由水最多，结合水最少，但并非一成不变，与淤泥含水率有关.当淤泥含水率较大时，固体(含胶质)颗粒相距较远，此时仅有颗粒残缺毛细结合水，故淤泥以自由水为主，其次为表面吸附水，毛细管水和结合水；随着含水量减少，自由水被完全脱离，主要存在表面吸附水和毛细结合水，内部结合水；淤泥含水量继续减少，弱结合水和颗粒间的毛细结合水被脱离，主要有强结合水和颗粒残缺毛细结合水，内部结合水；尽管淤泥内部水分分类和状态已较清楚，但淤泥在高含水率情况下仍能保持稳定的原因，以及淤泥脱水过程中淤泥颗粒与水分子相互作用原理，本文将通过试验进行探讨.
1.淤泥絮凝脱水试验
1.1试验材料
1.1.1淤泥来源本试验淤泥来自武汉市南湖清淤后所产生的淤泥，通过在水中进行筛分后取其中粒径小于0.1mm的淤泥进行试验研究，这部分淤泥在自然状态下沉降脱水存在极大的困难.淤泥颗粒级配为：所有颗粒粒径均小于0.100mm，其中小于0.069mm的占92.9%，小于0.047mm的占78.0%，小于0.038mm的占72.3%，小于0.027mm的占60.9%，小于0.014mm的占36.9%，小于0.006mm的占1.5%，小于0.004mm的占1.1%，小于0.003mm的占0.8%.
1.1.2试验器材试验分别在1000mL的量筒中和高1m直径0.37m的有机玻璃筒中进行.采用电子天平称量絮凝剂，精度为0.1mg，在250mL烧杯中配制絮凝剂(PAM)溶液.采用移液管法测量加入絮凝剂前后的颗粒级配和沉降速度.
1.2试验过程
絮凝试验主要是以淤泥中的含水量为参考，比较分析不同含水量淤泥沉降速度与加入絮凝剂比例之间的关系.试验过程为：
(1)将筛选过后的淤泥按照95%，90%和80%的含水量(体积比)进行配置，絮凝剂按照1∶1000(质量比)进行稀释；
(2)对各组不同含水量的淤泥分别加入一定量的絮凝剂，充分搅拌均匀后，对比不同含水量的淤泥絮凝状态与絮凝剂加入量之间的关系.
2.试验结果分析
在一定含水量的淤泥中按照不同的比例加入絮凝剂，并通过水析法测定絮凝后的絮团粒径，测定结果如图1所示(图中絮凝剂加入量单位为1/10000，按照稀释前絮凝剂的质量与泥水中固体颗粒质量之比).

从图1可见，相同含水量的淤泥中，在一定的剂量(絮凝剂加入比例)范围之内，随着絮凝剂加入量的增加，絮团颗粒的当量粒径呈增大趋势，且对于一定含水量的淤泥存在特定的上下临界剂量，当加入比例小于下临界值时，淤泥不发生絮凝，大于此临界值后，明显的絮团才会出现，当絮凝剂加入量大于上临界值时，絮体粒径不再增大，高建磊等人采用多种絮凝剂研究污泥脱水性能时也证实了絮凝剂加入量上临界值的存在.
同时经比较也可看出，不同的淤泥含水量对于絮凝剂的加入比例有明显影响.初始含水量为95%的淤泥中絮凝剂加入的下临界值为0.8，而初始含水量为90%和80%的淤泥中相应的絮凝剂加入的下临界值分别为1.2和2.0.由此可见，絮凝剂的加入比例的下临界值与淤泥初始含水量呈非线性反比关系.通过大量试验得到淤泥初始含水量与絮凝剂下临界加入量的关系如图2所示.

3.水铰链假说
3.1水铰链假说的提出
从以上试验中可以得出一个重要的结论：对于一定浓度的淤泥，絮凝剂加入比例存在一个下临界值，超过这个值才能出现絮凝现象，且这个下临界值与淤泥的含水量成反比.小于下临界剂量的这部分絮凝剂既然没有产生絮凝作用，那么必然被其他的力或者结构所消耗，由此本文设想提出水铰链假说，即淤泥中颗粒之间并非相互独立，而是以一定的概率通过水铰链联系在一起(见图3).

