高含水量河道淤泥固化處理技術(shù)研究及環(huán)境安全評價(jià)

汪吉青

（中冶天工集團(tuán)有限公司，中國 天津300308）

0 引言

伴隨著我國工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)污染物和生活垃圾的排放量也不斷增加。早期由于缺乏生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念，城市湖泊河流的淤泥中，存在大量的有機(jī)質(zhì)和重金屬。通過檢測，直接挖出的河床淤泥的含水量通常在40%～60%，其含水量遠(yuǎn)超土的液限。由于河床淤泥含水量高、力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，不適合采用低含水量淤泥固化處理的方法使用；但淤泥處理不當(dāng)，很容易造成二次生態(tài)污染。探索一種快速降低淤泥含水量、有效提高淤泥承載力、降解淤泥中有機(jī)質(zhì)和浸出重金屬等有毒物質(zhì)的處置方法，以滿足工程需求和生態(tài)環(huán)境需要。

為了改良淤泥的性質(zhì)，國內(nèi)外研究人員著眼于在高含水量淤泥中添加固化劑，并取得了眾多的研究成果。東南大學(xué)丁建文團(tuán)隊(duì)以水泥和工業(yè)廢料磷石膏作為固化劑，對高含水率疏浚淤泥的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了影響淤泥質(zhì)固結(jié)土抗壓強(qiáng)度的主要因素和變化規(guī)律，確定了淤泥質(zhì)固結(jié)土的3種破壞模式，并從反應(yīng)機(jī)理角度對工業(yè)廢磷石膏固化劑存在最佳摻量進(jìn)行了闡述。袁飛飛研究了寧波高含水率潮灘淤泥固結(jié)土的物理特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性和抗壓固結(jié)特性，根據(jù)添加摻料固化后淤泥的液塑限規(guī)律，對高含水量灘涂淤泥固化填筑道路路基技術(shù)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析。Lorenzo GA等研究發(fā)現(xiàn)，高含水率條件下水泥摻合淤泥強(qiáng)度和壓縮性的基本參數(shù)，如固化后孔隙比和水泥摻量，可以表征固化后淤泥的強(qiáng)度和壓縮性，并通過對無側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果的分析，證明了淤泥含水率、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對淤泥強(qiáng)度的影響。Kaniraj SR使用淤泥和粉煤灰以不同比例混合，同時(shí)添加3%～9%的水泥以穩(wěn)定粉煤灰-淤泥混合物。在最佳含水率和最大干密度條件下制備圓柱形樣品，并進(jìn)行不同時(shí)間的固化；并通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，建立了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和割線模量與養(yǎng)護(hù)時(shí)間、粉煤灰摻量和水泥摻量的函數(shù)關(guān)系；此外還建立了含水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水泥摻量之間的關(guān)系。

固化添加劑的種類和用量的不同，對高含水量淤泥產(chǎn)生的固化效果也不同。本實(shí)驗(yàn)使用不同配合比的石灰和垃圾爐渣作為固結(jié)添加劑，垃圾爐渣的活性組分與粉煤灰相似，含水量低，吸水能力好。使用垃圾爐渣代替粉煤灰與石灰聯(lián)合作為固結(jié)劑處理高含水量淤泥，在有效降低淤泥的含水率的同時(shí)，由于石灰、廢渣與淤泥的物理化學(xué)反應(yīng)，混合體的承載能力也得到提升。并對固結(jié)后淤泥土壤中重金屬的溶解情況進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，為疏浚淤泥的回收利用提供依據(jù)，同時(shí)為土壤環(huán)境管理提供參考。

1 工程概況

大邑縣隸屬于四川省成都市，距成都市區(qū)48 km，位于成都平原西部，西北面緊靠成溫邛高速公路，東面鄰近斜江河。大邑經(jīng)開區(qū)濱江路道路工程，項(xiàng)目場地內(nèi)多條道路縱橫交錯(cuò)，交通十分方便。濱江路道路起點(diǎn)K0+000接光華大道交叉口，K0+468.601處與敬業(yè)路相交，終點(diǎn)K0+806.148處與興業(yè)八路相交。濱江道道路全長806.148 m，道路紅線寬度12 m,設(shè)計(jì)時(shí)速為30 km/h，為城市支路。

道路路面標(biāo)高以下地層為素填土及粉土，由于粉質(zhì)土具有顆粒細(xì)、水穩(wěn)性差、毛細(xì)作用大等特點(diǎn)，并非良好的路基填筑材料。在本工程中，將土基上20 cm的粉土道路基層，換填改為固結(jié)處理后的淤泥層，利用工程周邊河道淤泥節(jié)約工程造價(jià)。實(shí)施路面的樁號為K0+480—K0+780。

2 淤泥的物理化學(xué)特性

為掌握淤泥的物理化學(xué)特性，在添加固化劑之前，對斜江河中的淤泥土樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)研究，得到斜江河淤泥的基本物理力學(xué)特性參數(shù)，詳見表1，淤泥中重金屬含量見表2。

