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        河湖生態(tài)清淤及淤泥固化一體化技術(shù)應(yīng)用研究

        2023-11-11 04:22:16唐雨卉程潤喜
        廣西水利水電 2023年5期
        關(guān)鍵詞:清淤固化劑淤泥

        唐雨卉,程潤喜,徐 楊

        (1.皖江工學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000;2.路德環(huán)境科技股份有限公司,武漢 430000;3.金陵科技學(xué)院,南京 211169)

        0 引言

        淤泥在靜水或者緩慢水流環(huán)境中沉積,并經(jīng)生物化學(xué)作用形成,是天然含水量大于液限,天然孔隙比大于或等于1.5 的黏性土[1]。降雨徑流攜帶了大量的泥土雜物以及生活垃圾,隨著水動力條件逐漸降低,一些重量較大的懸浮物逐漸沉入河道和湖泊底部,日積月累形成大量的水下沉積物,這就是淤泥。一方面,淤泥淤積河道、湖底,抬高河床,甚至影響河流、湖泊和港口等水利工程的蓄水防洪、航行運輸?shù)裙δ?;另一方面,淤泥會對河(湖)水造二次污染,惡化水質(zhì),嚴(yán)重影響周邊居民的生活。

        據(jù)統(tǒng)計,全球每年有數(shù)十億立方米淤泥需要處理[2]。我國湖泊河道的淤泥量每年高達7000 萬m3,加上城市下水道疏浚淤泥,每年的淤泥量超過1 億m3[3],有的河道淤積深度達1~2 m,需定期進行疏竣。1998 年,上海市張家浜河道開始分段整治,歷時4 年,疏浚河道,營造更加和諧、生態(tài)的水環(huán)境;2020年,江蘇省泰州市城區(qū)河道清淤某標(biāo)段項目采用生態(tài)清淤、淤泥固化技術(shù)進行治理,促進了城市河道水環(huán)境的恢復(fù)[4]。2022 年,山西省臨汾市全面啟動汾河河道清淤工作,對洪峰過境后遺留在河道內(nèi)的沉積物和淤泥進行大規(guī)模疏浚清淤工作,改善城市水系生態(tài)環(huán)境,提高河道行洪排澇能力;2023年,浙江省寧波市海曙區(qū)對5 條城區(qū)河道實施清淤疏浚工作,總長約7.78 km,改善城市水環(huán)境質(zhì)量,打造良好生態(tài)環(huán)境。

        天然狀態(tài)淤泥含水量高,力學(xué)性質(zhì)差,無側(cè)限抗壓強度小于50 kPa,含有大量有機質(zhì)及污染物,在工程上不能直接利用。如何有效處理及利用淤泥對環(huán)境保護及生態(tài)修復(fù)具有特別重要的意義。

        1 淤泥資源化處理理念

        河湖淤泥處理方法較多,主要有投海法、衛(wèi)生填埋法、焚燒法、污泥堆肥法、厭氧消化法、干化資源法[5]。其中投海法、衛(wèi)生填埋法、焚燒法容易產(chǎn)生二次污染;污泥堆肥法需要占用大面積土地;厭氧消化法、干化資源法雖然能殺死病原體,但是能耗大、成本高。填埋、傾倒等傳統(tǒng)淤泥處理處置方式不僅成本高,且對周邊環(huán)境造成污染等問題[6]。

        目前,淤泥資源化理念得到廣泛認(rèn)可。在淤泥中摻入固化材料,通過攪拌混合使固化材料和淤泥發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),從而改善淤泥性質(zhì),使其成為可利用的資源[7]。張志勇等人認(rèn)為,疏浚淤泥最好的處理方法是將其轉(zhuǎn)化為土工或建筑材料進行再生利用[8];歐美國家也提出了采用固化處理淤泥的方法,且將固化處理后的淤泥用于建筑工程中,如用于填筑路基、制作磚塊等建筑材料。淤泥固化逐漸成為有效處置大量淤泥的首選方法[9]。

        對淤泥的資源化處理基本分三個階段進行。一是脫水處理,即通過壓縮、排水等方法減小疏浚淤泥體積,易于后續(xù)處理;二是固化處理,即利用固化劑與土粒在水環(huán)境下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),增強土顆粒之間的膠結(jié)強度,對污染成分進行無害化處理;三是資源化處理,即脫水、固化處理后的污泥變?yōu)榭梢岳玫馁Y源。淤泥固化是資源化處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

        2 淤泥固化處理技術(shù)

