高含水量河道淤泥固化处理技术研究及环境安全评价

2022-01-12汪吉青

山西水利 2021年9期

汪吉青

（中冶天工集团有限公司，中国天津300308）

0 引言

伴随着我国工业化进程和经济的高速发展，工业污染物和生活垃圾的排放量也不断增加。早期由于缺乏生态环境保护理念，城市湖泊河流的淤泥中，存在大量的有机质和重金属。通过检测，直接挖出的河床淤泥的含水量通常在40%～60%，其含水量远超土的液限。由于河床淤泥含水量高、力学性能差等缺点，不适合采用低含水量淤泥固化处理的方法使用；但淤泥处理不当，很容易造成二次生态污染。探索一种快速降低淤泥含水量、有效提高淤泥承载力、降解淤泥中有机质和浸出重金属等有毒物质的处置方法，以满足工程需求和生态环境需要。

为了改良淤泥的性质，国内外研究人员着眼于在高含水量淤泥中添加固化剂，并取得了众多的研究成果。东南大学丁建文团队以水泥和工业废料磷石膏作为固化剂，对高含水率疏浚淤泥的抗压强度进行了试验，分析了影响淤泥质固结土抗压强度的主要因素和变化规律，确定了淤泥质固结土的3种破坏模式，并从反应机理角度对工业废磷石膏固化剂存在最佳掺量进行了阐述。袁飞飞研究了宁波高含水率潮滩淤泥固结土的物理特性、无侧限抗压强度特性和抗压固结特性，根据添加掺料固化后淤泥的液塑限规律，对高含水量滩涂淤泥固化填筑道路路基技术的结构特性进行了分析。Lorenzo GA等研究发现，高含水率条件下水泥掺合淤泥强度和压缩性的基本参数，如固化后孔隙比和水泥掺量，可以表征固化后淤泥的强度和压缩性，并通过对无侧限抗压试验结果的分析，证明了淤泥含水率、水泥掺量和养护时间对淤泥强度的影响。Kaniraj SR使用淤泥和粉煤灰以不同比例混合，同时添加3%～9%的水泥以稳定粉煤灰-淤泥混合物。在最佳含水率和最大干密度条件下制备圆柱形样品，并进行不同时间的固化；并通过无侧限压缩试验，建立了无侧限抗压强度和割线模量与养护时间、粉煤灰掺量和水泥掺量的函数关系；此外还建立了含水率随养护时间和水泥掺量之间的关系。

固化添加剂的种类和用量的不同，对高含水量淤泥产生的固化效果也不同。本实验使用不同配合比的石灰和垃圾炉渣作为固结添加剂，垃圾炉渣的活性组分与粉煤灰相似，含水量低，吸水能力好。使用垃圾炉渣代替粉煤灰与石灰联合作为固结剂处理高含水量淤泥，在有效降低淤泥的含水率的同时，由于石灰、废渣与淤泥的物理化学反应，混合体的承载能力也得到提升。并对固结后淤泥土壤中重金属的溶解情况进行环境风险评价，为疏浚淤泥的回收利用提供依据，同时为土壤环境管理提供参考。

1 工程概况

大邑县隶属于四川省成都市，距成都市区48 km，位于成都平原西部，西北面紧靠成温邛高速公路，东面邻近斜江河。大邑经开区滨江路道路工程，项目场地内多条道路纵横交错，交通十分方便。滨江路道路起点K0+000接光华大道交叉口，K0+468.601处与敬业路相交，终点K0+806.148处与兴业八路相交。滨江道道路全长806.148 m，道路红线宽度12 m,设计时速为30 km/h，为城市支路。

道路路面标高以下地层为素填土及粉土，由于粉质土具有颗粒细、水稳性差、毛细作用大等特点，并非良好的路基填筑材料。在本工程中，将土基上20 cm的粉土道路基层，换填改为固结处理后的淤泥层，利用工程周边河道淤泥节约工程造价。实施路面的桩号为K0+480—K0+780。

2 淤泥的物理化学特性

为掌握淤泥的物理化学特性，在添加固化剂之前，对斜江河中的淤泥土样进行实验室试验。通过实验研究，得到斜江河淤泥的基本物理力学特性参数，详见表1，淤泥中重金属含量见表2。

表1 斜江河淤泥基本物理性质指标

表2 淤泥中重金属含量

由表1可知，斜江河淤泥含水量大，黏粒含量高，降水处理后级配依然不良，工程力学稳定性较差，需对淤泥进行固化技术处理。同时淤泥中有机质含量高，选择添加固化剂时应充分考虑其对有机质的分解作用。淤泥的PH值属于中性偏弱酸性。由于斜江河淤泥具有高含水量，粘聚力差等特性，应选择具有较强的吸水能力，同时能有效改善粉土的力学性能的固化剂。

3 试验材料及方法

使用不同配合比的石灰—垃圾炉渣与淤泥混合作为路基填筑材料，固结剂本身具有含水量低，吸水能力好等优势，在有效降低淤泥的含水率的同时，使固结后淤泥的承载能力得到提升。

3.1 固结剂基本性质研究

添加固结炉渣采用的是生活垃圾焚烧后产生的炉渣，垃圾炉渣中的活性成分主要包括二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁、氧化钙和氧化镁等氧化物。垃圾炉渣的物理参数见表3—5。

