疏浚淤泥脫水固結(jié)藥劑的配比實(shí)驗(yàn)研究

摘""""" 要：研究了不同化學(xué)藥劑配比對(duì)疏浚淤泥脫水固結(jié)效果的影響，以含水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要研究了硅酸鹽水泥、氧化鈣、聚丙烯酰胺的不同配比對(duì)疏浚淤泥脫水固結(jié)效果的影響，并展望了脫水固結(jié)藥劑的發(fā)展前景。結(jié)果表明：在疏浚淤泥含水率相同時(shí)，硅酸鹽水泥5%、氧化鈣10%、聚丙烯酰胺1%的脫水固結(jié)效果最佳；在藥劑配比相同時(shí)，疏浚淤泥含水率調(diào)整為120%時(shí)，脫水固結(jié)效果最好。

關(guān)" 鍵" 詞：脫水固結(jié)；硅酸鹽水泥；氧化鈣；聚丙烯酰胺；化學(xué)調(diào)理

中圖分類號(hào)：TU502"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""" 文章編號(hào)：1004-0935（2024）11-1696-03

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活節(jié)奏也隨之加快，導(dǎo)致了許多地區(qū)的河湖水體環(huán)境急劇惡化，河湖的淤泥淤積問題日益嚴(yán)重，這導(dǎo)致了河湖的蓄水量減少，防洪能力減弱，甚至水環(huán)境無法修復(fù)。基于這一情況，對(duì)河湖的疏浚清淤工作開始廣泛開展，疏浚淤泥的產(chǎn)生量大幅提升，而且目前需要治理的湖泊中待清淤的淤泥總量早已超過上億立方米^[1]。這些疏浚淤泥含水率高、顆粒極細(xì)且成分復(fù)雜，固結(jié)排水困難^[2]，甚至還有重金屬污染物和有毒的有機(jī)物存在，不僅不便于運(yùn)輸，也不利于資源化利用。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008），填埋淤泥含水量應(yīng)低于60%。淤泥含水量低于60%，體積可減少50%^[3]。目前，中國處理疏浚淤泥的主要方式是填埋，這種方式雖然已經(jīng)大幅減小疏浚淤泥的體積，但是也無法長久保證消納場所的容量充足，不可持續(xù)發(fā)展^[4]。脫水固結(jié)處理技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)淤泥資源化利用，還具有效率高、操作簡單、二次污染小的特點(diǎn)^[5]，近年來已經(jīng)被廣泛關(guān)注。處理的一般思路是破壞淤泥中的膠體結(jié)構(gòu)降低淤泥穩(wěn)定性，并搭建脫水骨架減小淤泥比阻^[6]。

大量研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)聚丙烯酰胺等絮凝劑能有效地改善淤泥的脫水性能，這些藥劑常與水泥、粉煤灰和氧化鈣等復(fù)配聯(lián)合使用，從而達(dá)到提高脫水固結(jié)速率和效果的目的。其中水泥類藥劑主要成分是硅酸鹽，具有非常強(qiáng)的固結(jié)能力，而高分子絮凝劑本身遇水就會(huì)形成膠狀物質(zhì)，這都使疏浚淤泥的含水率大幅下降，力學(xué)性能大幅提升。對(duì)比研究了水泥、氧化鈣、聚丙烯酰胺3種化學(xué)藥劑復(fù)配而成的脫水固結(jié)藥劑在對(duì)于不同含水率的疏浚淤泥的脫水固結(jié)中的最優(yōu)配比，并分析了脫水固結(jié)效果，為城市河湖疏浚淤泥脫水固結(jié)藥劑的選擇提供參考。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用淤泥取自于遼寧省沈陽市某湖治理項(xiàng)目的疏浚淤泥，含水率大約為95%，pH約為8。其他材料有：普通硅酸鹽水泥、氧化鈣，分析純；聚丙烯酰胺（PAM），相對(duì)分子質(zhì)量12 000。

1.2" 實(shí)驗(yàn)方案

配制含水率為100%、120%、150%的疏浚淤泥作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)材料，對(duì)硅酸鹽水泥、氧化鈣、PAM化學(xué)藥劑進(jìn)行不同比例復(fù)配，為滿足工藝實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益要求，水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占疏浚淤泥總質(zhì)量不超過5%。脫水固結(jié)藥劑配比方案見表1。將不同組脫水固結(jié)藥劑與100%、120%、150%不同含水率的疏浚淤泥分別混合，使用六聯(lián)攪拌機(jī)快速攪拌5 min后，倒入模具制作試塊。制作試塊后，在自然條件下養(yǎng)護(hù)，使用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定各個(gè)試塊在第5天、第7天、第21天的固化強(qiáng)度，其中由于150%含水率的疏浚淤泥含水率過高，忽略第5天的強(qiáng)度測(cè)試。最終選定脫水固結(jié)藥劑配比的標(biāo)準(zhǔn)為：摻入水泥盡量少，但符合固化強(qiáng)度，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，選定滿足要求的脫水固結(jié)藥劑配方。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 含水率對(duì)疏浚淤泥脫水固結(jié)效果的影響

在相同摻量配比的脫水固結(jié)藥劑使用情況下，3種含水率的疏浚淤泥在充分?jǐn)嚢杌旌虾?，含水率均低?0%，符合一般脫水的要求。將3種含水率淤泥制成試塊后，進(jìn)行自然條件下的5、7、21天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖1、圖2所示。