表1 斜江河淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 淤泥中重金屬含量

由表1可知，斜江河淤泥含水量大，黏粒含量高，降水處理后級配依然不良，工程力學(xué)穩(wěn)定性較差，需對淤泥進(jìn)行固化技術(shù)處理。同時(shí)淤泥中有機(jī)質(zhì)含量高，選擇添加固化劑時(shí)應(yīng)充分考慮其對有機(jī)質(zhì)的分解作用。淤泥的PH值屬于中性偏弱酸性。由于斜江河淤泥具有高含水量，粘聚力差等特性，應(yīng)選擇具有較強(qiáng)的吸水能力，同時(shí)能有效改善粉土的力學(xué)性能的固化劑。

3 試驗(yàn)材料及方法

使用不同配合比的石灰—垃圾爐渣與淤泥混合作為路基填筑材料，固結(jié)劑本身具有含水量低，吸水能力好等優(yōu)勢，在有效降低淤泥的含水率的同時(shí)，使固結(jié)后淤泥的承載能力得到提升。

3.1 固結(jié)劑基本性質(zhì)研究

添加固結(jié)爐渣采用的是生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的爐渣，垃圾爐渣中的活性成分主要包括二氧化硅、氧化鋁、三氧化二鐵、氧化鈣和氧化鎂等氧化物。垃圾爐渣的物理參數(shù)見表3—5。

表3 垃圾爐渣顆粒組成

表4 垃圾爐渣物理性質(zhì)參數(shù)

表5 垃圾爐渣化學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 固化反應(yīng)機(jī)理研究

3.2.1 水解和水化反應(yīng)

石灰—垃圾爐渣固化后的淤泥硬化反應(yīng)，硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣四鈣和硫酸鈣、鐵鋁酸與水產(chǎn)生水解和水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣、水合鋁酸鈣、水化鐵酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體。生成的水合物溶于水，直到溶液達(dá)到飽和，然后成為凝膠顆粒懸浮在溶液中。凝膠顆粒凝固硬化后形成固化混合淤泥骨架，同時(shí)與周圍活性淤泥顆粒反應(yīng)，促進(jìn)淤泥達(dá)到膠結(jié)狀態(tài)。在水解和水化反應(yīng)過程中形成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，將淤泥土顆粒包裹成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3.2.2 硬凝反應(yīng)

硬凝物質(zhì)是一種含有硅和鋁可與氫氧化鈣在室溫下反應(yīng)，生成具有凝結(jié)作用的物質(zhì)。垃圾爐渣的水解和水化可以產(chǎn)生大量的硬質(zhì)固化化合物。加入到淤泥中的氫氧化鈣電離出的鈣離子，使孔隙水的pH值增加，從而激發(fā)淤泥顆粒表面的硅和鋁，并逐漸反應(yīng)生成新的結(jié)晶固化產(chǎn)物，水合化合物的硬化使得固化淤泥的強(qiáng)度增大。

3.2.3 離子交換和團(tuán)粒化作用

淤泥是一種非均質(zhì)顆粒體，在水結(jié)合后具有膠體的屬性。淤泥中的二氧化硅與水形成硅酸鹽膠體，通過膠結(jié)作用較小的土顆粒逐漸形成較大的土團(tuán)粒，同時(shí)與粘土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，形成具有一定連續(xù)性的堅(jiān)硬骨架。隨著石灰水化生成的氫氧化鈣等凝膠粒子表面能的增加，吸附活性非常強(qiáng)，導(dǎo)致大量土顆粒形成團(tuán)聚體。同時(shí)，除石灰爐渣水化硬化過程外，石灰渣水化產(chǎn)物還與粘土反應(yīng)生成更多的固化產(chǎn)物。水化生成的氫氧化鈣中的鈣離子與粘土顆粒吸收的鈉離子，進(jìn)行等量的離子吸附交換，離子交換反應(yīng)原理見圖1。土團(tuán)粒的結(jié)合，使泥沙顆粒之間以及淤泥顆粒與垃圾爐渣顆粒之間的耦合作用增強(qiáng)。生成的固化混合淤泥為鏈結(jié)構(gòu)，且密封了土團(tuán)粒之間的孔隙，形成一個(gè)固體粒狀結(jié)構(gòu)，減少了淤泥的滲透性和脹縮性。

圖1 離子交換反應(yīng)原理

3.2.4 碳酸化作用

石灰水化物中的氫氧化鈣，吸收水中的碳酸氫根和空氣中的二氧化碳，進(jìn)而生成不溶于水的碳酸鈣，可以提高淤泥的強(qiáng)度。反應(yīng)表達(dá)式為：Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O，在此過程中，反應(yīng)生成的高強(qiáng)度的碳酸鈣，可顯著提高混合固化淤泥的強(qiáng)度。

4 高含水量淤泥固化試驗(yàn)結(jié)果分析

采用石灰-垃圾爐渣混合的固化劑處理淤泥，主要應(yīng)研究不同摻和比例的垃圾爐渣，對淤泥固化效果的影響。石灰的摻量比例固定為6%，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，垃圾爐渣的用量分別為12%、24%和48%，通過對最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR值等進(jìn)行試驗(yàn)分析，為高含水量淤泥固化處理提供數(shù)據(jù)支持。

