段 勇,許春萌

(山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心,濟(jì)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(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重污染。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。宋丁豹等[1]采用水平排水板真空脫水-固化聯(lián)合方法,對(duì)處理疏浚淤泥試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)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(yōu)越。劉義華等[2]對(duì)分級(jí)真空預(yù)壓聯(lián)合增壓處理疏浚淤泥實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,真空壓力分級(jí)的次數(shù)越多,結(jié)合增壓的處理,對(duì)疏浚淤泥的排水效果更佳。殷靂等[3]對(duì)水平排水板真空預(yù)壓處理疏浚淤泥試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,真空預(yù)壓過(guò)程中,排水板內(nèi)各處的真空度數(shù)值較為密集、衰減較小。曾芳金等[4]研究了土工織物聯(lián)合真空預(yù)壓對(duì)加固疏浚淤泥地基固結(jié)性能的影響,結(jié)果表明,土工織物與PVD聯(lián)合處理疏浚淤泥,對(duì)減緩PVD淤堵效應(yīng)和土體側(cè)向位移有較大的影響。李水江等[5]對(duì)不同含水率疏浚淤泥真空預(yù)壓下的淤堵行為進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,土體初始含水率與真空預(yù)壓加固效果呈負(fù)相關(guān)。呂有暢等[6]對(duì)砂墊層聯(lián)合分級(jí)真空預(yù)壓法加固疏浚淤泥試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,分級(jí)施加的真空壓力提高了后期排水效率。

上述文獻(xiàn)研究了處理疏浚淤泥的方法,并對(duì)各方法處理污泥的成效進(jìn)行了分析。本文參考以上文獻(xiàn)的研究成果,通過(guò)絮凝真空預(yù)壓聯(lián)合試驗(yàn),對(duì)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(qiáng)度進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)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(yuǎn)高于液體極限。因此,土壤非常柔軟,抗剪強(qiáng)度低。此外,河流淤泥富含重金屬Cd(鎘)、Cu(銅)、Pb(鉛)和有機(jī)物。

淤泥中Cd、Cu含量遠(yuǎn)高于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),疏浚淤泥的CODCr(用重鉻酸鉀為氧化劑測(cè)出的需氧量和BOD5(生物需氧量)值均高于地表水第Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。疏浚淤泥樣品中,顆粒尺寸分布良好,顆粒尺寸不均勻,級(jí)配良好,大多數(shù)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(xì)粒黏土組成。土壤性質(zhì)表明,土壤滲透性極差。

2.2 試驗(yàn)方法

首先確定絮凝劑的最佳混合比。當(dāng)絮凝劑的含量較低時(shí),效果太小;當(dāng)絮凝劑含量高時(shí),不能誘導(dǎo)絮凝,可導(dǎo)致分散性和穩(wěn)定性。因此,選用6種常用絮凝劑進(jìn)行沉降柱試驗(yàn)。其中,包括無(wú)機(jī)絮凝劑氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁(Al2(SO4)3)和聚氯化鋁(PAC),以及有機(jī)絮凝劑陰離子PAM(APAM,相對(duì)分子量為2 000萬(wàn))、陽(yáng)離子PAM(CPAM,相對(duì)分子質(zhì)量為1 500萬(wàn))和非離子PAM(NPAM,相對(duì)分子量為800萬(wàn));無(wú)機(jī)絮凝劑的混合比分別為0.25%、0.5%、0.9%、1.8%和3.4%,有機(jī)絮凝劑的混合比例見(jiàn)表3。在試驗(yàn)中,根據(jù)600ml疏浚污泥的干質(zhì)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(jì)測(cè)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(cè)量;1NTU相當(dāng)于1L水中含有1mg聚合物時(shí)產(chǎn)生的濁度)被用作確定絮凝劑最佳混合比的標(biāo)準(zhǔn),濁度可以反映絮凝劑對(duì)土壤進(jìn)行固液分離的能力。無(wú)機(jī)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(jī)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(jìn)行的測(cè)試。

表1 有機(jī)絮凝劑體積配合比

為了研究絮凝劑在疏浚污泥真空預(yù)壓中的應(yīng)用,在,3個(gè)模型箱中進(jìn)行一般真空預(yù)壓(GVP)、無(wú)機(jī)絮凝與真空預(yù)壓結(jié)合(IFVP)以及有機(jī)絮凝與真空預(yù)先壓結(jié)合(OFVP)。該裝置包括一個(gè)測(cè)試箱和真空預(yù)加載系統(tǒng),見(jiàn)圖1。由有機(jī)玻璃(厚15mm)制成的測(cè)試箱,其設(shè)計(jì)外徑600mm,深度750mm,該系統(tǒng)采用集成PVD(PVD為物理氣相沉淀,其上土工織物的有效開(kāi)口尺寸為120μm)。通過(guò)熱熔將過(guò)濾器粘附到芯上以形成一體,其拉伸強(qiáng)度和放電容量與傳統(tǒng)PVD相比,分別提高20.4%和39.5%。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

