水環(huán)境治理工程疏浚底泥固化改性過程分析

黃盛

（南昌市水利電力建設(shè)公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

曹家橋拱水壩水環(huán)境治理工程包括上游河道清淤整治3.90 km，其中疏浚土石方量37.41 萬m3，新建護(hù)岸和堤防2 800 m，新建生態(tài)溝渠8.40 km。河道處于中心城區(qū)，且現(xiàn)狀河道寬窄不一，過水?dāng)嗝鎳?yán)重不足，淤積嚴(yán)重；如遇汛期，則滯洪漫水，堤防潰堤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到20 年一遇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，河道上中游兩側(cè)并未修建市政排污管，工業(yè)用水及生活污水等直接排入河道，水質(zhì)受到極大污染。通過此次治理工程的實(shí)施，主要解決所在河道洪澇及截污問題，確保下片區(qū)免受洪澇災(zāi)害影響，改善河道生態(tài)景觀。

2 疏浚底泥性能分析方法

2.1 樣本采集

考慮干支流水體混合及污染物自然降解等情況，在曹家橋拱水壩水環(huán)境治理工程上游清淤河道河流交匯處及污染物排放口以下500～800 m處的水固相界面以下60 cm深度范圍內(nèi)采集底泥樣本，并將所采集到的樣本及時送至實(shí)驗(yàn)室，避光存放于4 ℃的低溫環(huán)境下。

一般情況下，河道疏浚底泥成分主要以粒徑小、力學(xué)強(qiáng)度高的SiO2等無機(jī)物為主，所以，疏浚底泥固化強(qiáng)度的形成更多依靠的是底泥顆粒間的裹覆膠結(jié)及空隙的填充作用，使其機(jī)械接觸力增強(qiáng)，抗剪切強(qiáng)度提升。沿用以上思路，通過復(fù)配和聯(lián)用CaO、CaSO4及聚鋁類物質(zhì)，加速纖維狀晶體鈣礬石的生成，通過投加反應(yīng)速率更快的絮凝劑和混凝劑使水泥系固化反應(yīng)物發(fā)揮吸附團(tuán)粒化作用，達(dá)到清淤河道底泥脫水固化疏浚的目的。

2.2 重金屬含量及毒性測定

取1 000 g 疏浚底泥固體放進(jìn)聚四氟乙烯坩堝中，并摻加濃硝酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%）和鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.50%）按照3∶1的體積比所配置的逆王水16 mL，8 mL氫氟酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%）和2 mL 過氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）溶液置于200 ℃電熱板上持續(xù)消解5 min后的產(chǎn)物。待以上溶液完全混合溶解后，摻加蒸餾水，繼續(xù)加熱至水分完全蒸發(fā)后轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶，通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的稀硝酸定容后運(yùn)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行其重金屬含量測定。

為將疏浚底泥固化改性，以作為路基填料使用，必須使固化改性后的物質(zhì)毒性滿足《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》所限定的范圍。

2.3 力學(xué)性能分析

在含水率90%的底泥樣品中投加固化劑離心脫水后將上清液除去，將固體相底泥密實(shí)填入70 mm 高、直徑35 mm 的管狀模具，成為圓柱形試件，在常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至少24 h后脫模，再放置室溫中風(fēng)干約7 d。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行底泥試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、塑性指數(shù)、液限等持水檢測。

2.4 性能分析結(jié)果

根據(jù)多個采樣斷面疏浚底泥性質(zhì)分析結(jié)果，底泥含水率普遍在90%以上，揮發(fā)性固含量0.59±0.04%，pH 值為8.35±0.02，Cu、Zn、Pb、As、Ba、Ni、Cr 等 重 金 屬 含 量 分 別 為25.85%、109.62%、16.85%、19.34%、117.45%、29.65%及67.42%，液限33.28%，塑限24.89%，塑性指數(shù)8.30。該淤積河道污染源主要為城市面源污染和污水處理廠尾水排放污染，河道四周幾乎無植被和農(nóng)田緩沖帶，底泥中腐殖質(zhì)等有機(jī)污染物含量并不高，故對其進(jìn)行固化處理的主要目的在于降低底泥中重金屬污染風(fēng)險。結(jié)合對干燥底泥的XRD分析，底泥中SiO2含量較高，應(yīng)采取投加無機(jī)固化劑的固化穩(wěn)定處治技術(shù)。

