趙辰洋，王保田

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210098)

為了適應(yīng)港口航道和海岸工程的發(fā)展速度，保證河道的通暢運(yùn)行和正常泄洪，改善湖泊水質(zhì)，我國(guó)每年均開展大規(guī)模的疏浚和清淤工程，從而產(chǎn)生大量的疏浚淤泥［1］。疏浚淤泥通常具有黏粒含量高、含水率高、強(qiáng)度低、滲透性差等工程特性，難以在工程中直接利用，一般通過(guò)設(shè)置陸地儲(chǔ)泥場(chǎng)或者進(jìn)行海洋拋棄等方式處理。這種處理方式不僅增加了工程造價(jià)，而且也帶來(lái)了土地占用和環(huán)境污染等問(wèn)題。另一方面，沿海地區(qū)港口工程建設(shè)需要大量土源作為工程填料，因而將廢棄淤泥轉(zhuǎn)化為良質(zhì)土工材料不失為一種處理疏浚淤泥的好方法。目前，國(guó)內(nèi)外大規(guī)模有效處理疏浚淤泥的方式是化學(xué)固化處理，諸多學(xué)者對(duì)這種固化方式進(jìn)行了一系列的研究［2-6］。然而此類研究主要是用無(wú)機(jī)復(fù)合材料處理低含水率(一般初始含水率低于1倍液限)淤泥。雖也有報(bào)道高含水率淤泥的固化處理，但強(qiáng)度較低，效果不甚理想［7］。若想獲得高強(qiáng)度的固化淤泥則需加入高摻入比的固化材料，但這會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)增加，從而限制高含水率淤泥固化的推廣應(yīng)用。本文采用吸水樹脂快速固化高含水率疏浚淤泥，探索高效、廉價(jià)的疏浚淤泥固化處理技術(shù);在此基礎(chǔ)上，探討該方法處理疏浚淤泥的適宜性問(wèn)題，給出不同情況下吸水樹脂快速固化疏浚淤泥最合理的使用方式，經(jīng)濟(jì)合理地將疏浚淤泥轉(zhuǎn)化為良質(zhì)土工材料。

1 吸水樹脂的吸水機(jī)理

高吸水性樹脂又稱為超強(qiáng)吸水劑，是一種含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的水溶脹型高分子聚合物。該材料分子中含有大量的羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)，因而具有高分子電解質(zhì)的分子擴(kuò)張性能;同時(shí)，由于微交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻礙了分子的進(jìn)一步擴(kuò)張，使得分子在水中只溶脹、不溶解，具有特殊的吸水和保水能力。高吸水性樹脂能吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量幾百倍甚至幾千倍的水，并有很強(qiáng)的保水能力，即使在受熱、加壓條件下也不易失水，在光、熱、酸堿環(huán)境下穩(wěn)定性較好，還具有良好的生物降解性能［8-10］。劉廷棟等［11］、伍亞華等［12］從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面對(duì)高吸水性樹脂的吸水機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為其具有輕度交聯(lián)的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由化學(xué)交聯(lián)和高分子鏈間的相互纏繞等物理交聯(lián)構(gòu)成的。

2 試驗(yàn)材料和方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用吸水樹脂為進(jìn)口HE-700型高吸水樹脂，是一種聚丙烯酸鈉鹽有限交聯(lián)聚合物，其粒徑大小在150～300目(每平方英寸上的孔數(shù)目)之間，該HE-700型高吸水樹脂理論吸水(去離子水)率最大為800 g/g。試驗(yàn)所用疏浚淤泥取自南京秦淮河，其天然質(zhì)量含水率(下文含水率均指質(zhì)量含水率)為90% ～95%、塑限為38.6%，液限為72.2%，塑性指數(shù)為34，相對(duì)密度為2.70，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%。