        國內(nèi)外淤泥固化的處理方法主要有物理脫水法、高溫?zé)Y(jié)法、化學(xué)固化法等。物理方法可以降低底泥中的含水率,但不能有效去除底泥中的重金屬等污染物;高溫?zé)Y(jié)需要長距離運輸淤泥至固定工廠內(nèi)進行,化學(xué)方法是向淤泥中添加固化劑,可有效清除底泥中的污染物,該方法簡單易行,應(yīng)用廣泛。

        固化劑的種類較多,常用的有水泥、石灰、礦渣等,近年來許多學(xué)者開始研發(fā)新型的環(huán)保固化劑,以實現(xiàn)資源高效利用和綠色低碳發(fā)展。

        2.1 以水泥作為單一固化材料

        國內(nèi)外學(xué)者以水泥為固化劑,分別研究了水泥摻量以及固化淤泥含水率與淤泥固化土強度的相關(guān)性。

        (1)水泥摻量對固化土強度的影響。謝珂等[10]對淤泥固化土進行無側(cè)限抗壓強度以及微觀特性進行實驗研究,結(jié)果表明,水泥摻量達到10%時,淤泥固化土強度可達到136.5 kPa。胡中威[11]以武漢東湖淤泥為實驗對象,水泥摻量超過6%后,CBR(加州承載比)增長效果顯著,水泥摻量的增加對東湖水泥改性淤泥固化土的強度有很大積極影響。實驗表明,水泥摻量對固化土的無側(cè)限抗壓強度影響最大,且隨著水泥摻量的增加,強度顯著增加[12-13]。

        (2)淤泥含水率對固化土強度的影響。丁建文[14]以水泥作為固化劑材料,發(fā)現(xiàn)淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強度和含水率呈反比例關(guān)系,張春雷[15]認(rèn)為淤泥的無側(cè)限抗壓強度與含水率呈冪函數(shù)關(guān)系。Miura 等[16]研究了水灰比對固化淤泥力學(xué)特性的影響,發(fā)現(xiàn)水灰比是分析高含水率固化淤泥力學(xué)和變形特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)。李亞飛[17]將專用液體固化劑和一定量水泥混合,實驗表明,固化淤泥土制樣含水率范圍在20%~30%成型效果較好,當(dāng)含水率達到25%時,制樣成型效果好,最大無側(cè)限抗壓強度為809 kPa。

        淤泥固化土強度隨著水泥摻量的增加而增大,當(dāng)固化淤泥土樣含水率達到最優(yōu)時,可以得到最大無側(cè)限抗壓強度。以水泥作為單一固化劑,方法簡單,固化效果好,但是造價較高。研究人員嘗試將工業(yè)廢渣,如礦渣、廢石膏甚至廢棄的混凝土等加入水泥固化劑中,形成復(fù)合固化材料,用來提高固化淤泥土的力學(xué)性能,同時實現(xiàn)節(jié)能減排。

        2.2 基于水泥的復(fù)合固化材料

        (1)復(fù)合固化材料對固化土強度的影響。馮忠明[18]以水泥+粉煤灰+少量磷石膏的復(fù)合固化材料與水泥單一固化材料作比較試驗,當(dāng)所用固化材料質(zhì)量一定時,前者比后者所處理的固化土的強度更高。劉啟運[19]將水泥+礦粉+粉煤灰+石灰+石膏等材料按一定配比混合攪拌制成固化劑,固化劑與淤泥之間發(fā)生物理、化學(xué)作用,使流塑狀淤泥逐漸變?yōu)榫哂袧M足強度要求的基礎(chǔ)。李廣金[20]取貴州省遵義市某河道淤泥分別以水泥+粉煤灰和水泥+高爐礦粉為固化劑,研究表明,水泥+粉煤灰及水泥+高爐礦粉的加入,對于不同齡期的固化淤泥均有增強作用。

        (2)CSFG[9](cement-slag-flyash-gypsum)是一種以水泥、礦渣、粉煤灰和石膏按一定比例混合而成的新型復(fù)合固化劑,其中石膏可以有效激發(fā)、促進水化物的生成;礦渣與粉煤灰共摻時,形成粉煤灰水化產(chǎn)物與礦渣活化凝膠。粉煤灰和礦渣有效改善了水泥固化淤泥的水穩(wěn)定性,使得固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度得以顯著提高。

