疏浚泥浆是在河道、港口、航道等水域进行疏浚作业时产生的高含水率混合物,具有浊度高、强度低、体积大等特性^[1-3]。未经处理的泥浆长期堆放不仅占用大量土地,而且脱水十分困难,直接影响了处理效率。目前常采用絮凝脱水的方法对疏浚泥浆进行减量化处理,但因泥浆本身存在的不良特性,只有选取有效的絮凝剂才能达到理想的处理效果。薛向东等^[4]采用聚二甲基二烯丙基氯化铵(poly dimethyl diallyl ammonium chloride,PDMDACC)与超声波联合用于污泥调理,在超声波作用下能够有效增强絮凝脱水性能; 也有研究者^[5-7]采用有机、无机絮凝剂联合调理污泥,结果表明不同种类絮凝剂联合调理能够显著提升泥浆的絮凝效果与脱水效率。絮凝脱水是疏浚工程中较为关键的预处理步骤,通过絮凝剂的作用能够使泥浆颗粒凝聚,形成较大的团粒,从而有利于泥浆快速沉淀与过滤处理^[8]。现有研究多采用常规絮凝方法,通常为一次性将絮凝剂添加完成,这可能导致泥浆与絮凝剂混合不均、泥浆的絮凝效果不稳定等问题。

在絮体形态学研究中,分形维数是定量化描述絮体状态的常用方法,它不仅能体现絮体形态的复杂程度,而且能有效反映絮体的聚集性特征。李婷等^[9]借助光学显微镜对疏浚泥浆絮体形态进行分析,结果表明絮体形态与聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)掺量相关,确定PAM在溶液中占比为0.8%时分形维数最大; Yin等^[10]使用原子力显微镜的观测结果表明,高分形维数相较于低分形维数的絮体形状更圆润致密,絮体表面的絮凝剂吸附量也更大,并呈现疏水性随分形维数的增大而逐渐增强的规律。Sun等^[11]通过使用显微镜观察阴离子聚丙烯酰胺(anionic polyacrylamide,APAM)与Al³⁺对高岭石絮凝作用后的絮体形态,使用Image pro plus软件处理得出絮体投影面积与最大轴长,从而计算出絮体的分形维数,结果表明APAM促进了分形维数的增长,而Al³⁺却具有减弱作用; Chang等^[12]采用氯化铝(aluminium chloride,AlCl₃)与壳聚糖(chitosan,CTS)组合对煤矸石废水进行絮凝,使用ImageJ软件对显微镜图像进行二值化处理,测量了絮体面积、等效直径、形态特性与分形维数,两种絮凝剂的协同作用提高了电中和作用和吸附架桥能力,使得絮团更大更致密。

以上研究主要从絮凝剂的制备、遴选与絮凝效果的提升方面展开,而通过多级絮凝的方式提升疏浚泥浆絮凝效果的研究较少,也鲜见基于图像处理技术来研究多级絮凝絮体形态及絮凝剂的作用机制。对此,本研究结合现有研究成果与实际疏浚工程需要,采用PAM、CTS及其与明矾-聚氯化铝(alum and polyaluminum chloride,KAl(SO₄)₂-PAC)无机传统絮凝剂组合配方进行多级絮凝,以上清液浊度为指标确定不同絮凝剂方案的最佳级数,使用ImageJ图像处理技术定量分析疏浚泥浆多级絮凝的絮体形态特征与分形维数增长变化规律,深入探讨不同絮凝剂多级絮凝的作用机理,从而为提升泥浆降浊效果与实现絮凝剂掺量的自动化控制提供理论依据。

试验底泥和试验用水均取自宁波市奉化区溪口镇的亭下水库,装桶密封保存。底泥初始含水率为86.12%,液限为50.1%,塑限为28.9%,塑性指数为21.2,pH值约为5.77。底泥主要由粉粒、黏粒、砂、砾等成分组成,其中粉粒(粒径小于0.005 mm)与黏粒(粒径0.005～0.075 mm)质量占比分别为46.9%、32.1%,均超过30%; 3种砂(粒径0.075～0.25 mm、0.25～0.5 mm和0.5～2 mm)质量占比分别为3.5%、6.2%、5.3%; 砾(粒径2～5 mm)质量占比为6%。由此得知,底泥主要以细颗粒为主,为粉质黏土。粉质黏土在疏浚扰动中表现为易悬浮,具有较强吸附能力和再悬浮能力的特征。试验前配置底泥含水率为86.15%(泥浆质量浓度9.96 g/L)的1 L泥浆样若干,使用恒速电动搅拌器以500 r/min恒定转速均匀搅拌备用。