2.2 試驗(yàn)方案

為了檢驗(yàn)吸水樹脂的實(shí)際吸水能力，設(shè)計(jì)吸水樹脂的吸水率試驗(yàn)，吸水率就是每克吸水劑吸收水的克數(shù)，用α表示，單位為g/g。試驗(yàn)采用濾袋法，濾袋規(guī)格為100目。預(yù)先稱取0.5 g樹脂放入濾袋中，并稱取樹脂和濾袋的總質(zhì)量M1，然后縫好袋口。將該濾袋放入盛有800 cm3試驗(yàn)用水的1 000 cm3燒杯中，讓袋中的樹脂充分吸水，15min后再次稱量濾袋的總質(zhì)量M2，則α=(M2-M1)/0.5。重復(fù)上述步驟進(jìn)行幾次平行試驗(yàn)，取其平均值即可得到該吸水樹脂的吸水率，此試驗(yàn)得出的吸水率為該吸水樹脂吸收在該試驗(yàn)用水中的吸水率。

吸水樹脂的吸水能力會(huì)受溶液pH、溶液中離子含量和種類的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中有必要知道該樹脂在淤泥中的實(shí)際吸水能力。因此取淤泥中含有多種離子的濾出液按上述試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)出吸水樹脂吸收淤泥中污水的能力。

為達(dá)到高效處理高含水率疏浚淤泥的目的，結(jié)合淤泥自然沉積后含水率的穩(wěn)定范圍，取淤泥的初始含水率為93.9%(為1.3倍液限含水率)。根據(jù)樹脂在淤泥濾出液中的吸水率，稱取不同質(zhì)量的樹脂與淤泥進(jìn)行拌和，觀察疏浚淤泥狀態(tài)的變化、測(cè)定其界限含水率。然后將不同樹脂摻量的淤泥取出部分裝入鋁盒后放入恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥，將干燥箱的溫度設(shè)定為恒溫30℃(模擬自然環(huán)境利用太陽(yáng)能烘干)，定時(shí)稱量各試樣的質(zhì)量，計(jì)算淤泥的含水率變化。定義淤泥失水率為所失水質(zhì)量與淤泥中初始含水量之比［13］，從而得到固化疏浚淤泥所用吸水樹脂的合理?yè)搅俊?/p>

利用吸水樹脂對(duì)高含水率疏浚淤泥進(jìn)行快速脫水試驗(yàn)研究吸水樹脂循環(huán)利用的可行性，試驗(yàn)使用方形有機(jī)玻璃模型槽(長(zhǎng)、寬、高分別為32 cm，14 cm和18 cm)，共設(shè)計(jì)3種試驗(yàn)方案。

方案1:僅在淤泥表面布置吸水樹脂。在模型槽中鋪大約15 cm厚的淤泥，預(yù)先測(cè)定淤泥質(zhì)量為10 kg，在淤泥表面墊1層土工布，樹脂摻量按樹脂質(zhì)量與淤泥中水質(zhì)量之比稱取樹脂，均勻撒在土工布上讓其吸水，再將模型槽頂部密封，靜置24 h后取出樹脂，測(cè)定模型槽不同位置淤泥的實(shí)際含水率。

方案2:沿水平方向布置吸水樹脂。分別稱取與試驗(yàn)方案1中相同質(zhì)量的吸水樹脂和淤泥，各平均分為3份，取其中1份淤泥裝入模型槽中，在其表面鋪1層土工布，取其中1份樹脂均勻地撒在土工布上后再鋪上一層土工布，按同樣的方法填入剩余的2份樹脂和淤泥，填筑完畢后將模型槽頂部密封，靜置24 h后取出樹脂，測(cè)定模型槽不同位置淤泥的含水率。

方案3:沿豎直方向布置吸水樹脂。稱取與試驗(yàn)方案1中相同質(zhì)量的吸水樹脂和淤泥，將淤泥鋪在模型槽中，厚度大約為15 cm，沿模型槽長(zhǎng)度方向每隔8 cm插入1塊塑料排水板，將樹脂平均分為3份均勻地裝入3塊塑料排水板中，再將模型槽頂部密封，靜置24 h后取出樹脂，測(cè)定模型槽不同位置淤泥的含水率。

