李小雨， 操家順， 馮 騫， 漆 磊

（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063）

0 引言

隨著我國(guó)城市化率的提高，工業(yè)化程度逐漸提高，以及市民數(shù)量的急速增長(zhǎng)，未經(jīng)適當(dāng)處理的生產(chǎn)、生活污水直接排入城市河流、湖泊，使得城市河、湖的污染問題日益加劇，這也成為制約城市環(huán)境提升的主要問題之一。

河流、湖泊底泥是陸源性入河、湖污染物的主要蓄積場(chǎng)所，也是河、湖污染的潛在污染源，即使在有效的控制了河、湖的外源污染的情況下，底泥作為河、湖的內(nèi)源污染源，仍有可能使水質(zhì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。底泥生態(tài)疏浚是一種徹底去除河、湖內(nèi)源污染的方式，是城市污染水體整治的關(guān)鍵步驟，旨在去除河、湖水體中的污染底泥，降低底泥中污染物向水中的釋放量，進(jìn)而減少內(nèi)源污染對(duì)河、湖的影響，改善水體水質(zhì)。

目前，我國(guó)城鎮(zhèn)中，由于日益增多的生態(tài)疏浚工程的開展，產(chǎn)生了大量的疏浚底泥。若將未經(jīng)干化脫水的疏浚底泥隨意堆棄，一則占用土地較多，二則有可能造成二次污染。因此，須大力開展底泥干化研究，有效防止疏浚底泥的二次污染，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)資源化利用。

目前，疏浚底泥干化技術(shù)主要有如下幾大類：絮凝脫水技術(shù)、工程物理排水技術(shù)、機(jī)械脫水技術(shù)、土工管袋過濾脫水技術(shù)和電滲井點(diǎn)干化技術(shù)。其中，絮凝脫水技術(shù)是通過向泥漿內(nèi)投加絮凝劑，使泥漿混合物中某些固相聚集形成絮團(tuán)，使之“脫穩(wěn)”，以實(shí)現(xiàn)泥水分離的技術(shù)[1]。由于其操作方法簡(jiǎn)單、沉降速度快、干化成本較低，日益成為研究疏浚底泥干化技術(shù)的重點(diǎn)。絮凝劑是絮凝干化技術(shù)的核心，其種類、用量、pH值等使用條件直接影響干化的效果，因此，絮凝劑的研究是絮凝干化技術(shù)研究的重中之重，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。以下將重點(diǎn)介紹絮凝劑的種類及優(yōu)缺點(diǎn)、絮凝干化技術(shù)原理及其在疏浚底泥干化中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 絮凝劑的分類

絮凝劑可以按照其性質(zhì)分為化學(xué)絮凝劑和微生物絮凝劑兩大類，其中化學(xué)絮凝劑又可按照其化學(xué)成分分為無機(jī)、有機(jī)、和復(fù)合絮凝劑[2]。這幾類絮凝劑的使用中發(fā)現(xiàn)如下優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。

表1 各類絮凝劑的優(yōu)缺點(diǎn)

2 絮凝脫水技術(shù)機(jī)理

2.1 化學(xué)絮凝劑的脫水機(jī)理

（1）無機(jī)高分子絮凝劑脫水機(jī)理

無機(jī)高分子絮凝劑的脫水機(jī)理主要為電中和架橋過程。首先，水體中膠粒上的羥基被高分子吸附，即與高分子發(fā)生配位和互補(bǔ)。然后，繼續(xù)與溶液中的羥基相互作用產(chǎn)生水解，進(jìn)而在表面生成氫氧化鋁/鐵凝膠沉淀物，進(jìn)一步粘結(jié)團(tuán)聚，見圖1[2]。

鋁鹽和鐵鹽在水中首先發(fā)生水解，然后表面絡(luò)合、聚合，進(jìn)而膠凝沉淀。研究發(fā)現(xiàn)，共存陰離子可以參與絮凝劑的水解，在聚鋁/鐵中加入一定量的或可以提高絮凝劑的分子量和所帶電荷量，有效增強(qiáng)絮凝效果。鐵鹽絮凝劑的特點(diǎn)是毒性低、價(jià)格便宜，絮凝過程十分迅速，較難控制。鋁鹽絮凝劑的絮凝效果好，絮凝過程相對(duì)較慢易于控制，但鋁鹽具有一定毒性。

