絮凝真空预压联合处理河道疏浚淤泥的研究

段 勇,许春萌

(山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心,济南 250100)

1 概 述

在河流、湖泊、水道等水体治理中,清理出的淤泥如果随意堆放在岸边,将对当地环境造成严重污染。为此,许多学者进行了相关研究。宋丁豹等[1]采用水平排水板真空脱水-固化联合方法,对处理疏浚淤泥试验进行了研究,结果表明,与单一真空脱水法和直接固化法相比,PHDVDS方法的脱水减量效果和加固效果均更加优越。刘义华等[2]对分级真空预压联合增压处理疏浚淤泥实验进行了研究,结果表明,真空压力分级的次数越多,结合增压的处理,对疏浚淤泥的排水效果更佳。殷雳等[3]对水平排水板真空预压处理疏浚淤泥试验进行了研究,结果表明,真空预压过程中,排水板内各处的真空度数值较为密集、衰减较小。曾芳金等[4]研究了土工织物联合真空预压对加固疏浚淤泥地基固结性能的影响,结果表明,土工织物与PVD联合处理疏浚淤泥,对减缓PVD淤堵效应和土体侧向位移有较大的影响。李水江等[5]对不同含水率疏浚淤泥真空预压下的淤堵行为进行了研究,结果表明,土体初始含水率与真空预压加固效果呈负相关。吕有畅等[6]对砂垫层联合分级真空预压法加固疏浚淤泥试验进行了研究,结果表明,分级施加的真空压力提高了后期排水效率。

上述文献研究了处理疏浚淤泥的方法,并对各方法处理污泥的成效进行了分析。本文参考以上文献的研究成果,通过絮凝真空预压联合试验,对河道疏浚处理后淤泥的粒度、排水量以及含水量和叶片抗剪强度进行分析。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

土壤样品取自河道疏浚淤泥。由于河道平均年沉积量大,沉积物中含有大量污染物,污染物含水量为143%,远高于液体极限。因此,土壤非常柔软,抗剪强度低。此外,河流淤泥富含重金属Cd(镉)、Cu(铜)、Pb(铅)和有机物。

淤泥中Cd、Cu含量远高于Ⅱ级标准,疏浚淤泥的CODCr(用重铬酸钾为氧化剂测出的需氧量和BOD5(生物需氧量)值均高于地表水第Ⅴ类标准。疏浚淤泥样品中,颗粒尺寸分布良好,颗粒尺寸不均匀,级配良好,大多数颗粒尺寸小于0.080mm,约50%的颗粒小于0.004mm。因此,疏浚淤泥含有较少的砂粒,主要由细粒黏土组成。土壤性质表明,土壤渗透性极差。

2.2 试验方法

首先确定絮凝剂的最佳混合比。当絮凝剂的含量较低时,效果太小;当絮凝剂含量高时,不能诱导絮凝,可导致分散性和稳定性。因此,选用6种常用絮凝剂进行沉降柱试验。其中,包括无机絮凝剂氯化铁(FeCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)和聚氯化铝(PAC),以及有机絮凝剂阴离子PAM(APAM,相对分子量为2 000万)、阳离子PAM(CPAM,相对分子质量为1 500万)和非离子PAM(NPAM,相对分子量为800万);无机絮凝剂的混合比分别为0.25%、0.5%、0.9%、1.8%和3.4%,有机絮凝剂的混合比例见表3。在试验中,根据600ml疏浚污泥的干质量,将不同混合比的絮凝剂分别加入240ml烧杯中,然后加入60ml蒸馏水并均匀搅拌12min。将混合物倒入含有含水量为143%的疏浚污泥的600ml量筒中,搅拌并静置48h,之后使用浊度计测量固液分离后上清液的浊度。

在本研究中,疏浚污泥絮凝后上清液的浊度(以NTU为单位测量;1NTU相当于1L水中含有1mg聚合物时产生的浊度)被用作确定絮凝剂最佳混合比的标准,浊度可以反映絮凝剂对土壤进行固液分离的能力。无机絮凝剂的最佳配比为0.9%(FeCl3,浊度20.6NTU)、0.9%(Al2(SO4)3,浊度70.1NTU)和0.5%(PAC,浊度76.4NTU),而有机絮凝剂的浊度分别为0.09%(APAM,浊度42.3NTU)、0.16%(CAPM,浊度110.8NTU)和0.15%(NPAM,浊度53.8NTU)。尽管FeCl3的掺入量约为PAC的两倍,但其浊度仅为PAC的1/3。因此,选择0.9%的FeCl3和0.09%的APAM作为絮凝剂,用于下一步骤中进行的测试。

