水环境治理工程疏浚底泥固化改性过程分析

黄盛

（南昌市水利电力建设公司，江西 南昌 330000）

1 工程概况

曹家桥拱水坝水环境治理工程包括上游河道清淤整治3.90 km，其中疏浚土石方量37.41 万m3，新建护岸和堤防2 800 m，新建生态沟渠8.40 km。河道处于中心城区，且现状河道宽窄不一，过水断面严重不足，淤积严重；如遇汛期，则滞洪漫水，堤防溃堤，远远达不到20 年一遇设计标准。与此同时，河道上中游两侧并未修建市政排污管，工业用水及生活污水等直接排入河道，水质受到极大污染。通过此次治理工程的实施，主要解决所在河道洪涝及截污问题，确保下片区免受洪涝灾害影响，改善河道生态景观。

2 疏浚底泥性能分析方法

2.1 样本采集

考虑干支流水体混合及污染物自然降解等情况，在曹家桥拱水坝水环境治理工程上游清淤河道河流交汇处及污染物排放口以下500～800 m处的水固相界面以下60 cm深度范围内采集底泥样本，并将所采集到的样本及时送至实验室，避光存放于4 ℃的低温环境下。

一般情况下，河道疏浚底泥成分主要以粒径小、力学强度高的SiO2等无机物为主，所以，疏浚底泥固化强度的形成更多依靠的是底泥颗粒间的裹覆胶结及空隙的填充作用，使其机械接触力增强，抗剪切强度提升。沿用以上思路，通过复配和联用CaO、CaSO4及聚铝类物质，加速纤维状晶体钙矾石的生成，通过投加反应速率更快的絮凝剂和混凝剂使水泥系固化反应物发挥吸附团粒化作用，达到清淤河道底泥脱水固化疏浚的目的。

2.2 重金属含量及毒性测定

取1 000 g 疏浚底泥固体放进聚四氟乙烯坩埚中，并掺加浓硝酸（质量分数65%）和盐酸（质量分数36.50%）按照3∶1的体积比所配置的逆王水16 mL，8 mL氢氟酸（质量分数40%）和2 mL 过氧化氢（质量分数30%）溶液置于200 ℃电热板上持续消解5 min后的产物。待以上溶液完全混合溶解后，掺加蒸馏水，继续加热至水分完全蒸发后转移至50 mL 容量瓶，通过质量分数4%的稀硝酸定容后运用电感耦合等离子体发射光谱法进行其重金属含量测定。

为将疏浚底泥固化改性，以作为路基填料使用，必须使固化改性后的物质毒性满足《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》所限定的范围。

2.3 力学性能分析

在含水率90%的底泥样品中投加固化剂离心脱水后将上清液除去，将固体相底泥密实填入70 mm 高、直径35 mm 的管状模具，成为圆柱形试件，在常温环境下养护至少24 h后脱模，再放置室温中风干约7 d。按照《公路土工试验规程》进行底泥试件无侧限抗压强度、塑性指数、液限等持水检测。

2.4 性能分析结果

根据多个采样断面疏浚底泥性质分析结果，底泥含水率普遍在90%以上，挥发性固含量0.59±0.04%，pH 值为8.35±0.02，Cu、Zn、Pb、As、Ba、Ni、Cr 等 重 金 属 含 量 分 别 为25.85%、109.62%、16.85%、19.34%、117.45%、29.65%及67.42%，液限33.28%，塑限24.89%，塑性指数8.30。该淤积河道污染源主要为城市面源污染和污水处理厂尾水排放污染，河道四周几乎无植被和农田缓冲带，底泥中腐殖质等有机污染物含量并不高，故对其进行固化处理的主要目的在于降低底泥中重金属污染风险。结合对干燥底泥的XRD分析，底泥中SiO2含量较高，应采取投加无机固化剂的固化稳定处治技术。