圖1 無機(jī)高分子絮凝劑絮凝機(jī)理

（2）有機(jī)高分子絮凝劑脫水機(jī)理

有機(jī)高分子絮凝劑的作用機(jī)理主要為高分子吸附架橋作用及電中和作用。高分子濃度較低時(shí)，長(zhǎng)鏈狀的有機(jī)高分子通過架橋作用將多個(gè)膠粒聯(lián)在一起，從而絮凝。高分子達(dá)到一定濃度后，膠粒表面完全被吸附的高分子覆蓋，則膠粒之間無法繼續(xù)通過高分子的橋架作用相聯(lián)。當(dāng)高分子與膠粒的聚合物與其他膠粒所帶電荷相反時(shí)，會(huì)通過定量吸附作用聚集，發(fā)生絮凝。此時(shí)為電中和作用[2]。另外,其絮凝過程還具有網(wǎng)捕作用,使得沉降更加迅速，見圖2。

圖2 吸附架橋模型

2.2 微生物絮凝劑脫水機(jī)理

微生物絮凝劑是一種天然高分子絮凝劑，成分主要為微生物菌體或其產(chǎn)生的具有絮凝活性的次級(jí)代謝產(chǎn)物，其主要化學(xué)成分為粘多糖、蛋白質(zhì)、糖蛋白、纖維素和脫氧核糖核酸等。微生物絮凝劑來源與種類廣泛，不同絮凝劑的性質(zhì)差異較大。

目前，吸附架橋、電性中和及卷掃網(wǎng)捕等是比較公認(rèn)的絮凝機(jī)理[3]。通常單一機(jī)理不能完全解釋同一絮凝過程，絮凝過程往往是由多種機(jī)理共同作用導(dǎo)致的。TAKAGI等[4]由青霉屬真菌產(chǎn)生的絮凝劑PF-1，其聚氨基半乳糖鏈可以吸附帶負(fù)電荷的顆粒，形成的聚合物分子間可以產(chǎn)生架橋，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的絮狀物和沉淀物。BAR-OR等[5]發(fā)現(xiàn)從細(xì)菌、酵母菌及土壤顆粒中分離出來的帶負(fù)電的多糖，可以通過陽離子橋，將懸浮的黏土顆粒吸附于臨近帶負(fù)電的黏土顆粒表面，使黏土顆粒絮凝。這類絮凝劑的絮凝效果取決于其分子的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度的帶電基團(tuán)數(shù)量（即電荷密度）。這些因素決定絮凝劑與顆粒間的架橋程度。

3 絮凝劑在底泥干化中的應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)化學(xué)絮凝劑在底泥干化中的應(yīng)用

傳統(tǒng)無機(jī)高分子絮凝劑的優(yōu)勢(shì)在于，能夠形成高密度、快沉降的絮凝體。這種絮凝劑不但性能優(yōu)異，而且原料易于獲得，成本較低，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并成功地應(yīng)用于疏浚底泥的干化處理過程中。為了研究不同種類的脫水絮凝劑對(duì)各泥質(zhì)類型底泥脫水性能的影響，馬濤等[6]選擇聚合氯化鋁鐵(PAFC)、聚合氯化鋁(PAC)及陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，分別對(duì)沙質(zhì)、泥質(zhì)及泥沙混合質(zhì)3條不同泥質(zhì)類型的河流底泥的脫水性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，所有脫水絮凝劑在一定的使用量范圍內(nèi)，對(duì)各類型底泥的脫水作用，均可獲得不同程度的改善優(yōu)化。有機(jī)高分子絮凝劑因其速效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于疏浚底泥干化。該類絮凝劑處理過程迅速，絮體粗大，沉降快；用量較少，絮凝效果好；工業(yè)化程度較高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可按需控制分合成產(chǎn)物分子量。

段云平[7]為了研究無機(jī)/有機(jī)絮凝劑的脫水性能，為疏浚底泥的脫水干化提供可行的參考，采用無機(jī)類絮凝劑PAC及有機(jī)高分子類絮凝劑PAM開展疏浚底泥脫水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PAM具有較好的調(diào)理性能，在一定條件下，脫水效果最佳。

單一絮凝劑的使用存在應(yīng)用面狹窄、絮凝脫水效率低、操作工藝復(fù)雜、處理成本較高等諸多不足。為克服上述問題以及無機(jī)/有機(jī)絮凝劑各自內(nèi)在的缺陷，新型無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來，并已成為絮凝劑研究的重要發(fā)展方向。一方面，復(fù)合絮凝劑應(yīng)用范圍更廣；另一方面，簡(jiǎn)化操作工藝，在保證高效絮凝脫水的的同時(shí)，處理費(fèi)用更低。研究結(jié)果表明，無機(jī)－有機(jī)高分子絮凝混合體系明顯優(yōu)于兩者單一體系的使用效果。張小璐等[8]采用三氯化鐵－聚丙烯酰胺（FeCl3－PAM）復(fù)合脫水系統(tǒng)作為河流疏浚底泥的脫水劑，開展相關(guān)脫水實(shí)驗(yàn)。研究表明，在一定條件下，復(fù)合絮凝劑的脫水性能明顯提高。