        (3)我國每年產(chǎn)生超2 億噸的廢舊混凝土,帶來了嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題。陳家樂[21]以溫州市區(qū)淤泥為對象,研究利用采用廢舊混凝土顆粒料+水泥疏浚淤泥的方法,實驗表明,固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量的增大而增大,當(dāng)廢舊混凝土顆粒料含量達到某一值(最優(yōu)值)時,固化淤泥土可以得到最大強度值。

        (4)復(fù)合固化材料用量對固化土強度的影響。Lang 等[22]研究了水泥和鋼渣粉混合固化的淤泥強度變化特征及其微觀機理,結(jié)果表明,當(dāng)鋼渣粉摻量為5%~10%時,固化淤泥的無側(cè)限強度提高最顯著;對于含腐殖酸的固化淤泥,采用15%~20%鋼渣粉作為水泥固化劑的外加劑是最好的選擇。汪吉青[23]采用石灰+垃圾爐渣混合的固化劑處理淤泥,石灰的摻量比例固定為6%,在實驗室試驗中,垃圾爐渣的用量分別為12%、24%和48%,通過對最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR 值等進行試驗分析,發(fā)現(xiàn)垃圾爐渣用量為48%時可以得到理想的固化效果。魏雁冰[24]對某河道淤泥固化研究表明,4%水泥摻量+4%粉煤灰摻量為最優(yōu)的固化劑配比。

        由于不同河道、湖泊淤泥成因、成分等方面的差異,復(fù)合固化材料的選擇及用量也存在差異,必須通過實驗制定清淤方案。

        3 生態(tài)清淤及淤泥固化一體化技術(shù)

        傳統(tǒng)的淤泥固化法常采用或基于水泥作為固化劑,能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重。而且利用固化劑處理后的淤泥固化土雖然能夠滿足強度要求,但仍存在脆性破壞、水穩(wěn)性差等缺陷,難以滿足復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下長期的變形和穩(wěn)定要求[25]。對于高有機質(zhì)含量和高含水率淤泥,常用固化劑固化效果差[6]。近年來許多學(xué)者開始研發(fā)新型的環(huán)境友好型固化劑用于生態(tài)清淤,以實現(xiàn)資源高效利用和綠色低碳發(fā)展。

        淤泥固化一體化技術(shù)采用環(huán)保型固化劑及先進工藝,固化劑對高含水率淤泥需具有快速固化的效果,固化土重金屬元素及有害物質(zhì)不超標(biāo),水穩(wěn)性好,可以進一步加工利用,具備快速固化、環(huán)境友好、再生利用、工藝簡單的特點。

        JCW 軟土固化劑利用低品位工業(yè)廢渣為主要原材料制備,是一種環(huán)境友好型功能性材料,其在工程指標(biāo)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境影響等方面均優(yōu)于水泥類和石灰類固化劑。泉州城市河道淤泥疏浚固化實驗中,當(dāng)有機質(zhì)含量為8%,固化劑干摻量為10%時,固化土28 d 無側(cè)限抗壓強度達到502 kPa以上,可用作工程回填材料[26]。

        路德環(huán)境科技股份有限公司采用HEC+FSA+SHM 專利技術(shù)[27]進行生態(tài)清淤及淤泥固化一體化積累了許多成功的案例。HEC(High Strength and High Waterproof Earth Consolidator 高強高耐水土體固結(jié)劑)是一種無機水硬性膠凝材料,能將被固結(jié)材料基本單元黏結(jié)成為牢固的整體,從而產(chǎn)生較高強度和水穩(wěn)定性,實現(xiàn)對有害物質(zhì)的鈍化和固封;FSA(Flocculating-settling Agent for Sediment 泥沙聚沉劑)為粉末狀固體,是一種新型環(huán)保淤泥調(diào)理脫水專利產(chǎn)品,可針對不同有機質(zhì)含量、顆粒粒徑的淤泥、泥漿進行調(diào)理調(diào)質(zhì),快速脫水。SHM(Stabilizer for Heavy Metal 重金屬穩(wěn)定劑)能夠?qū)崿F(xiàn)重金屬螯合的效果。利用HEC+FSA+SHM 一體化技術(shù)脫水固化后的淤泥無側(cè)限抗壓強度可達200 kPa 以上,滲透系數(shù)接近自然土,可以用于路基基層[28],或用作磚瓦和水泥等建材的原料,經(jīng)有害物鈍化處理后的泥餅也可用于園林種植土。