极性水分子在固体颗粒水化膜周围发生定向排列形成链状体臂，相邻颗粒的链状体臂连接将颗粒结合在一起.由于此种假设下水分子的排列呈链条状，因此被称为水铰链假说.在水铰链的作用下，不同淤泥颗粒相互靠近、链接，多个方向水铰链的形成使淤泥逐渐呈现稳定状态，并使淤泥在自然状态下脱水产生困难.
通过水铰链假说的设想，进一步可以得到水铰链的存在状态如下：淤泥处于高含水量状态时，淤泥颗粒表面吸附水分子和内部结合水分子处于较为自由状态，相互不接触较少，溶质颗粒相距较远，颗粒运动较为自由，相互影响较小，水铰链在颗粒间不易形成，即使形成，其结合也较弱，容易被破坏(见图4).

随着淤泥含水量降低，单位水体内淤泥颗粒数量增加，部分弱吸附结合水区域水分子和颗粒间自由水分子逐渐从不接触变化到接触状态，极性水分子围绕着离子发生定向排列，定向链状体臂产生，并在电荷力作用下发生连接，形成大量水铰链.溶质颗粒相距仍较远，但由于水铰链的产生，两颗粒形成一个整体淤泥颗粒开始相互影响，并且影响程度随着含水率的降低而逐渐增加(图5).

3.2水铰链假说对试验现象的解释
3.2.1下临界剂量的存在
从水铰链假说可得，淤泥颗粒间存在一定量的水铰链，因而限制了淤泥中部分水分的脱离，使原始淤泥脱水较难.假如加入絮凝剂后，由于新的絮团要形成，因而水铰链必然先要受到破坏，而这部分破坏力必然来自絮凝剂，因而在这一过程中絮凝剂被消耗而并没有产生絮凝现象.直到水铰链的破坏过程完成，再加入絮凝剂才会出现絮团，在试验过程则表现为絮凝剂的加入比例存在特定的下临界值.
3.2.2下临界剂量与含水量的关系从图3可见，水铰链的数量和强度与单位水体中的固体颗粒数量成正比，假设单位水体中存在淤泥固体颗粒数为n，则单位水体中水铰链数量ρ为：

式中：pij为淤泥颗粒间通过水铰链结合的概率，与单位水体中存在淤泥固体颗粒数n有关.
从式
(1)可见，当淤泥级配确定时，淤泥中含水量越大，单位体积浑水中所含颗粒数量越多，则形成水铰链的数量相应增大，且成非线性关系.从而在试验中表现为图2所示的絮凝剂加入量下限随淤泥中含水量减小而非线性上升的趋势.
本文中由于试验采用的淤泥级配已确定，因而可将淤泥含水量与加入絮凝剂比例直接联系起来.但通过对式
(1)的分析可预期，对于不同级配或原始颗粒粒径的淤泥，即使在相同初始含水量状态下，其需加入的絮凝剂比例的下临界值也会呈现一定的差别；在水铰链起作用的范围内(即颗粒运动受到水铰链一定的束缚)，对于较细颗粒的淤泥，与相同含水量下较粗颗粒的淤泥相比，产生絮凝所需加入的絮凝剂比例将更大，关于这一点将在进一步的试验中进行检验.
4.结语
通过试验研究絮凝剂加入量与淤泥颗粒絮凝状态的关系，分析试验结果并提出水铰链假说，对于淤泥的絮凝和脱水过程给出了较为合理的解释，得出以下主要结论：
(1)试验发现对于特定级配、一定含水量的淤泥存在特定的上下临界剂量和最佳剂量，当加入絮凝剂比例小于下临界值时，无絮凝现象出现；当絮凝剂加入量超过下临界值时，出现明显的絮凝现象，且在一定的加入比例范围内，絮体直径随着絮凝剂加入量的增加而增大；当絮凝剂加入量超过上临界剂量，淤泥絮凝效率不再增加.
(2)絮凝剂加入比例下临界值与淤泥初始含水量成反比，且两者呈现非线性的关系.
(3)通过对试验结果的分析，尤其是对絮凝剂加入下临界值与含水量关系的分析提出淤泥中颗粒之间存在水铰链的假设，用水铰链假说较为合理地解释了絮凝剂下临界值的存在及其与含水量之间的关系等试验现象，由此说明了水铰链假说的合理性.
(4)水铰链假说是对淤泥絮凝脱水过程中水分存在状态和转化的进一步探讨，为淤泥絮凝脱水研究提供了一种新思路.