絮凝真空預壓聯合處理河道疏浚淤泥的研究

段 勇,許春萌

(山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心,濟南 250100)

1 概 述

在河流、湖泊、水道等水體治理中,清理出的淤泥如果隨意堆放在岸邊,將對當地環境造成嚴重污染。為此,許多學者進行了相關研究。宋丁豹等[1]采用水平排水板真空脫水-固化聯合方法,對處理疏浚淤泥試驗進行了研究,結果表明,與單一真空脫水法和直接固化法相比,PHDVDS方法的脫水減量效果和加固效果均更加優越。劉義華等[2]對分級真空預壓聯合增壓處理疏浚淤泥實驗進行了研究,結果表明,真空壓力分級的次數越多,結合增壓的處理,對疏浚淤泥的排水效果更佳。殷靂等[3]對水平排水板真空預壓處理疏浚淤泥試驗進行了研究,結果表明,真空預壓過程中,排水板內各處的真空度數值較為密集、衰減較小。曾芳金等[4]研究了土工織物聯合真空預壓對加固疏浚淤泥地基固結性能的影響,結果表明,土工織物與PVD聯合處理疏浚淤泥,對減緩PVD淤堵效應和土體側向位移有較大的影響。李水江等[5]對不同含水率疏浚淤泥真空預壓下的淤堵行為進行了研究,結果表明,土體初始含水率與真空預壓加固效果呈負相關。呂有暢等[6]對砂墊層聯合分級真空預壓法加固疏浚淤泥試驗進行了研究,結果表明,分級施加的真空壓力提高了后期排水效率。

上述文獻研究了處理疏浚淤泥的方法,并對各方法處理污泥的成效進行了分析。本文參考以上文獻的研究成果,通過絮凝真空預壓聯合試驗,對河道疏浚處理后淤泥的粒度、排水量以及含水量和葉片抗剪強度進行分析。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

土壤樣品取自河道疏浚淤泥。由于河道平均年沉積量大,沉積物中含有大量污染物,污染物含水量為143%,遠高于液體極限。因此,土壤非常柔軟,抗剪強度低。此外,河流淤泥富含重金屬Cd(鎘)、Cu(銅)、Pb(鉛)和有機物。

淤泥中Cd、Cu含量遠高于Ⅱ級標準,疏浚淤泥的CODCr(用重鉻酸鉀為氧化劑測出的需氧量和BOD5(生物需氧量)值均高于地表水第Ⅴ類標準。疏浚淤泥樣品中,顆粒尺寸分布良好,顆粒尺寸不均勻,級配良好,大多數顆粒尺寸小于0.080mm,約50%的顆粒小于0.004mm。因此,疏浚淤泥含有較少的砂粒,主要由細粒黏土組成。土壤性質表明,土壤滲透性極差。

2.2 試驗方法

首先確定絮凝劑的最佳混合比。當絮凝劑的含量較低時,效果太小;當絮凝劑含量高時,不能誘導絮凝,可導致分散性和穩定性。因此,選用6種常用絮凝劑進行沉降柱試驗。其中,包括無機絮凝劑氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)和聚氯化鋁(PAC),以及有機絮凝劑陰離子PAM(APAM,相對分子量為2 000萬)、陽離子PAM(CPAM,相對分子質量為1 500萬)和非離子PAM(NPAM,相對分子量為800萬);無機絮凝劑的混合比分別為0.25%、0.5%、0.9%、1.8%和3.4%,有機絮凝劑的混合比例見表3。在試驗中,根據600ml疏浚污泥的干質量,將不同混合比的絮凝劑分別加入240ml燒杯中,然后加入60ml蒸餾水并均勻攪拌12min。將混合物倒入含有含水量為143%的疏浚污泥的600ml量筒中,攪拌并靜置48h,之后使用濁度計測量固液分離后上清液的濁度。

在本研究中,疏浚污泥絮凝后上清液的濁度(以NTU為單位測量;1NTU相當于1L水中含有1mg聚合物時產生的濁度)被用作確定絮凝劑最佳混合比的標準,濁度可以反映絮凝劑對土壤進行固液分離的能力。無機絮凝劑的最佳配比為0.9%(FeCl3,濁度20.6NTU)、0.9%(Al2(SO4)3,濁度70.1NTU)和0.5%(PAC,濁度76.4NTU),而有機絮凝劑的濁度分別為0.09%(APAM,濁度42.3NTU)、0.16%(CAPM,濁度110.8NTU)和0.15%(NPAM,濁度53.8NTU)。盡管FeCl3的摻入量約為PAC的兩倍,但其濁度僅為PAC的1/3。因此,選擇0.9%的FeCl3和0.09%的APAM作為絮凝劑,用于下一步驟中進行的測試。