表1 有机絮凝剂体积配合比

为了研究絮凝剂在疏浚污泥真空预压中的应用,在,3个模型箱中进行一般真空预压(GVP)、无机絮凝与真空预压结合(IFVP)以及有机絮凝与真空预先压结合(OFVP)。该装置包括一个测试箱和真空预加载系统,见图1。由有机玻璃(厚15mm)制成的测试箱,其设计外径600mm,深度750mm,该系统采用集成PVD(PVD为物理气相沉淀,其上土工织物的有效开口尺寸为120μm)。通过热熔将过滤器粘附到芯上以形成一体,其拉伸强度和放电容量与传统PVD相比,分别提高20.4%和39.5%。

图1 试验装置示意图

图1中,密封膜由厚0.15mm的聚氯乙烯(PVC)膜构成。纵向和横向拉伸强度分别为19.7和17.4MPa,最大伸长率225%,直角撕裂强度43kN/m,渗透系数1 024cm/s。

在真空过程中,测量真空抽吸水平、提取水的体积和表面沉降,使用注射器针作为板中的真空压力探针插入PVD的核心,然后通过真空管连接到真空计。在每一组中,监测0、25和45cm深度处的真空抽吸水平。使用电子天平,测量水-空气分离烧瓶中排出的水的体积。由于PVD的真空吸力作用,土壤颗粒被迫聚集在PVD周围,导致土柱的形成和土壤的侧向变形,也导致表面不均匀沉降。因此,在排水板和模型箱侧壁之间,选择3个点作为测量沉降的位置,并将3个值的平均值作为平均沉降。

测试完成后,测量在10、30和50cm深度以及在距PVD为10、20和30cm距离处的叶片剪切强度和含水量。

主要测试程序如下:

1)土壤样品高度600mm,干质量88.4kg,然后制备3组4L絮凝剂溶液,溶质的质量为0g的FeCl3和APAM、750g的FeCl3和75g的APAM。

2)将污泥逐层放入3个测试圆柱体中,直到获得所需高度(约600mm),将制备的絮凝剂倒入相应的桶中并搅拌30min。

3)布置PVD,连接导管,在污泥顶部铺设一层土工布和两层土工膜,PVD与真空管相连,水-空气分离瓶与真空泵相连,静置24h后,测量土壤的絮凝沉降。

4)对于所有3个测试气缸,真空泵的压力保持在90kPa,在膜下监测表面沉降、提取水的体积和真空压力,并停止真空泵,直到土壤沉降稳定。

5)试验完成后,沿土层深度取土样,测定含水量和叶片抗剪强度。

3 试验结果与分析

3.1 粒度分布

试验结束后,对每种试验淤泥的颗粒尺寸进行分析,结果见图2。结合真空预压的絮凝与不加添加剂絮凝之间存在显著差异,在未处理的土壤中,大于0.02mm的粉粒占总土壤的11.21%;真空预压后,IFVP和OFVP分别提高至19.86%和15.24%,分别提高了7.65%和4.03%。对于小于0.005mm的黏土颗粒尺寸,未经处理的土壤约占颗粒的53.24%;真空预压后,该值降至50.32%;絮凝-真空预压后,IFVP和OFVP分别下降至40.25%和47.41%,下降幅度分别为12.99%和5.83%。

图2 土壤粒度分布

在普通真空预压和絮凝真空预压过程中,颗粒含量的增加和减少机制略有不同。在一般的真空预压阶段,大颗粒物的增加主要是由于小颗粒物随着排水而流失。而由于絮凝剂的特殊作用机理,絮凝剂的加入会产生更明显的效果。加入絮凝剂后,絮凝剂、土壤颗粒和水之间发生絮凝反应,使小颗粒聚集,形成较大的胶体颗粒,因此颗粒曲线发生更明显的变化。

3.2 真空压力

图3为预加载过程中PVD内不同深度的真空压力。由图3可知,在整个测试持续时间内,在所有深度都保持88kPa以上的真空压力,并且压力随着深度的增加而降低。此外,所有测试在垂直方向上具有几乎相同的约20kPa/m的真空压力梯度。由于PVD在真空预压过程中不仅传递真空压力,而且还排水,因此不可能沿改良土壤的深度均匀分布真空压力。