最后將3組試驗(yàn)中吸水飽和的樹脂在恒溫30℃的烘箱中烘干，碾碎后測(cè)定其吸水率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 吸水樹脂吸水率確定

通過(guò)吸水樹脂在不同溶液中的吸水率試驗(yàn)得出:初始狀態(tài)的樹脂在自來(lái)水、淤泥濾出液、0.9%NaCl溶液中的吸水率分別為204.4 g/g，116.1 g/g，47.8 g/g;將在自來(lái)水、淤泥濾出液中吸水飽和的樹脂放入0.9%NaCl溶液中的吸水率分別為68.9 g/g，70.7 g/g;然后，將在0.9%NaCl溶液中失水的樹脂分別重新放入自來(lái)水和淤泥濾出液中，此時(shí)樹脂的吸水率分別為166.6 g/g，90 g/g。由此可見，吸水樹脂在自來(lái)水中吸水率最高，在0.9%NaCl溶液中吸水率最低，在淤泥濾出液中的吸水率居中，但都與樹脂在去離子水中的理論最高吸水率800 g/g有較大差距，因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)淤泥需要通過(guò)吸水率試驗(yàn)確定其真實(shí)吸水率。此外，利用樹脂在0.9%NaCl溶液中吸水率較低的性質(zhì)，實(shí)際處理過(guò)程中，對(duì)于含水率較高的淤泥可以將在淤泥中吸水飽和的樹脂取出轉(zhuǎn)入到NaCl溶液中，失水完畢后再將樹脂轉(zhuǎn)回淤泥中，這樣循環(huán)使用可以實(shí)現(xiàn)高含水率淤泥的快速脫水，并能節(jié)約成本。

3.2 樹脂合理?yè)搅看_定

根據(jù)樹脂吸收淤泥中水的實(shí)際能力，按樹脂質(zhì)量與淤泥中所含水質(zhì)量之比為1/110稱取該吸水樹脂，摻入到淤泥中并拌和均勻，觀察淤泥狀態(tài)的改變并逐步增加樹脂摻量。

不同樹脂摻量下淤泥狀態(tài)如圖所1示。由圖1可見，隨著樹脂摻量的增加，淤泥由流動(dòng)狀態(tài)逐漸變成可塑的固態(tài)。通過(guò)液塑限試驗(yàn)測(cè)定淤泥摻入樹脂前后的界限含水率，如表1所示。

由表1可見，摻入樹脂后淤泥的液限、塑限升高，直接表現(xiàn)為淤泥狀態(tài)的改變:由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榭伤軕B(tài)。淤泥摻入樹脂后的這一特性可以方便淤泥的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆放。

圖1 不同樹脂摻量下的淤泥Fig.1 Different mixtures of sludge and resin

摻入樹脂后淤泥失水率隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見，在外界環(huán)境下(溫度為30℃)，不同樹脂摻量的淤泥均會(huì)失去部分水分，24 h內(nèi)失水率均較低，在5% ～15%之間，240 h內(nèi)淤泥失水率在55%～95%之間。摻入樹脂后淤泥的失水速率較未摻樹脂的淤泥明顯下降，說(shuō)明樹脂的摻入使淤泥失水速率減慢，因?yàn)橛倌嘀械拇罅孔杂伤粯渲械膹?qiáng)親水性基團(tuán)吸附，水分子脫離變得更加困難;隨著樹脂的摻入及摻量的增加，淤泥失水速率逐漸變低，結(jié)合界限含水率試驗(yàn)結(jié)果，樹脂的合理?yè)搅窟x取為1/90。

表1 淤泥液塑限試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of liquid and plastic limits test

圖2 淤泥失水率隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Variation of water loss rate of sludge with time

3.3 淤泥快速脫水試驗(yàn)

