絮凝电渗真空预压处理疏浚淤泥研究进展

2023-09-20杨旭坤崔允亮

河南城建学院学报 2023年4期

杨旭坤,崔允亮

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南 232001;2.浙大城市学院工程学院,浙江杭州 310015)

目前城市每年的河道疏浚淤泥产量巨大,河道淤泥中不可避免地含有多种重金属,疏浚淤泥的处理及运输对生态环境造成了极大的负担,因此对于高含水率的疏浚淤泥,需要进行必要的脱水减容处理,以便淤泥运输及重金属固化等。淤泥具有渗透性低、含水率高、承载能力差等不良特性,制约了工程质量及进度。淤泥中含有的水分种类及去除方法如表1所示。絮凝剂常用来提高疏浚淤泥固液分离的速率和脱水减容的效果[1-2],添加单一的絮凝剂通常不能很好地实现疏浚淤泥的快速脱水和减容等目的。真空预压法作为当前处理疏浚淤泥较为常用的方法之一,具有造价低、节能环保等特点。当仅使用真空预压法处理疏浚淤泥时,经常会遇到细颗粒土随着水分排出造成排水板滤膜淤堵、真空后期排水量急剧下降等问题,严重影响了真空预压的排水效果[3]。添加合适的絮凝剂可以减少淤泥细颗粒土的占比,形成良好的排水通道结构,改善疏浚淤泥渗透性差等问题,从而减少此类淤堵问题并提高真空预压的最终排水效果[4]。

表1 淤泥中所含水分种类及去除方法

真空预压法对土体加固不均匀,随着土层深度的增加,真空法对于深厚土层的处理效果不佳,排水板周边土体的加固效果明显优于远离排水通道的土体加固效果。电渗法将电极插入土体,然后接入直流电场,在电场作用下,阳极处土体附近的孔隙水和弱结合水流向阴极后排出,使得阳极处土体加固效果明显,但是电极易腐蚀、能耗高等缺点限制了电渗法的大规模应用。絮凝、电渗、真空预压三者联用可排出电极处累积气体、提高排水速率、减少电极腐蚀、减少土体裂缝等,并且可以充分处理深层土体[5]。本文从絮凝效果的影响机理等方面,对絮凝-真空预压法和絮凝-电渗-真空预压法的研究进展进行综述。

1 絮凝效果的影响机理

在疏浚淤泥处理领域,常见的絮凝剂主要包括无机絮凝剂、有机絮凝剂。新兴的生物絮凝剂因制备困难,目前还难以大规模应用。本文主要从絮凝剂作用机理以及影响絮凝效果的4种因素进行分析。

1.1 絮凝作用机理

絮凝剂的作用机制主要分为两个方面:(1)电荷中和作用;(2)吸附架桥作用。在淤泥中添加一定量的无机絮凝剂,其携带的金属阳离子吸附在土体颗粒表面,可中和颗粒表面电荷、降低Zeta电位、压缩Stern双电层,从而体系失稳,加快疏浚淤泥的固液分离速度。需要注意的是,当絮凝剂剂量过大时,一部分阳离子被固定在Stern双电层,处于扩散层中的阳离子量急剧减少,带动迁移的水分子也会相应减少,最终造成排水量的下降。淤泥中加入有机高分子絮凝剂后出现的絮凝链可以吸附在多个土颗粒表面,并链接形成大块絮状体,减少土体的细颗粒土占比,增大淤泥的孔隙比,形成一个良好的排水通道结构,提高淤泥自身的脱水性能。

1.2 影响因素

从近年的研究中发现,淤泥的脱水能力与其中的细胞外聚合体(EPS)有关,EPS包含蛋白质、多糖、核酸等物质,可以通过去除EPS以提升淤泥的脱水能力[6]。本文主要从剂量[7]、pH值[8]、盐含量[9]等影响因素分析絮凝过程。