        4 武漢某湖清淤工程案例

        4.1 工程概況

        武漢某湖水體生態(tài)治理環(huán)保清淤工程,位于武漢市青山區(qū)湖園路。根據(jù)《2017年武漢市青山區(qū)水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量狀況》,該湖水質(zhì)為劣V類,中度富營養(yǎng)狀態(tài)。環(huán)保清淤總面積約為180 萬m2;底泥屬于有機質(zhì)高液限黏土,疏浚泥漿含水率超過80%,含固率低于20%,有機質(zhì)含量接近8%(如表1 所示);顆粒極細(xì),粒徑組成如表2所示。

        表1 淤泥檢測結(jié)果

        表2 淤泥粒徑組成

        采用水下環(huán)保疏浚的方式對湖區(qū)常年淤積底泥進行環(huán)保清理,通過清淤實現(xiàn)湖區(qū)的調(diào)蓄擴容,恢復(fù)水體V類水質(zhì),改善湖區(qū)調(diào)蓄和自然凈化功能。

        4.2 一體化處理工藝

        湖底清淤的底泥輸送至底泥處理廠處理,其工藝流程如圖1所示。

        圖1 泥漿脫水固結(jié)一體化工藝流程圖

        一體化處理主要分3個階段:

        (1)沉淀濃縮。清淤泥漿通過管道輸送至脫水固化場內(nèi)的沉淀池進行重力篩分,將大顆粒碎石、磚塊等沉淀,漂浮雜物用格柵攔截,采用機械或者人工清除。沉淀除渣后的泥漿流入調(diào)節(jié)池濃縮,調(diào)節(jié)池末端設(shè)置溢流口,利于上層清液(余水)排出,余水經(jīng)處理達到地表水Ⅴ類水質(zhì)要求后排至原湖水域。

        (2)脫水固化。調(diào)節(jié)池內(nèi)泥漿中的固體顆粒在重力作用下逐漸沉淀,向泥漿中加入適量的FSA+HEC等淤泥處理專用材料,通過泥漿攪拌機將泥漿與材料攪拌均勻。

        (3)泥水分離。攪拌均勻后泥漿流入均化池進行壓榨脫水,從而實現(xiàn)泥水分離。

        泥漿經(jīng)過脫水固化處理后產(chǎn)生脫水泥餅和壓濾尾水。脫水泥餅轉(zhuǎn)運至堆場堆存;壓濾尾水返回調(diào)節(jié)池,經(jīng)處理達標(biāo)后回流至湖里。

        4.3 處理效果

        本工程脫水泥餅檢驗項目及結(jié)果如表3所示。

        表3 脫水泥餅檢驗項目及結(jié)果表

        脫水固化后含水率降至40%以下,脫水泥餅水穩(wěn)定性好;7 d無側(cè)限抗壓強度超過100 kPa,可以用作堤防加固材料。

        武漢某湖清淤工程對減輕城市污染物造成的湖區(qū)周邊水體污染、改善水體水質(zhì)、增強湖區(qū)的調(diào)蓄功能、改善城市的環(huán)境衛(wèi)生面貌起到了積極作用,達到了“水清、岸綠”的治理效果,可為類似工程提供應(yīng)用參考。

        5 結(jié)論

        由于各種自然因素和人為因素的影響,我國每年有大量的城市河道、湖泊需要疏浚清淤,淤泥資源化處理對改善城市環(huán)境、實現(xiàn)節(jié)能減排意義重大。

        (1)傳統(tǒng)固化以水泥為主要固化劑,該方法發(fā)展簡單、成熟,固化效果也比較好,如果控制好最優(yōu)摻量,可以獲得較大的強度,但是造價高,對環(huán)境污染較大。基于水泥+礦渣等或水泥+廢舊混凝土等復(fù)合固化材料的應(yīng)用,能提高固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度指標(biāo),但是難以滿足復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下長期的變形和穩(wěn)定要求。對于高有機質(zhì)含量和高含水率淤泥,常用固化劑固化效果差。

        (2)生態(tài)清淤及淤泥固化一體化技術(shù)是一種環(huán)境友好型疏浚清淤方法,其專用固化劑能明顯縮短高含水率淤泥固化周期,重金屬穩(wěn)定劑能螯合固化土重金屬元素,固化土水穩(wěn)性好,可以進一步加工利用。

        (3)由于不同工程的差異性,淤泥成因、成分及有機質(zhì)含量不同,要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H條件,因地制宜,采用合理處理方法,并通過實驗確定固化劑類型和用量。在引進新技術(shù)和新方法,資源化處理淤泥的同時,要保證人類生存環(huán)境不受污染。

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