利用吸水樹脂對(duì)高含水率疏浚淤泥進(jìn)行快速脫水，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見僅在淤泥表面布置1/110摻量的吸水樹脂時(shí)，經(jīng)樹脂脫水后淤泥含水率顯著降低，尤其是表層含水率下降20%左右，但中層和底層含水率降低效果不理想，結(jié)合圖3(a)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有充分發(fā)揮樹脂的吸水作用，即使增加樹脂摻量到1/90，淤泥含水率也沒(méi)有進(jìn)一步明顯降低，可能是因?yàn)橛倌嗟臐B透系數(shù)較小，滲透性能差，而滲徑又較長(zhǎng)所致。

水平布置吸水樹脂時(shí)效果較好，淤泥整體含水率均已降至液限含水率以下，結(jié)合圖3(b)(c)可見，表層樹脂只有底面與淤泥接觸，吸水率不高;中層樹脂上、下兩面都和淤泥接觸，吸水率較高，說(shuō)明減小滲徑有助于淤泥脫水。實(shí)際工程中，對(duì)于準(zhǔn)備要堆放高含水率疏浚淤泥的場(chǎng)地，可以利用土工布沿水平方向布置吸水樹脂以快速降低淤泥的整體含水率。

圖3 不同試驗(yàn)方案中的樹脂F(xiàn)ig.3 Resin for different tests

豎直布置吸水樹脂時(shí)效果也比較好，中層和底層淤泥的含水率已降至液限以下，但表層含水率比較高，原因可能是往排水板中添加樹脂時(shí)，由于振搗作用大部分樹脂下沉至淤泥中層和底層，表層樹脂較少。由圖3(d)可見，由于塑料排水板體積有限，一定程度上抑制樹脂吸水后的膨脹作用，使樹脂的吸水作用沒(méi)有充分發(fā)揮。實(shí)際工程中，對(duì)于已經(jīng)堆放高含水率疏浚淤泥的場(chǎng)地，可以利用塑料排水板沿豎直方向布置吸水樹脂，同時(shí)不斷變換塑料排水板的位置并適時(shí)取出塑料排水板循環(huán)利用樹脂或更換新的樹脂以快速降低淤泥整體含水率，節(jié)約工程成本。

將上述淤泥快速脫水試驗(yàn)中吸水飽和的樹脂在恒溫30℃的烘箱中烘干(模擬自然環(huán)境利用太陽(yáng)能烘干)，然后碾碎進(jìn)行吸水率測(cè)定試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樹脂在自來(lái)水中的吸水率為146.3 g/g，在淤泥濾出液中吸水率為84.6 g/g，降為初始吸水率的72%左右，說(shuō)明循環(huán)利用樹脂是可行的。該吸水樹脂的售價(jià)約為15元/kg，處理1m3高含水率疏浚淤泥的價(jià)格約為200元，將吸水樹脂循環(huán)利用1次成本降為115元左右，再將樹脂循環(huán)利用可以進(jìn)一步降低成本。

表2 吸水樹脂脫水后不同位置淤泥的含水率Table 2 Water content of sludge in different positions after being dewatered by resin

4 結(jié) 論

a.提出可以將吸水樹脂在高含水率疏浚淤泥和0.9%NaCl溶液中不斷轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)對(duì)高含水率疏浚淤泥快速脫水的方法。

b.將吸水樹脂和高含水率疏浚淤泥直接拌和可以提高淤泥的塑限和液限，快速地將淤泥由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)，方便淤泥的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆放。

c.準(zhǔn)備堆放高含水率疏浚淤泥的場(chǎng)地，可以在堆放疏浚淤泥的過(guò)程中采用土工布沿水平方向在淤泥不同高度處布置吸水樹脂;已經(jīng)堆放高含水率疏浚淤泥的場(chǎng)地，可以利用塑料排水板沿豎直方向在淤泥堆場(chǎng)的不同位置布置吸水樹脂，一段時(shí)間后變換排水板的位置并取出其中樹脂循環(huán)利用或更換新的樹脂。這樣可以快速將疏浚淤泥的整體含水率由初始的1.3倍液限降至液限含水率附近。

d.吸水飽和的樹脂在30℃左右的環(huán)境下烘干后吸水率降為初始吸水率的72%左右，可以循環(huán)利用，從而降低工程成本。

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