1.2.1 剂量

絮凝剂的添加量与EPS的含量有一定的关联性。在絮凝过程中EPS会消耗相当多的絮凝剂[10]。刘飞禹等[7]研究了Al2(SO4)3和FeCl3两种无机絮凝剂在电渗处理疏浚淤泥过程中发挥的作用,结果为:絮凝剂掺量超过一定临界值后反而造成排水量下降,说明土体存在最优絮凝剂掺加比。在工程应用中使用各种絮凝剂,都存在一个最佳掺量。掺量过低时无法充分发挥絮凝剂应有的絮凝效果;掺量过高可能会逆转絮凝的过程,抑制淤泥的固液分离速度。

1.2.2 pH值

pH值对土体中EPS的含量和絮凝剂的使用条件有着极为明显的影响。pH值对土体脱水性能的影响(见图1)可能是由于EPS的浓度造成的。LU等[11]的研究表明污泥酸化提高了污泥的脱水程度,添加有机聚电解质聚丙烯酸(PAA)或者降低酸性污泥中的EPS含量也可以显著提高酸性污泥脱水率,但是添加CPAM时脱水率较低。SUN等[12]认为是否处理重金属生物对絮凝-真空法的处理效果影响不大,但是PAM+PSAF的净水效果优于PAM,真空预压后PAM会增加悬浮液的pH值,而PAM+PSAF会降低悬浮液的pH值。GE等[13]的试验结果表明当土体的pH值降低后,污泥的毛细抽吸时间(CST)及淤泥比阻(SRF)都会明显降低,最终脱水量大幅提高。HE等[14]采用H2SO4酸化污泥试样后,EPS被快速分解,内部的结合水也被转化为自由水,从而对污泥脱水产生有利效果;而采用NaOH碱化污泥试样后,内部的结合水含量急剧上升,不利于污泥脱水。

图1 pH值对絮凝的影响

1.2.3 盐含量

合适的盐溶液浓度可以提高疏浚淤泥中阳离子量,提升水分从絮状体内部迁移向外部的能力,从而提高其脱水能力[9]。但是盐溶液浓度也会对絮状体的结构造成一定影响,在盐浓度过高时,絮状体的沉降速率和空间结构会受到相当大的影响[5]。添加NaCl溶液,虽然可以降低淤泥中EPS的含量,但是盐溶液浓度过高会对淤泥本身的过滤性能造成严重损害,从而造成淤泥自身脱水能力下降[10]。雷杰[15]发现在固液分离过程中Zeta电位的绝对值随着NaCl浓度的上升而减小,且絮凝速率持续减小。黏度作为影响淤泥脱水性能的一大因素,NaCl的浓度会对其产生极大影响。盐溶液浓度的上升会引起悬浮液的黏度快速下降,造成淤泥自身的脱水性能急剧恶化[16]。

1.2.4 复合絮凝

有研究发现:无机絮凝剂和有机高分子絮凝剂的复合使用可以有效发挥电中和与吸附架桥的优势,大幅提高絮凝效果并减少絮凝剂使用量。LIU等[17]发现分别添加0.8%的FeCl3和0.08%的APAM可以提高46.5%和56.8%的排水量。带负电子的有机高分子絮凝剂可以充分发挥其吸附架桥的作用,但不易使胶体失稳然后絮凝,因此有机与无机絮凝剂(如铝盐、铁盐等)的复合使用可发挥二者的絮凝特点[18]。夏新星等[19]通过对PAM-PAC、PAM-PFC及PAM-FeCl3等相关絮凝剂的复合使用试验,发现有机絮凝剂和无机絮凝剂的复合应用会显著提升泥浆沉降速率,说明PAC、PFC及FeCl3对有机絮凝剂PAM的沉降效果有很好的协同作用。