拍摄设备可采用具有微距镜头的手机或相机,本试验采用华为P60手机(配备超级微距功能,4 800万像素); 拍摄的目标絮体在尺寸9.3 cm×9.3 cm×2.5 cm、透光率大于90%的方形平底试验盒中,并置于黑色试验桌面上,使用菲林刻度尺(长30 cm,精度0.1 mm)作为标尺实现图像像素与尺寸的转换。其余试验所用絮凝剂与仪器设备见表1。

表1 絮凝剂与仪器设备
Table 1 Flocculants and instrument unit

前期试验初步得出常规絮凝单掺PAM最佳掺量范围在50～120 mg/L,单掺CTS最佳掺量范围为2～10 mg/L,KAl(SO₄)₂-PAC-PAM组合最佳掺量为0.1 mmol/L KAl(SO₄)₂ +20 mg/L PAC +6 mg/L PAM,KAl(SO₄)₂-PAC-CTS组合最佳掺量为0.1 mmol/L KAl(SO₄)₂ +20 mg/L PAC +0.1mg/L CTS,多级絮凝选用絮凝剂方案依据常规絮凝结果进行设计,具体方案见表2。

表2 多级絮凝方案
Table 2 Multistage flocculation scheme

称取絮凝剂,用去离子水溶解作为试验试剂母液。初次絮凝试验过程中,首先以500 r/min搅拌1 min(快速预搅),然后调整搅拌器转速为200 r/min(正式搅拌),并投加絮凝剂至装有1 L稀释完成的泥浆液沉降筒中,1 min后停止搅拌并观察反应现象。待静置沉淀5 min后,使用浊度仪检测絮凝沉降后的上清液浊度,取样上清液深度控制在液面以下2 cm左右,读取浊度值并记录。而后重新调整搅拌器转速,通过观测与拍摄絮体扬起量及其对应转速,从而确定沉淀絮体的起动流速。多级絮凝试验中,直接以200 r/min转速搅拌,间隔30 s后进行多级投加,搅拌时间、后续沉淀及测定过程与初次絮凝相同。

在不同级絮凝搅拌过程中使用粗口移液管吸取等量泥浆絮体转移至试验盒中,使用上清液稀释并使其分散均匀,然后使用手机微距镜头对絮体进行拍摄,将图片导入ImageJ图像处理软件进行处理,得出拍摄视域范围内定量化的矾花投影面积(A)、周长(P)等数据,利用其函数关系(D=lnA/lnP)计算絮体的分形维数(D),图像拟合曲线的斜率为分形维数大小,以探究多级絮凝下絮体尺寸、形态的变化趋势。

图像处理具体操作步骤为:将拍摄好的图片导入ImageJ中,图像控制分辨率范围相同,使用直线工具在菲林尺刻度画线标定,通过分析(analyze),设置比例(set scale)将像素转化为实际距离。在快速搜索(quick seach)栏中打开可训练的维卡细分(trainable weka segmentation)插件,通过阈值分割的方法使絮体能够被相对精确地标记出,并用保存分类器(save classifier)保存标记模板以便于对类似图片进行批量化处理。创建结果(create result)后再经过去噪、填补空隙等图像处理,然后将等像素大小的图片进行分析粒子(analyze particles),从而得出矾花絮体A与P等定量化的数据,并计算得出絮体等圆粒径与分形维数。

在絮凝剂添加前,泥浆上清液浊度大于1 000 NTU,添加絮凝剂后,不同絮凝剂级数对上清液浊度的影响如图1所示。试验结果表明,絮凝剂的添加对上清液浊度影响显著,随级数增加呈先快速下降后逐渐稳定的趋势,多级絮凝能在较少掺量情况下更高效地发挥作用。其中PAM与KPP降浊效果最好,PAM方案浊度最低可在第四级时降至1.6 NTU,KPP方案可在第二级时降至1.7 NTU。CTS方案与KPC方案分别在第四级与第二级时效果最佳,其中CTS方案浊度分别降至32.6、29.0 NTU,KPP与KPC方案在第二级时得到最佳降浊效果后,浊度基本上稳定在最佳范围。试验结果表明,絮凝剂多级添加的方式能够提升絮凝效果与沉降效率,单掺在第四级时最佳,而两种组合方案在第二级时最佳,且有机高分子絮凝剂PAM相较于CTS具有更好的降浊功效。