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

在真空過(guò)程中,測(cè)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(guò)真空管連接到真空計(jì)。在每一組中,監(jiān)測(cè)0、25和45cm深度處的真空抽吸水平。使用電子天平,測(cè)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?chē)?導(dǎo)致土柱的形成和土壤的側(cè)向變形,也導(dǎo)致表面不均勻沉降。因此,在排水板和模型箱側(cè)壁之間,選擇3個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量沉降的位置,并將3個(gè)值的平均值作為平均沉降。

測(cè)試完成后,測(cè)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(qiáng)度和含水量。

主要測(cè)試程序如下:

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

2)將污泥逐層放入3個(gè)測(cè)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(yīng)的桶中并攪拌30min。

3)布置PVD,連接導(dǎo)管,在污泥頂部鋪設(shè)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(cè)量土壤的絮凝沉降。

4)對(duì)于所有3個(gè)測(cè)試氣缸,真空泵的壓力保持在90kPa,在膜下監(jiān)測(cè)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(wěn)定。

5)試驗(yàn)完成后,沿土層深度取土樣,測(cè)定含水量和葉片抗剪強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粒度分布

試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)每種試驗(yàn)淤泥的顆粒尺寸進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖2。結(jié)合真空預(yù)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(yù)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(duì)于小于0.005mm的黏土顆粒尺寸,未經(jīng)處理的土壤約占顆粒的53.24%;真空預(yù)壓后,該值降至50.32%;絮凝-真空預(yù)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(yù)壓和絮凝真空預(yù)壓過(guò)程中,顆粒含量的增加和減少機(jī)制略有不同。在一般的真空預(yù)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(jī)理,絮凝劑的加入會(huì)產(chǎn)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(fā)生絮凝反應(yīng),使小顆粒聚集,形成較大的膠體顆粒,因此顆粒曲線發(fā)生更明顯的變化。

3.2 真空壓力

圖3為預(yù)加載過(guò)程中PVD內(nèi)不同深度的真空壓力。由圖3可知,在整個(gè)測(cè)試持續(xù)時(shí)間內(nèi),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(cè)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(yù)壓過(guò)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(shí)間變化

3.3 排水量

真空預(yù)加載時(shí)間的排水變化曲線見(jiàn)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(yuǎn)高于非絮凝組,在試驗(yàn)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?yàn)锳PAM比FeCl3具有更好的絮凝排水能力,并且真空預(yù)壓可以在早期排出更多的水。在試驗(yàn)后期,由于FeCl3對(duì)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(yù)壓能更有效地排出土壤水分。

圖4 排水隨時(shí)間變化

上述現(xiàn)象可以從兩個(gè)方面解釋:首先,當(dāng)向土壤中添加絮凝劑時(shí),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(shù)。其次,絮凝劑可以壓縮土壤顆粒的電雙層,加入絮凝劑后,擴(kuò)散層被壓縮,土壤顆粒周?chē)娜踅Y(jié)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(qiáng)度

從不同深度提取土壤樣品,測(cè)量土壤改良后的含水量和抗剪強(qiáng)度。此外,分析含水量和抗剪強(qiáng)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(cè)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?yàn)楸砻鎸拥恼婵斩瓤梢员灰暈樵谀は?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(guò)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(yàn)前,葉片剪切強(qiáng)度幾乎為零。處理后,使用微型葉片剪切儀測(cè)量葉片剪切強(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。葉片剪切強(qiáng)度的主要趨勢(shì)與在含水量減少時(shí)觀察到的趨勢(shì)基本相似,隨著深度的增加,所有試驗(yàn)的葉片剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)出類(lèi)似的下降趨勢(shì),此現(xiàn)象可通過(guò)在淺層中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的固結(jié)來(lái)解釋,因?yàn)楸３至烁叩恼婵諌毫Α?/p>

圖6 淤泥改良后葉片的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度從0增加至12.4kPa。對(duì)于組合方法,IFVP和OFVP在深度方向上的平均剪切強(qiáng)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(yàn)的抗剪強(qiáng)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(yù)壓的效果顯著提高。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)絮凝真空預(yù)壓聯(lián)合試驗(yàn),對(duì)河道疏浚淤泥的處理進(jìn)行了研究,并對(duì)處理后淤泥的粒度、排水量以及含水量和葉片抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了分析。結(jié)論如下:

1)根據(jù)沉降柱試驗(yàn),確定選絮凝劑的最佳配合比為0.9%的FeCl3和0.09%的APAM(有機(jī)絮凝劑陰離子);通過(guò)對(duì)淤泥顆粒尺寸進(jìn)行分析,大于0.02mm的粉粒在真空預(yù)壓后,IFVP(無(wú)機(jī)絮凝與真空預(yù)壓結(jié)合)和OFVP(有機(jī)絮凝與真空預(yù)先壓結(jié)合)分別提高了7.65%和4.03%;在真空預(yù)壓過(guò)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(yuǎn)高于非絮凝組;與非絮凝組相比,絮凝真空預(yù)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(guò)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(qiáng)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(yù)壓的效果顯著提高。