值得注意的是,在复合使用无机絮凝剂、有机絮凝剂时,二者的投放顺序也会对淤泥的脱水性能造成极大影响。在淤泥中添加无机絮凝剂被称为混凝,添加有机絮凝剂被称为絮凝。WANG等[20]设置了3种试样调理方式:(1)无调理;(2)混凝-絮凝调理;(3)絮凝-混凝调理。采用改进后的热提取方法对淤泥中的微生物胞外高分子物质(EPS)进行提取分析试验,结果表明:与絮凝-混凝相比,采用混凝-絮凝的调理方式处理后,淤泥的含水率更低,其影响机理如图2所示。这可以解释为:混凝-絮凝方式的调理过程中,先加无机絮凝剂可以降低淤泥的pH值,有效减少了EPS的含量,后续加入的有机絮凝剂通过吸附架桥的作用形成大块絮状体,让淤泥具有更好的渗透性。如果先加絮凝剂,在淤泥中会形成大块絮状体,再加入无机絮凝剂,会对先产生的絮状体造成破坏,从而无法充分利用二者的优势。

a 混凝-絮凝调理

2 絮凝-真空预压法

2.1 真空预压法

真空预压法被应用在吹填造陆形成的地基和疏浚淤泥的脱水处理上。影响脱水效果的两个主要问题是:在真空预压排水的初期就会产生排水板的淤堵效应;随着水分的不断排出,土体会产生不均匀的沉降变形,从而造成竖向排水板过度弯折,丧失排水能力。针对以上两个问题,研究人员对真空预压法进行了工艺改良[21-23](见表2),但总体上并未明显解决上述问题。

表2 真空预压法的改良方法

2.2 絮凝-真空预压法

有学者对真空预压法和絮凝真空预压法的处理效果做了对比研究。蒲诃夫等[3]开展了竖向排水板(PVD)和水平排水板(PHD)对比模型试验。结果表明:PHD相对于PVD具有板材变形小、脱水速率均匀、长期脱水效果好等优点。研究了絮凝剂(阴离子型聚丙烯酰胺,即APAM)对絮凝沉积-水平真空两段式脱水法排水性能的影响,结果显示絮凝剂的添加可以大幅提高疏浚淤泥的脱水效率。因此,相对于竖向排水板布置或水平排水板布置,絮凝-真空预压法更具有优势。

絮凝剂的加入可以减少排水板的淤堵。武亚军等[1]使用PAM联合真空预压法对废弃泥浆进行了处理。结果表明:细颗粒总量减少了15.29%,大于0.075 mm的土颗粒增加了23.68%,塑料排水板的淤堵得到了有效缓解。同时,絮凝剂对淤泥自身的渗透性能有较好的改善。LU等[24]、武亚军等[25-26]发现在高含水率的淤泥中加入絮凝剂调理后,土体渗透性能得到明显改善,淤堵问题也得到一定缓解。

絮凝-真空预压法在降低真空度的损耗方面也有优势。LEI等[27]认为APAM联合真空预压法处理挖泥机填料的脱水时间缩短了40%～60%。随着径向深度的增加,真空压力传递的损耗也得到进一步降低。

3 絮凝-电渗-真空预压法

3.1 电渗法

电渗法在高含水率疏浚淤泥的排水固结处理中效果明显。通过电极施加直流电,在电场作用下将携带正电荷的离子吸引到阴极,这些离子将水化的水分子迁移至阴极,形成水的迁移。但是单独使用电渗法处理疏浚淤泥存在耗能过大、加固强度不均匀等缺点,因此有学者对其进行了改进(见表3)[28-29]。

表3 电渗技术改良的优劣对比

在电渗过程中,存在电化学反应和物理反应。这些反应对淤泥的电渗脱水处理存在负面影响(见图3),即:(1)孔隙负压和阳极的广泛干燥引起土体裂缝;(2)阴极和阳极的pH值会产生变化;(3)水的电解会引起电极表面产生气泡,减少了电极接触。

图3 电渗过程示意图

阳极处土体干燥,与电极接触面积减少,电阻增大。随着水分迁移,周边土体收缩,造成土体开裂。电极的pH值变化和产生气泡主要是因为水电解后,在阳极和阴极产生O2和H2。水电解的化学式为