图3 真空压力随时间变化

3.3 排水量

真空预加载时间的排水变化曲线见图4。由图4(a)可知,GVP组、IFVP组和OFVP组的总重量分别为28.31、41.47和44.64kg,絮凝组的总排水量大于非絮凝组,IFVP和OFVP的排放量分别增加46.8%和57.6%。由图4(b)可知,絮凝组的排水率远高于非絮凝组,在试验的早期阶段,OFVP的引流率明显大于IFVP。但100h后,IFVP的引流率略高,因为APAM比FeCl3具有更好的絮凝排水能力,并且真空预压可以在早期排出更多的水。在试验后期,由于FeCl3对土壤的渗透性较好,IFVP的排水率将逐渐提高,表明絮凝真空预压能更有效地排出土壤水分。

图4 排水随时间变化

上述现象可以从两个方面解释:首先,当向土壤中添加絮凝剂时,可以增加土壤颗粒之间的间距,有效增加了土壤的渗透系数。其次,絮凝剂可以压缩土壤颗粒的电双层,加入絮凝剂后,扩散层被压缩,土壤颗粒周围的弱结合水被释放,以增加土壤中的自由水。

3.4 含水量和叶片抗剪强度

从不同深度提取土壤样品,测量土壤改良后的含水量和抗剪强度。此外,分析含水量和抗剪强度在水平和垂直方向上的平均值。图5(a)和图5(b)分别为含水量沿PVD深度和距离的分布图,疏浚淤泥的含水量从最初的140%降至57%～83%。由图5(a)可知,测得的含水量随深度增加而增加,顶部的含水量为49.9%～57.1%,底部的含水量逐渐增加至67.6%～82.2%。表明随着排水深度的增加,传递到土壤的真空压力降低。

图5 淤泥改良后的含水量

在水平方向上,土壤的含水量随着距PVD的距离而增加。但表面层的含水量变化并不明显,因为表面层的真空度可以被视为在膜下,因此保持在高水平。但土壤中的真空压力在PVD附近保持较高的值,并且在真空压力传递过程中,随着与PVD距离的增加,真空压力降低,因此PVD附近的水含量较低。

试验前,叶片剪切强度几乎为零。处理后,使用微型叶片剪切仪测量叶片剪切强度,测试结果见图6。叶片剪切强度的主要趋势与在含水量减少时观察到的趋势基本相似,随着深度的增加,所有试验的叶片剪切强度都呈现出类似的下降趋势,此现象可通过在浅层中实现优异的固结来解释,因为保持了更高的真空压力。

图6 淤泥改良后叶片的抗剪强度

由图6(a)可知,处理后,GVP污泥在深度方向上的平均剪切强度从0增加至12.4kPa。对于组合方法,IFVP和OFVP在深度方向上的平均剪切强度分别增加至14.5和17.3kPa。由图6(b)可知,在水平方向上,所有试验的抗剪强度均随着与PVD距离的增加而降低,与含水量的变化一致。以上分析表明,加入絮凝剂后,污泥土真空预压的效果显著提高。

4 结 论

本文通过絮凝真空预压联合试验,对河道疏浚淤泥的处理进行了研究,并对处理后淤泥的粒度、排水量以及含水量和叶片抗剪强度进行了分析。结论如下:

1)根据沉降柱试验,确定选絮凝剂的最佳配合比为0.9%的FeCl3和0.09%的APAM(有机絮凝剂阴离子);通过对淤泥颗粒尺寸进行分析,大于0.02mm的粉粒在真空预压后,IFVP(无机絮凝与真空预压结合)和OFVP(有机絮凝与真空预先压结合)分别提高了7.65%和4.03%;在真空预压过程中,压力随着深度的增加而降低。

2)絮凝组的总排水量大于非絮凝组,IFVP和OFVP的排放量分别增加了46.8%和57.6%。而且絮凝组的排水率远高于非絮凝组;与非絮凝组相比,絮凝真空预压能更有效地排出土壤水分。

3)疏浚淤泥的含水量从最初的140%降至57%～83%,并且随着深度增加而增加,在真空压力传递过程中,随着距PVD(物理气相沉淀)距离的增加,真空压力降低。淤泥处理后,IFVP和OFVP在深度方向上的平均剪切强度分别增加至14.5和17.3kPa,淤泥中加入絮凝剂后,污泥土真空预压的效果显著提高。