表3 垃圾炉渣颗粒组成

表4 垃圾炉渣物理性质参数

表5 垃圾炉渣化学性质参数

3.2 固化反应机理研究

3.2.1 水解和水化反应

石灰—垃圾炉渣固化后的淤泥硬化反应，硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙四钙和硫酸钙、铁铝酸与水产生水解和水化反应，生成水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水合铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙晶体。生成的水合物溶于水，直到溶液达到饱和，然后成为凝胶颗粒悬浮在溶液中。凝胶颗粒凝固硬化后形成固化混合淤泥骨架，同时与周围活性淤泥颗粒反应，促进淤泥达到胶结状态。在水解和水化反应过程中形成的水化硅酸钙和水化铝酸钙，将淤泥土颗粒包裹成网状结构。

3.2.2 硬凝反应

硬凝物质是一种含有硅和铝可与氢氧化钙在室温下反应，生成具有凝结作用的物质。垃圾炉渣的水解和水化可以产生大量的硬质固化化合物。加入到淤泥中的氢氧化钙电离出的钙离子，使孔隙水的pH值增加，从而激发淤泥颗粒表面的硅和铝，并逐渐反应生成新的结晶固化产物，水合化合物的硬化使得固化淤泥的强度增大。

3.2.3 离子交换和团粒化作用

淤泥是一种非均质颗粒体，在水结合后具有胶体的属性。淤泥中的二氧化硅与水形成硅酸盐胶体，通过胶结作用较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒，同时与粘土颗粒发生化学反应后，形成具有一定连续性的坚硬骨架。随着石灰水化生成的氢氧化钙等凝胶粒子表面能的增加，吸附活性非常强，导致大量土颗粒形成团聚体。同时，除石灰炉渣水化硬化过程外，石灰渣水化产物还与粘土反应生成更多的固化产物。水化生成的氢氧化钙中的钙离子与粘土颗粒吸收的钠离子，进行等量的离子吸附交换，离子交换反应原理见图1。土团粒的结合，使泥沙颗粒之间以及淤泥颗粒与垃圾炉渣颗粒之间的耦合作用增强。生成的固化混合淤泥为链结构，且密封了土团粒之间的孔隙，形成一个固体粒状结构，减少了淤泥的渗透性和胀缩性。

图1 离子交换反应原理

3.2.4 碳酸化作用

石灰水化物中的氢氧化钙，吸收水中的碳酸氢根和空气中的二氧化碳，进而生成不溶于水的碳酸钙，可以提高淤泥的强度。反应表达式为：Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O，在此过程中，反应生成的高强度的碳酸钙，可显著提高混合固化淤泥的强度。

4 高含水量淤泥固化试验结果分析

采用石灰-垃圾炉渣混合的固化剂处理淤泥，主要应研究不同掺和比例的垃圾炉渣，对淤泥固化效果的影响。石灰的掺量比例固定为6%，在实验室试验中，垃圾炉渣的用量分别为12%、24%和48%，通过对最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR值等进行试验分析，为高含水量淤泥固化处理提供数据支持。

4.1 最佳含水率和最大干密度试验结果与分析

重击击实试验得到最佳含水量和最大干密度结果，见表6。

由试验结果分析可知，随着淤泥中垃圾炉渣固化剂掺量的增加，固化淤泥的最佳含水量先减少再增加；最大干密度则逐渐降低，见图2。

图2 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和最佳含水量的关系

产生此结果的主要原因是：垃圾矿渣是一种多孔材料，混合料密度随掺量的增加而减小。当渣含量较小时，混合料的液塑性限仍然较高，因此其最佳含水量也较高。但随着废渣含量的增加，混合料的液塑性极限降低，最佳含水率也降低。随着炉渣含量的增加，需要更多的水来维持土颗粒表面的水膜厚度，最大干密度增加，使土壤颗粒在压实作用下易于移动，从而达到最大密度。见图3。

图3 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和最大干密度的关系

4.2 液塑限试验结果与分析

液塑限试验结果见表7。

表7 淤泥中石灰-垃圾炉渣固化剂掺量与液塑限的关系

从试验结果可以看出，垃圾炉渣掺量的增加，导致固化淤泥土的液限和塑性限均呈降低趋势，而塑性指数变化趋势不大。因此，使用石灰-垃圾炉渣混合剂，联合处理高含水量淤泥，对减少淤泥液塑限具有良好的效果。混合剂和液塑限关系见图4、图5。

图4 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和液限、塑限的关系

图5 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和塑性指数的关系

4.3 加州承载比（California Bearing Ratio）试验结果与分析

CaliforniaBearingRatio简称CBR，测试结果见表8。

表8 淤泥中石灰-垃圾炉渣固化处理后CBR试验结果

试验结果表明：使用石灰-垃圾炉渣联合处理淤泥可明显提高高含水量淤泥的承载力。垃圾矿渣掺量比例的增加，可有效提高固结混合淤泥的承载力，同时固结淤泥在饱水后膨胀不明显，可以在道路工程使用处理后的固结淤泥进行路基填筑。掺入比例和承载力的关系见图6。

图6 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和承载力的关系

4.4 重金属毒性浸出试验

固化剂处理后淤泥内重金属浸出浓度见表9。

表9 固化剂处理后淤泥内重金属浸出浓度单位：mg/L

pH值的增加降低了淤泥中微生物和有机物的含量，可以稳定游离重金属。重金属固结机理：污泥固化体中的重金属，由可溶性离子转化为不溶或复杂的金属氢氧化物和碳酸盐化合物。当pH值大于7时，重金属与钙离子共沉淀形成氢氧化物，或与水化产物形成钙络合物沉淀。此外，这些沉淀在水化硅酸钙凝胶表面的产物，其溶解度比在水溶液中低得多，极易沉淀。