表1 有機絮凝劑體積配合比

為了研究絮凝劑在疏浚污泥真空預壓中的應用,在,3個模型箱中進行一般真空預壓(GVP)、無機絮凝與真空預壓結合(IFVP)以及有機絮凝與真空預先壓結合(OFVP)。該裝置包括一個測試箱和真空預加載系統,見圖1。由有機玻璃(厚15mm)制成的測試箱,其設計外徑600mm,深度750mm,該系統采用集成PVD(PVD為物理氣相沉淀,其上土工織物的有效開口尺寸為120μm)。通過熱熔將過濾器粘附到芯上以形成一體,其拉伸強度和放電容量與傳統PVD相比,分別提高20.4%和39.5%。

圖1 試驗裝置示意圖

圖1中,密封膜由厚0.15mm的聚氯乙烯(PVC)膜構成。縱向和橫向拉伸強度分別為19.7和17.4MPa,最大伸長率225%,直角撕裂強度43kN/m,滲透系數1 024cm/s。

在真空過程中,測量真空抽吸水平、提取水的體積和表面沉降,使用注射器針作為板中的真空壓力探針插入PVD的核心,然后通過真空管連接到真空計。在每一組中,監測0、25和45cm深度處的真空抽吸水平。使用電子天平,測量水-空氣分離燒瓶中排出的水的體積。由于PVD的真空吸力作用,土壤顆粒被迫聚集在PVD周圍,導致土柱的形成和土壤的側向變形,也導致表面不均勻沉降。因此,在排水板和模型箱側壁之間,選擇3個點作為測量沉降的位置,并將3個值的平均值作為平均沉降。

測試完成后,測量在10、30和50cm深度以及在距PVD為10、20和30cm距離處的葉片剪切強度和含水量。

主要測試程序如下:

1)土壤樣品高度600mm,干質量88.4kg,然后制備3組4L絮凝劑溶液,溶質的質量為0g的FeCl3和APAM、750g的FeCl3和75g的APAM。

2)將污泥逐層放入3個測試圓柱體中,直到獲得所需高度(約600mm),將制備的絮凝劑倒入相應的桶中并攪拌30min。

3)布置PVD,連接導管,在污泥頂部鋪設一層土工布和兩層土工膜,PVD與真空管相連,水-空氣分離瓶與真空泵相連,靜置24h后,測量土壤的絮凝沉降。

4)對于所有3個測試氣缸,真空泵的壓力保持在90kPa,在膜下監測表面沉降、提取水的體積和真空壓力,并停止真空泵,直到土壤沉降穩定。

5)試驗完成后,沿土層深度取土樣,測定含水量和葉片抗剪強度。

3 試驗結果與分析

3.1 粒度分布

試驗結束后,對每種試驗淤泥的顆粒尺寸進行分析,結果見圖2。結合真空預壓的絮凝與不加添加劑絮凝之間存在顯著差異,在未處理的土壤中,大于0.02mm的粉粒占總土壤的11.21%;真空預壓后,IFVP和OFVP分別提高至19.86%和15.24%,分別提高了7.65%和4.03%。對于小于0.005mm的黏土顆粒尺寸,未經處理的土壤約占顆粒的53.24%;真空預壓后,該值降至50.32%;絮凝-真空預壓后,IFVP和OFVP分別下降至40.25%和47.41%,下降幅度分別為12.99%和5.83%。

圖2 土壤粒度分布

在普通真空預壓和絮凝真空預壓過程中,顆粒含量的增加和減少機制略有不同。在一般的真空預壓階段,大顆粒物的增加主要是由于小顆粒物隨著排水而流失。而由于絮凝劑的特殊作用機理,絮凝劑的加入會產生更明顯的效果。加入絮凝劑后,絮凝劑、土壤顆粒和水之間發生絮凝反應,使小顆粒聚集,形成較大的膠體顆粒,因此顆粒曲線發生更明顯的變化。

3.2 真空壓力

圖3為預加載過程中PVD內不同深度的真空壓力。由圖3可知,在整個測試持續時間內,在所有深度都保持88kPa以上的真空壓力,并且壓力隨著深度的增加而降低。此外,所有測試在垂直方向上具有幾乎相同的約20kPa/m的真空壓力梯度。由于PVD在真空預壓過程中不僅傳遞真空壓力,而且還排水,因此不可能沿改良土壤的深度均勻分布真空壓力。