阳极 2H2O→O2+4H++4e-

阴极 2H2O+2e-→H2+2(OH)-

3.2 絮凝-电渗-真空预压法

絮凝-电渗-真空预压法可以显著提升土体的渗透性能,对高含水率土壤处理的效果优异,有效解决了排水板淤堵的问题。絮凝-电渗-真空预压法可以减少真空度损失,提高了真空预压处理效果。此外,添加絮凝剂也可以促进阴阳极处累积气体的排放,减缓电极腐蚀的速度,降低能耗。

HU[30]认为絮凝-电渗-真空预压法可以应用在淤泥的排水固结处理上。采用分子量为1 200万的CPAM、APAM和3种有机高分子絮凝剂分别对土体进行加固,得到了絮凝剂的最优选和最优掺入比,处理后土样的抗剪强度提升明显,固结强度均匀。陆香玉等[31]认为电絮凝法处理淤泥可以使EPS含量下降,释放出土中的结合水,使微絮状颗粒重新絮凝,提高固结效果。袁国辉等[32]的研究发现,当CaCl2掺量为1%时,逐级加压的级数越多,淤泥的加固效果越好。因此,絮凝-电渗-真空预压法可以促使土体排水固结效果更加均匀,减少土体裂缝,提高电渗和真空预压的使用效率。

在三位一体的联合应用中,需要注意的是如何延长真空预压的作用时间,以降低淤泥含水率。SUN等[33]认为采用作为排水板和电极的电动竖井(EVD)加固土体,处理过后的土体微观形状更大更厚。若使用真空预压和电渗交替作用加固土体,在后期阶段,交替形式的真空预压时间应延长至550 min。在絮凝-真空预压过程中,电渗处理的开始时间是存在一个最佳介入点的,电渗法配合絮凝-真空预压可以有效延长二者的作用时间。张雷等[34]使用絮凝-真空-电渗法对滩涂软土进行加固研究,结果表明:固结度达到80%时开始电渗可以有效延长排水时间,而且土体的抗剪强度和承载能力大幅提升。在CPAM的作用下,排水板淤堵问题也可以得到解决。

絮凝-电渗-真空预压法在处理土体过程中,电流强度会得到一定提升,这与土体存在一定盐分有关。刘飞禹等[35]认为添加适当盐溶液可以提高试样的离子含量,改善试样的导电性能,但是要注意电极的腐蚀问题。添加絮凝剂后,土体中的初始电流会有显著提高,但是试验结果显示最终土体的含水率并未明显下降,这是因为过高的盐浓度会严重抑制电渗排水效果。

4 应用现状及展望

4.1 应用现状

近年,我国东南沿海地区开展了大量的疏浚淤泥处理工程,为后续的研究提供了较多参考实例。周仰东等[36]以广州市南沙区大岗镇软土地基处理工程为例,该工程采用真空预压联合堆载预压的处理方式,结果证明真空预压法在处理淤泥地层方面加固效果优异,但是在处理过程中周边的地表沉降需要慎重考虑。蔡英龙[37]依托广东省湛徐高速公路乌石支线工程,利用真空预压法对高液塑限黏土进行改良,结果发现干密度随着压力的增大而降低。在浙江温州市的龙港吹填区开展的吹填土处理工程中,卜凡波等[38]利用电渗-真空预压法开展了大量的现场试验,结果表明:与真空预压法相比,电渗-真空预压法对地基承载力的提高幅度更大,但在应用材料方面仍需进一步改进。王海建等[39]在江南滩涂区域内进行了电渗-真空预压联合应用的现场试验,效果优异。吴松华等[40]依托某海涂围垦吹填造地项目进行了大量的絮凝-电渗应用试验,结果表明:絮凝剂对淤泥的脱水效果有较大提升。

在上述实际工程中,普遍存在以下几个问题:(1)在真空预压过程中,真空压力随着径向深度的增加而减小,超过某一极限深度时难以对周边土体进行有效加固。(2)电渗-真空预压法虽然可以有效处理疏浚淤泥,但其经济性和电极布置方式等需要进一步研究。(3)絮凝剂在淤泥脱水处理中表现优异,但带来的污染问题不容忽视。