当水流速度逐渐增大到某一使水体底部的泥沙由静止转入运动状态的值时,这种泥沙运动相应的流速称为起动流速^[13]。在对絮体形态进行观测前,调整搅拌器转速由0 r/min缓慢增大,终点转速为200 r/min,在此转速范围内调控转速大小,确定不同阶段(弱动、中动、强动)起动转速,并根据不同阶段对应转速范围计算得出不同絮凝级数的起动流速范围,具体结果见表3。

图1 上清液浊度变化趋势
Fig.1 Variation trend of turbidity of supernatant

表3 多级絮凝起动流速变化
Table 3 Variation of starting flow rate of multistage flocculationcm·s-1

由表3可知,沉淀底泥的起动流速的变化规律证明了矾花絮体形态的改变,并且尺寸和质量存在随级数增大而增长的变化趋势,PAM方案中的絮体所需流速随级数增长最为明显,KPP方案也呈一定的增长趋势,而CTS及KPC方案的起动流速未随级数增长而发生明显的变化。起动流速的测定结果初步表明,PAM对絮体的凝聚与增长具有最显著的优势。

为了便于对比不同级数之间絮体形态的差异,絮体图像选取8 bit与二值化处理后的图片,具体见图2; 然后对图2中经过二值化处理后的图片进行软件分析,导出数据并绘成絮体粒径分布图,定量分析不同级数、不同方案絮体粒径变化情况,具体见图3。

由图2絮体图像与图3絮体粒径分布结果可知,不同多级絮凝方案中PAM方案的絮体增长趋势最明显,逐渐由细颗粒转变为团簇状。这主要得益于PAM的超高相对分子质量与强阳离子特性,使得泥浆颗粒迅速聚集,在第四级时投加PAM后絮体呈现粒径最大且形态稳定的特征,粒径大于1 000 μm絮体的成像面积占比达95.82%,粒径增长明显,且絮体结构表面变得相对规则,颗粒形态接近于正圆形^[15]。CTS方案相较于PAM方案絮体的聚集趋势明显放缓,且结构变得疏松,在第三级时投加CTS后达到了最佳絮凝状态。组合方案中KPP组合在KAl(SO₄)₂、PAC参与下絮体变得更加细致,呈长条状,而KPC组合多级絮凝反应后整体始终以细小颗粒絮体为主,肉眼观测几乎无明显增长趋势,絮体粒径细小且形态较为复杂,这表明无机絮凝剂KAl(SO₄)₂、PAC对有机高分子絮凝剂PAM、CTS的絮体生长具有抑制作用。

图2 多级絮凝絮体灰度及二值化处理图像(1～4级)
Fig.2 Gray scale and binary image processing of multistage flocculation flocs(level 1～4)

图3 多级絮凝不同级数絮体粒径分布
Fig.3 Particle size distribution of flocs at different levels of multistage flocculation

图4 不同级数絮体分形维数变化趋势
Fig.4 Variation trend of floc fractal dimension in different orders

疏浚泥浆不同级数的絮体分形维数变化趋势见图4。图像处理后的几何分形维数能够很好地表征絮体的形态特征^[16],多级絮凝后的絮体分形维数值均大于1.4,整体絮体成形较为规则。对比不同絮凝剂多级絮凝的作用结果发现,PAM、KPP方案絮体分形维数随级数呈现先减小后增大的趋势。第二、第三级分形维数值较小,多级投加PAM絮凝剂能使絮体保持高分形维数值,形成的絮体相对规则完整,PAM方案在第四级分形维数达到最大值1.786。CTS方案絮体分形维数在一级、二级较小,分形维数值D均为1.565,在三、四级时明显增大,最大值达到1.71,与PAM、KPP分形维数值接近。而KPC组合多级絮凝呈现完全相反的趋势,且不同级分形维数值均较小,这可能因为KAl(SO₄)₂-PAC与CTS之间存在一定的排斥作用。