圖3 真空壓力隨時間變化

3.3 排水量

真空預加載時間的排水變化曲線見圖4。由圖4(a)可知,GVP組、IFVP組和OFVP組的總重量分別為28.31、41.47和44.64kg,絮凝組的總排水量大于非絮凝組,IFVP和OFVP的排放量分別增加46.8%和57.6%。由圖4(b)可知,絮凝組的排水率遠高于非絮凝組,在試驗的早期階段,OFVP的引流率明顯大于IFVP。但100h后,IFVP的引流率略高,因為APAM比FeCl3具有更好的絮凝排水能力,并且真空預壓可以在早期排出更多的水。在試驗后期,由于FeCl3對土壤的滲透性較好,IFVP的排水率將逐漸提高,表明絮凝真空預壓能更有效地排出土壤水分。

圖4 排水隨時間變化

上述現象可以從兩個方面解釋:首先,當向土壤中添加絮凝劑時,可以增加土壤顆粒之間的間距,有效增加了土壤的滲透系數。其次,絮凝劑可以壓縮土壤顆粒的電雙層,加入絮凝劑后,擴散層被壓縮,土壤顆粒周圍的弱結合水被釋放,以增加土壤中的自由水。

3.4 含水量和葉片抗剪強度

從不同深度提取土壤樣品,測量土壤改良后的含水量和抗剪強度。此外,分析含水量和抗剪強度在水平和垂直方向上的平均值。圖5(a)和圖5(b)分別為含水量沿PVD深度和距離的分布圖,疏浚淤泥的含水量從最初的140%降至57%～83%。由圖5(a)可知,測得的含水量隨深度增加而增加,頂部的含水量為49.9%～57.1%,底部的含水量逐漸增加至67.6%～82.2%。表明隨著排水深度的增加,傳遞到土壤的真空壓力降低。

圖5 淤泥改良后的含水量

在水平方向上,土壤的含水量隨著距PVD的距離而增加。但表面層的含水量變化并不明顯,因為表面層的真空度可以被視為在膜下,因此保持在高水平。但土壤中的真空壓力在PVD附近保持較高的值,并且在真空壓力傳遞過程中,隨著與PVD距離的增加,真空壓力降低,因此PVD附近的水含量較低。

試驗前,葉片剪切強度幾乎為零。處理后,使用微型葉片剪切儀測量葉片剪切強度,測試結果見圖6。葉片剪切強度的主要趨勢與在含水量減少時觀察到的趨勢基本相似,隨著深度的增加,所有試驗的葉片剪切強度都呈現出類似的下降趨勢,此現象可通過在淺層中實現優異的固結來解釋,因為保持了更高的真空壓力。

圖6 淤泥改良后葉片的抗剪強度

由圖6(a)可知,處理后,GVP污泥在深度方向上的平均剪切強度從0增加至12.4kPa。對于組合方法,IFVP和OFVP在深度方向上的平均剪切強度分別增加至14.5和17.3kPa。由圖6(b)可知,在水平方向上,所有試驗的抗剪強度均隨著與PVD距離的增加而降低,與含水量的變化一致。以上分析表明,加入絮凝劑后,污泥土真空預壓的效果顯著提高。

4 結 論

本文通過絮凝真空預壓聯合試驗,對河道疏浚淤泥的處理進行了研究,并對處理后淤泥的粒度、排水量以及含水量和葉片抗剪強度進行了分析。結論如下:

1)根據沉降柱試驗,確定選絮凝劑的最佳配合比為0.9%的FeCl3和0.09%的APAM(有機絮凝劑陰離子);通過對淤泥顆粒尺寸進行分析,大于0.02mm的粉粒在真空預壓后,IFVP(無機絮凝與真空預壓結合)和OFVP(有機絮凝與真空預先壓結合)分別提高了7.65%和4.03%;在真空預壓過程中,壓力隨著深度的增加而降低。

2)絮凝組的總排水量大于非絮凝組,IFVP和OFVP的排放量分別增加了46.8%和57.6%。而且絮凝組的排水率遠高于非絮凝組;與非絮凝組相比,絮凝真空預壓能更有效地排出土壤水分。

3)疏浚淤泥的含水量從最初的140%降至57%～83%,并且隨著深度增加而增加,在真空壓力傳遞過程中,隨著距PVD(物理氣相沉淀)距離的增加,真空壓力降低。淤泥處理后,IFVP和OFVP在深度方向上的平均剪切強度分別增加至14.5和17.3kPa,淤泥中加入絮凝劑后,污泥土真空預壓的效果顯著提高。