通過測(cè)試結(jié)果可知，3種含水率的疏浚淤泥在與脫水固結(jié)藥劑充分?jǐn)嚢杌旌虾螅S著養(yǎng)護(hù)齡期的增加其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，而且養(yǎng)護(hù)7天后，含水率120%的疏浚淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長率明顯大于含水率100%的疏浚淤泥，同時(shí)含水率150%的疏浚淤泥固結(jié)效果始終低于另外2種含水率的淤泥，理論上水分越多，水化反應(yīng)會(huì)越充分，水化產(chǎn)物也會(huì)越多。但當(dāng)固化土中存在大量自由水時(shí)，單位體積內(nèi)水占比也就增多，水化產(chǎn)物占比相應(yīng)減少，導(dǎo)致固化劑的摻入不能構(gòu)成有效的骨架結(jié)構(gòu)，無法達(dá)到預(yù)期的固結(jié)強(qiáng)度。

綜合對(duì)比可知，在疏浚淤泥含水率為120%時(shí)，經(jīng)過21天的自然養(yǎng)護(hù)，脫水固結(jié)后的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，且滿足疏浚淤泥脫水固化處理后一般填土強(qiáng)度大于0.1 MPa的要求。

2.2" 藥劑配比對(duì)疏浚淤泥脫水固結(jié)效果的影響

在含水率為100%、120%、150%時(shí)，以硅酸鹽水泥、氧化鈣、聚丙烯酰胺進(jìn)行三摻復(fù)配后加入疏浚淤泥中，經(jīng)過5、7、21天的自然條件養(yǎng)護(hù)后，測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。在不同含水率的疏浚淤泥加入不同配比的藥劑后培養(yǎng)至21 d，含水率均遠(yuǎn)低于40%的工程要求。

2.2.1" 水泥摻量對(duì)脫水固結(jié)效果的影響

水泥是一種無機(jī)膠結(jié)劑，它在疏浚淤泥脫水固結(jié)中，水泥中的礦物質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生水化物。水泥中的主要礦物質(zhì)有硅酸鹽、鋁酸鹽和鈣酸鹽等。當(dāng)水泥與水混合后，水中的氫氧離子與水泥中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成水化物，同時(shí)放出熱量。這也是水泥的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一種水化硬化物質(zhì)，水化硬化物具有很高的硬度和強(qiáng)度，使脫水后的疏浚淤泥抗破壞能力大幅提升^[7]。

由圖3至圖5可知，在氧化鈣和PAM摻量固定且配合水泥摻量不同的情況下，3種不同的含水率的疏浚淤泥在自然養(yǎng)護(hù)條件下隨著水泥摻量的增加，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在明顯提高。

2.2.2" 氧化鈣摻量對(duì)脫水固結(jié)效果的影響

氧化鈣與淤泥中水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出熱量，淤泥溫度升高，致使淤泥內(nèi)含水率大幅度降低，通過物理化學(xué)雙重作用，使淤泥減量化、穩(wěn)定化。而且氧化鈣與水反應(yīng)生成的Ca（OH）₂可以作為脫水骨架的搭建物質(zhì)，使淤泥快速脫水^[8]。

由圖3至圖5可知，在水泥和PAM摻量相同且配合氧化鈣摻量不同的情況下，3種含水率的疏浚淤泥在氧化鈣投加量增加時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有顯著提高，且效果非常明顯。

2.2.3" PAM摻量對(duì)脫水固結(jié)效果的影響

聚丙烯酰胺的作用是將淤泥中的膠體顆粒進(jìn)行破穩(wěn)^[9]，然后通過聚丙烯酰胺分子鏈上的酰胺基團(tuán)中和其電性，并利用分子鏈較長的特點(diǎn)將其凝聚橋聯(lián)，使淤泥和水分快速分離^[10]。

由圖3至圖5可知，在水泥和氧化鈣摻量相同且配合PAM摻量不同的情況下，3種含水率的疏浚淤泥在PAM投加量增加時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提升。

3" 結(jié) 論

針對(duì)疏浚淤泥脫水固結(jié)藥劑的最優(yōu)配比為：5%水泥、10%氧化鈣、1%PAM。另外，對(duì)于此種配比的脫水固結(jié)藥劑的最佳使用情況為疏浚淤泥含水率為120%。然而，對(duì)于脫水固結(jié)藥劑的探索與研發(fā)以及藥劑的工程效益優(yōu)化依舊是下一階段的研究重點(diǎn)，相信未來會(huì)有更多物美價(jià)廉的脫水固結(jié)藥劑被研發(fā)使用。

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Experimental Study on Proportion of Dewatering and

Consolidation Agents for Dredged Sludge

HAN Xiwen

（School of Municipal and Environmental Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：" The influence of different chemical agent ratios on the dewatering and consolidation effect of dredged sludge was studied. Taking water content and unconfined compressive strength as evaluation indicators， the influence of different proportions of portland cement， calcium oxide， polyacrylamide on the dewatering and consolidation effect of dredged sludge was investigated. The development trend of dehydration and consolidation agent was prospected. The results showed that when the water content of dredged sludge was the same， the dehydration and consolidation effect of portland cement 5%， calcium oxide 10%， and polyacrylamide 1% was the best. When the agent ratio was the same， the dehydration and consolidation effect was the best when the water content of dredged sludge was adjusted to 120%.

Key words： "Dehydration consolidation; Portland cement; Calcium oxide; Polyacrylamide; Chemical conditioning