絮凝剂多级絮凝可以在常规絮凝基础上有效提升絮凝效果与沉降性能,絮体显微图像与机理分析表明,多级絮凝主要包括初级絮凝、絮凝强化、完全絮凝三个阶段,40倍显微图像与可能存在的多级絮凝作用机理见图5。

图5 40倍显微图像与可能存在的多级絮凝作用机理
Fig.5 40× micrograph and possible mechanism of multistage flocculation

初级絮凝阶段:在水中加入合适剂量的絮凝剂后,絮凝剂会与水中的悬浮物、胶体颗粒发生电中和作用,改变泥浆颗粒的表面电荷。原本相互排斥的颗粒互相吸引,迅速形成初级絮凝体。但此时因掺量较少导致作用效果并不充分,悬浮颗粒脱稳的程度较低,使得絮体粒径较小,处于不稳定的临界反应状态^[17]。

絮凝强化阶段:此阶段絮体与絮体之间会发生明显重复絮凝的现象,通过吸附和电性中和联合作用机制,进一步促使胶体的聚集和凝结,并通过吸附架桥的主导性作用加长初级絮凝的分子链,从而形成更大的絮凝体。并且在此阶段,搅拌的剪切力会使絮体发生一定程度的破碎,泥浆颗粒脱稳表面产生大量活性点位^[18],在絮体与絮体之间发挥修复功能,从而进一步强化絮凝。

完全絮凝阶段:继续添加絮凝剂,在CTS与PAM的架桥作用下絮体成长完全,最大限度地将颗粒物聚集成较大的絮凝体,并使得颗粒表面被吸附的高分子物质所包裹,无法进一步架桥絮凝,达到最终的稳定状态。这一阶段絮凝体粒径、浊度效果达到最佳。絮凝颗粒受絮凝高分子物质的保护作用^[19],若继续过量添加絮凝剂会增加絮体之间的排斥力,降低絮体的稳定性,从而导致效果变差。

以上不同阶段的絮凝过程表明,多级絮凝一方面提高了泥浆絮体颗粒的表面活性,使不同大小的絮体脱离稳定状态,并通过多次吸附架桥与电性中和作用形成更加复杂的结构。这样的层级作用可以促使胶体颗粒进一步聚集在大颗粒絮体表面,使絮体的表面积增加,表面活性也进一步提高,更有效地吸附和连接泥浆中的颗粒物质,促使泥浆中小颗粒快速被吸附在较大的凝聚物表面上,形成更大的凝聚体。另一方面,常规絮凝作用下絮体内部结构中多为短链相接,而在多级絮凝作用下,加长了高分子聚合物分子链,使不同级别的絮体在长链作用下发生更多的相互作用和联结,促进了絮体的成长,这一过程在PAM方案中最为明显。通过多级絮凝,可以逐步将水中的细小悬浮物、胶体颗粒聚集在一起,形成大颗粒的更密实的絮凝体^[20],进而利于沉淀、过滤等后续处理操作。多级絮凝可以更高效地降低浊度,有效提高疏浚泥浆的絮凝速度与处理效率,同时有助于后续脱水与污泥减量化处理。

通过对疏浚泥浆在不同絮凝剂条件下多级絮凝的效能与作用机理进行分析,得出以下结论:

1)上清液浊度测定结果表明,PAM、CTS方案在第四级时降浊效果最佳,而KPP、KPC絮凝方案在第二级时降浊效果最佳,且PAM相较于CTS具有更好的降浊功效,最终浊度可降至1.6 NTU。

2)不同絮凝剂方案对絮体形态均有显著影响,PAM对絮体成型具有明显的促进作用,颗粒呈团簇状且形态稳定。四级絮凝的絮体分形维数最大,达到1.786,絮体粒径逐渐增长,在第四级时达到最大值。

3)机理分析表明,疏浚泥浆的多级絮凝对絮体成长具有显著的影响,成长过程可细分为初级絮凝、絮凝强化和完全絮凝三个阶段,分别通过电中和、吸附架桥与絮凝保护在不同阶段发挥主导性作用。多级絮凝通过提高凝聚物质的表面活性、增加吸附和连接机会,以及加长了絮凝剂的分子链,显著提升了泥浆的絮凝效果,从而使泥浆中的颗粒物质得以更高效地被吸附沉降。