3.2 新型化學(xué)絮凝劑在底泥干化中的應(yīng)用

近年，新型化學(xué)絮凝劑的研究主要集中在研究和開發(fā)新型有機(jī)高分子絮凝劑。這類絮凝劑除了具有傳統(tǒng)有機(jī)高分子絮凝劑的優(yōu)點(diǎn)外，還克服了水體中殘余的有機(jī)高分子易致崎、致癌、致突變的問題。是目前研究的熱點(diǎn)。李妍等[9]以稻殼為原料，十六烷基三甲基溴化銨為陽離子醚化劑，制成天然有機(jī)高分子絮凝劑RHF。發(fā)現(xiàn)RHF的絮凝脫水性能較好的同時(shí)還能有效去除污染物質(zhì)，改善余水水質(zhì)。另外RHF與CPAM復(fù)配體系可以加快底泥絮凝沉降速度。

此外，研究者們還建立了新的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝體系，更加顯著地提高了脫水效率。李瀟瀟等[10]研究證實(shí)，使用PAC/PDMDAAC復(fù)合絮凝劑對(duì)比使用PAC，投加量可降低20%～35%，且效果更好。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高且含有大量黏粒的超保水性疏浚底泥，傳統(tǒng)的絮凝劑難以有效達(dá)到脫水要求。Fenton體系[11]可以產(chǎn)生絮凝，并且有操作方便，反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前在生活污水處理、含難降解有機(jī)物廢水處理以及城市污泥處理領(lǐng)域應(yīng)用較多，而應(yīng)用于疏浚底泥脫水則相對(duì)較少。田宇等[12]詳細(xì)研究了改良Fenton體系對(duì)疏浚底泥脫水性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)Fenton體系與CPAM聯(lián)用時(shí)，具有最好的底泥脫水性能。

3.3 微生物絮凝劑在底泥干化中的應(yīng)用

與化學(xué)絮凝劑相比，微生物絮凝劑具有絮凝性能良好、安全無毒[13]、易于生物降解、對(duì)環(huán)境影響小[14]的特點(diǎn)，微生物絮凝劑取代大部分傳統(tǒng)的無機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑將成為一種趨勢(shì)。

于榮麗等[15]經(jīng)過挑選得到一株高效的微生物絮凝劑生產(chǎn)菌F22，運(yùn)用其生產(chǎn)的絮凝劑進(jìn)行疏浚底泥脫水實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)F22菌株所產(chǎn)絮凝劑擁有良好的底泥脫水性能。于榮麗等[16]將菌株 LMB8優(yōu)化培養(yǎng)后，運(yùn)用其產(chǎn)生的微生物絮凝劑進(jìn)行疏浚底泥快速脫水實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，LMB8菌株所產(chǎn)生的絮凝劑對(duì)疏浚底泥的絮凝率最高可達(dá)83.1%。

4 結(jié)語

絮凝干化脫水技術(shù)廣泛應(yīng)用于處理生態(tài)疏浚底泥工程中。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展主要取決于絮凝劑的開發(fā)和研制。目前，無機(jī)-有機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑作為一類高效絮凝劑，研究和應(yīng)用較為廣泛。但是使用中會(huì)無可避免造成水體污染問題。天然高分子絮凝劑由于其低污染性越發(fā)引起研究者的關(guān)注，其研究方向主要集中在以下2方面：①提高天然高分子絮凝劑的穩(wěn)定性，并擴(kuò)展其適用條件；②研究天然高分子無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑的可行性及其作用機(jī)理。微生物絮凝劑由于其高絮凝性、低污染、易降解的特性使之有替代現(xiàn)有傳統(tǒng)絮凝劑的趨勢(shì)。但國(guó)內(nèi)相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段，其生產(chǎn)制備方法仍不成熟，離大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還有相當(dāng)距離。目前的研究重點(diǎn)集中在以下2方面：①利用分子診斷技術(shù)對(duì)絮凝劑中的菌種進(jìn)行生物學(xué)定位，了解其生物特性，進(jìn)一步解釋其絮凝機(jī)理；②在分子診斷的基礎(chǔ)上利用基因技術(shù)開發(fā)培養(yǎng)更高效的絮凝劑菌種。