3 固化改性處理

3.1 持水性能改善

結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》，路基填料塑性指數(shù)應(yīng)位于15～20，液限應(yīng)不超出50%。根據(jù)該河道疏浚底泥基本特征，其塑性指數(shù)和液限分別為8.20 和33.21%，無法作為路基填料使用，必須采用恰當(dāng)?shù)母男约夹g(shù)優(yōu)化底泥屬性，改善其持水性能。分別按照底泥濕重量的0.20%和0.50%投加CAS1 型固化劑和CAS2 型固化劑，對其余樣本投加SC、FC、S1、M1 等水泥系固化劑，并將混合液靜置沉淀12 h 后將上清液除去，按照5 000 r/min 的速度離心脫水10 min，將脫水后的底泥自然風(fēng)干5 h后進(jìn)行塑性指數(shù)、液限等參數(shù)值的測定。

根據(jù)干燥底泥衍射圖譜，隨著固化劑投加量的增大，底泥塑性指數(shù)及液限增大，兩者投加量分別為0.20%和0.50%時，對應(yīng)的底泥塑性指數(shù)和液限分別為15.04 和16.25，能達(dá)到路基填料性能要求。通過分析原因看出，CAS1 型固化劑長鏈分子中—NH2以及CAS2 型固化劑分子中的—COOH、—OH 均能借助氫鍵起到吸附極性水分子的作用（見圖1）；此外，有機(jī)高分子之間的作用力也對底泥顆粒有吸附作用，進(jìn)而使底泥顆粒發(fā)生團(tuán)聚，底泥塑性指數(shù)明顯增大。

圖1 CAS1和CAS2固化劑作用機(jī)理圖

3.2 固化劑固化效果比較

SC、FC、S1、M1均為水泥系固化劑，其中SC 固化劑采用波特蘭水泥及CaSO4、Ca（AlO2）2添加劑；FC固化劑采用波特蘭水泥及復(fù)配Fe2O3添加劑；S1固化劑由波特蘭水泥和MgO按照2∶3 的質(zhì)量比復(fù)配；M1 固化劑則由白云石高溫煅燒制成，以CaO和MgO為主成分。CAS1固化劑由CaO、Al2O3、CaSO4按照3∶1∶3的摩爾比制成，CAS2固化劑由CaO、Al2O3、CaSO4按照3∶1∶1.5的摩爾比制成。對于含水率為90%的疏浚底泥分別投加CAS型固化劑和水泥基固化劑，按照要求進(jìn)行試驗(yàn)后，固化效果的對比具體見圖2。由圖中結(jié)果可以看出，當(dāng)投加量較少時，CAS型固化劑固化效果較為明顯，CAS2 型固化劑投加量為0.20%時，底泥固化后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到101.54 kPa，投加相同量的CAS1 型固化劑時固化后的底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為94.11 kPa；其余幾種固化劑對應(yīng)的底泥固化強(qiáng)度隨投加量的增加而增大。結(jié)果表明，不溶性水化晶體產(chǎn)物產(chǎn)生量是決定底泥固化強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。隨著CAS型固化劑投加量的增大，底泥固化強(qiáng)度反而下降，主要原因在于此類固化劑中CaSO4成分具有明顯的吸濕性，投加量增加時會減緩底泥干化速率，使底泥顆粒水分滯留，阻礙底泥顆粒機(jī)械接觸，降低其抗壓強(qiáng)度。

圖2 脫水固化劑底泥固化效果對比圖

3.3 底泥固化處理成本

綜合以上分析，該水環(huán)境治理工程河道疏浚底泥固化應(yīng)選擇以下改性藥劑投加方案：水下每立方米底泥投加0.20%的PAM或固化劑羧甲基纖維素鈉，按照市場價格，固化劑成本約為15 元/t（水下m3），結(jié)合類似工程處理經(jīng)驗(yàn)，能源動力和管理費(fèi)用約為12 元/t（水下m3）。固化處理后疏浚底泥含水率可從90%降至60%，由此可以折算出該河道數(shù)據(jù)底泥固化改性處置成本約為118元/t（水下m3）。根據(jù)對河道工程所在地建筑材料市場的走訪和調(diào)查，路基工程所用填料包括開采、運(yùn)輸、植被修復(fù)費(fèi)用等在內(nèi)的成本約為150元/t，可見，河道清淤疏浚底泥固化后作為路基填料使用成本優(yōu)勢明顯，還能實(shí)現(xiàn)廢棄物的再生利用，優(yōu)化資源配置，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分明顯。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)強(qiáng)化鈣礬石晶體形成的思路，通過在河道清淤疏浚底泥中投加CAS型固化劑展開復(fù)合型固化劑配置方案的優(yōu)化，能使改性后的疏浚底泥力學(xué)性能、毒性等達(dá)到路基填料施工要求；固化后底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高出同等養(yǎng)護(hù)條件下道路用粘土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；重金屬浸出濃度也低于Ⅱ類地表水限值，符合路基填料性能要求。最后，這種改性處理成本遠(yuǎn)比路基填料開采生產(chǎn)成本低，疏浚底泥改性后用于道路工程施工具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。