4.1 最佳含水率和最大干密度試驗(yàn)結(jié)果與分析

重?fù)魮魧?shí)試驗(yàn)得到最佳含水量和最大干密度結(jié)果，見表6。

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著淤泥中垃圾爐渣固化劑摻量的增加，固化淤泥的最佳含水量先減少再增加；最大干密度則逐漸降低，見圖2。

圖2 淤泥中垃圾爐渣摻入比例和最佳含水量的關(guān)系

產(chǎn)生此結(jié)果的主要原因是：垃圾礦渣是一種多孔材料，混合料密度隨摻量的增加而減小。當(dāng)渣含量較小時(shí)，混合料的液塑性限仍然較高，因此其最佳含水量也較高。但隨著廢渣含量的增加，混合料的液塑性極限降低，最佳含水率也降低。隨著爐渣含量的增加，需要更多的水來維持土顆粒表面的水膜厚度，最大干密度增加，使土壤顆粒在壓實(shí)作用下易于移動(dòng)，從而達(dá)到最大密度。見圖3。

圖3 淤泥中垃圾爐渣摻入比例和最大干密度的關(guān)系

4.2 液塑限試驗(yàn)結(jié)果與分析

液塑限試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 淤泥中石灰-垃圾爐渣固化劑摻量與液塑限的關(guān)系

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，垃圾爐渣摻量的增加，導(dǎo)致固化淤泥土的液限和塑性限均呈降低趨勢，而塑性指數(shù)變化趨勢不大。因此，使用石灰-垃圾爐渣混合劑，聯(lián)合處理高含水量淤泥，對減少淤泥液塑限具有良好的效果?；旌蟿┖鸵核芟揸P(guān)系見圖4、圖5。

圖4 淤泥中垃圾爐渣摻入比例和液限、塑限的關(guān)系

圖5 淤泥中垃圾爐渣摻入比例和塑性指數(shù)的關(guān)系

4.3 加州承載比（California Bearing Ratio）試驗(yàn)結(jié)果與分析

CaliforniaBearingRatio簡稱CBR，測試結(jié)果見表8。

表8 淤泥中石灰-垃圾爐渣固化處理后CBR試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：使用石灰-垃圾爐渣聯(lián)合處理淤泥可明顯提高高含水量淤泥的承載力。垃圾礦渣摻量比例的增加，可有效提高固結(jié)混合淤泥的承載力，同時(shí)固結(jié)淤泥在飽水后膨脹不明顯，可以在道路工程使用處理后的固結(jié)淤泥進(jìn)行路基填筑。摻入比例和承載力的關(guān)系見圖6。

圖6 淤泥中垃圾爐渣摻入比例和承載力的關(guān)系

4.4 重金屬毒性浸出試驗(yàn)

固化劑處理后淤泥內(nèi)重金屬浸出濃度見表9。

表9 固化劑處理后淤泥內(nèi)重金屬浸出濃度 單位：mg/L

pH值的增加降低了淤泥中微生物和有機(jī)物的含量，可以穩(wěn)定游離重金屬。重金屬固結(jié)機(jī)理：污泥固化體中的重金屬，由可溶性離子轉(zhuǎn)化為不溶或復(fù)雜的金屬氫氧化物和碳酸鹽化合物。當(dāng)pH值大于7時(shí)，重金屬與鈣離子共沉淀形成氫氧化物，或與水化產(chǎn)物形成鈣絡(luò)合物沉淀。此外，這些沉淀在水化硅酸鈣凝膠表面的產(chǎn)物，其溶解度比在水溶液中低得多，極易沉淀。

4.5 試驗(yàn)總結(jié)

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）中規(guī)定，路基填料的液限不應(yīng)大于50%、塑性指數(shù)不大于26、最小強(qiáng)度CBR不小于6%，考慮固化劑處理后淤泥內(nèi)重金屬浸出濃度的要求，確定本項(xiàng)目的試驗(yàn)路段淤泥固化處理的垃圾爐渣摻加量，選取48%更為合理。

5 結(jié)論

在對污泥的基本物理性能及重金屬含量測試的基礎(chǔ)上，研究了添加不同比例的石灰-垃圾爐渣固化劑改善污泥工程力學(xué)性能的方法。通過重?fù)魤簩?shí)試驗(yàn)、液塑限試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)以及重金屬毒性浸出試驗(yàn)，研究了固化劑對淤泥的影響，得到以下結(jié)論：

通過液塑限試驗(yàn)和CBR值試驗(yàn)，對不同比例固結(jié)劑處理進(jìn)行了對比分析，表明本工程選取48%更為合理。

石灰-垃圾爐渣固化劑，在降低淤泥含水量的同時(shí)，還可以有效提高其承載力，且混合材料的其他路用性能均能滿足規(guī)范要求。

通過重金屬浸出試驗(yàn)以及重金屬固結(jié)機(jī)理分析，可知高比例摻量的石灰和垃圾爐渣使得游離態(tài)的重金屬得到有效固化，避免對環(huán)境的二次污染。