3 固化改性处理

3.1 持水性能改善

结合《公路路基设计规范》，路基填料塑性指数应位于15～20，液限应不超出50%。根据该河道疏浚底泥基本特征，其塑性指数和液限分别为8.20 和33.21%，无法作为路基填料使用，必须采用恰当的改性技术优化底泥属性，改善其持水性能。分别按照底泥湿重量的0.20%和0.50%投加CAS1 型固化剂和CAS2 型固化剂，对其余样本投加SC、FC、S1、M1 等水泥系固化剂，并将混合液静置沉淀12 h 后将上清液除去，按照5 000 r/min 的速度离心脱水10 min，将脱水后的底泥自然风干5 h后进行塑性指数、液限等参数值的测定。

根据干燥底泥衍射图谱，随着固化剂投加量的增大，底泥塑性指数及液限增大，两者投加量分别为0.20%和0.50%时，对应的底泥塑性指数和液限分别为15.04 和16.25，能达到路基填料性能要求。通过分析原因看出，CAS1 型固化剂长链分子中—NH2以及CAS2 型固化剂分子中的—COOH、—OH 均能借助氢键起到吸附极性水分子的作用（见图1）；此外，有机高分子之间的作用力也对底泥颗粒有吸附作用，进而使底泥颗粒发生团聚，底泥塑性指数明显增大。

图1 CAS1和CAS2固化剂作用机理图

3.2 固化剂固化效果比较

SC、FC、S1、M1均为水泥系固化剂，其中SC 固化剂采用波特兰水泥及CaSO4、Ca（AlO2）2添加剂；FC固化剂采用波特兰水泥及复配Fe2O3添加剂；S1固化剂由波特兰水泥和MgO按照2∶3 的质量比复配；M1 固化剂则由白云石高温煅烧制成，以CaO和MgO为主成分。CAS1固化剂由CaO、Al2O3、CaSO4按照3∶1∶3的摩尔比制成，CAS2固化剂由CaO、Al2O3、CaSO4按照3∶1∶1.5的摩尔比制成。对于含水率为90%的疏浚底泥分别投加CAS型固化剂和水泥基固化剂，按照要求进行试验后，固化效果的对比具体见图2。由图中结果可以看出，当投加量较少时，CAS型固化剂固化效果较为明显，CAS2 型固化剂投加量为0.20%时，底泥固化后的无侧限抗压强度达到101.54 kPa，投加相同量的CAS1 型固化剂时固化后的底泥无侧限抗压强度为94.11 kPa；其余几种固化剂对应的底泥固化强度随投加量的增加而增大。结果表明，不溶性水化晶体产物产生量是决定底泥固化强度的关键因素。随着CAS型固化剂投加量的增大，底泥固化强度反而下降，主要原因在于此类固化剂中CaSO4成分具有明显的吸湿性，投加量增加时会减缓底泥干化速率，使底泥颗粒水分滞留，阻碍底泥颗粒机械接触，降低其抗压强度。

图2 脱水固化剂底泥固化效果对比图

3.3 底泥固化处理成本

综合以上分析，该水环境治理工程河道疏浚底泥固化应选择以下改性药剂投加方案：水下每立方米底泥投加0.20%的PAM或固化剂羧甲基纤维素钠，按照市场价格，固化剂成本约为15 元/t（水下m3），结合类似工程处理经验，能源动力和管理费用约为12 元/t（水下m3）。固化处理后疏浚底泥含水率可从90%降至60%，由此可以折算出该河道数据底泥固化改性处置成本约为118元/t（水下m3）。根据对河道工程所在地建筑材料市场的走访和调查，路基工程所用填料包括开采、运输、植被修复费用等在内的成本约为150元/t，可见，河道清淤疏浚底泥固化后作为路基填料使用成本优势明显，还能实现废弃物的再生利用，优化资源配置，经济效益和社会效益十分明显。

4 结论

综上所述，根据强化钙矾石晶体形成的思路，通过在河道清淤疏浚底泥中投加CAS型固化剂展开复合型固化剂配置方案的优化，能使改性后的疏浚底泥力学性能、毒性等达到路基填料施工要求；固化后底泥无侧限抗压强度明显高出同等养护条件下道路用粘土材料的无侧限抗压强度；重金属浸出浓度也低于Ⅱ类地表水限值，符合路基填料性能要求。最后，这种改性处理成本远比路基填料开采生产成本低，疏浚底泥改性后用于道路工程施工具有十分显著的经济效益和社会效益。