CN110127988B

CN110127988B - 一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法

Info

Publication number: CN110127988B
Application number: CN201910326055.4A
Authority: CN
Inventors: 潘崇根; 谢新宇; 朱侠达; 朱大勇; 羊嘉文; 朱籽臻; 林伟
Original assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Current assignee: Ningbo Institute of Technology of ZJU
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2039-04-22
Also published as: CN110127988A

Abstract

本发明申请公开了一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，它包括以下步骤：1)捞出污染淤泥，过滤除掉污染淤泥表面的水，得到预处理污泥；2)将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，直至达到所需含水量；3)取出电渗装置的电极，并向处理池中加入固化剂，搅拌，得到固化淤泥。上述方法施工方便，仅需少量的能耗和固化剂就能够达到很好地排水固结效果。

Description

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法

技术领域

本发明涉及污染淤泥处理技术领域，具体涉及一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法。

背景技术

由于沿海国家、海滨城市、江河沿岸等水资源丰富的地区具有得天独厚的地理优势，因而经济发展迅速、人流量巨大，使得商业用地和住房用地都很紧俏，但这随之带来的是土地资源紧缺。为了缓解这种情况，世界各地均有围海造陆工程，就是在淤积型潮滩岸段，把砂石注入海中造陆或构筑人工岛以增加土地供应量；然而，海相淤泥的含水率高达70wt％，其余多为泥沙，这样吹填到岸边上来的泥水混合物为流塑状态，所形成的的吹填地基承载力极低、抗压强度极低，无法直接应用于填筑路基；而且人类长期向海边倾倒大量生活垃圾、河道淤泥等，加之海边建设的工厂排放出石油、重金属、酸碱、农药等多重污染源，使得海相淤泥存在大面积的严重污染，必须经处理方可利用。除了海相淤泥，江河湖体也会由于自然因素和人为因素而产生污染严重的河道淤泥，这些污染淤泥(简称污泥)对生态环境造成了威胁。

面对上述情况，海岸工程的建设维护和水环境污染治理中已经涌现出大量与污染淤泥排水固结相关的工程技术，包括堆载和真空预压等物理固结方法、固化剂和电渗法等化学固结方法。上述固结技术中，通常堆载和真空预压法需要在场地施加荷载，但由于海相淤泥初期的强度都比较低，在岸边无法架设常规的设备，使得加固受到一定限制，且针对低渗透性的海相淤泥堆载的效果一般；真空预压法则是在加固区铺设水平排水砂垫层并插入竖向排水体，再在砂垫层上用密封膜密封，通过抽真空使土体产生负压，将土体中的孔隙水抽出从而使土体固结，这样抽真空通常需要真空泵工作2～5个月，以维持真空度在80～90kPa，所以施工耗费时间很长。

固化剂是常用的化学固结方法，但由于污染淤泥的含水率越高，需要的固化剂越多，对于海相淤泥，如果直接使用固化剂处理一般掺量会达到10～15wt％，又由于海相淤泥体量巨大，故所需固化剂用量极大，如1t海相淤泥掺入100～150kg传统固化剂，这样大的使用量无疑会增加成本。而现有的电渗法，也称电动修复技术或电化学方法，一般是先添加一些外掺剂，比如酸或络合物能够降低Zn、Pd、Cu等重金属离子与土颗粒之间的吸附作用，然后脱离开土颗粒的重金属离子就可以随电迁移完成运移，这样使用电动修复技术的特点是前期效果很好，但是后期随着重金属离子浓度的降低，所需要的能耗越高、效果变差，所以耗时长、成本高，还有外掺剂带来的二次污染问题。而且目前的电动修复技术所需的装置需要具备添加外加溶液的功能，且设备必须密封，使得溶液不会渗漏出来；但是室外搭建装置的成本过高，所以大多只能在室内进行，无法大规模应用。

CN102704463B公开了一种淤泥地基真空预压-电渗联合加固方法，首先进行真空预压，抽出软土中的孔隙水，使软土固结压缩、强度提高，当抽真空一段时间后，加固效果无法再提高时，开始同时进行电渗，进一步排出单纯真空预压作用无法排出的部分自由水和弱结合水；但是上述方法仅对超软淤泥地基具有良好的加固效果，对于含重金属离子的河道淤泥不具普适性，尤其对重金属离子的稳定固化不具有显著的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种施工方便的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，仅需少量的能耗和固化剂就能够达到很好地排水固结效果。

本发明的技术解决方案如下：一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，它包括以下步骤：

1)捞出污染淤泥，过滤除掉污染淤泥表面的水，得到预处理污泥；

2)将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，直至达到所需含水量；所述电渗装置包括处理池、电极、直流电源和导线，电极包括设在处理池左侧壁的阴极和设在处理池右侧壁的阳极，阴极和阳极分别通过导线与直流电源连接；所述电渗处理指开启直流电源，使预处理污泥中的水、重金属离子由阳极运移到阴极；

3)取出电渗装置的电极，并向处理池中加入固化剂，搅拌，得到固化淤泥。

本发明电渗固化联合处理污染淤泥的方法与现有技术相比，具有以下显著优点和有益效果：

首先从河道、江边或海岸捞出污染淤泥，滤除大部分的自由水，使其含水率为68～72wt％，这样仅针对性地从水体中把污泥打捞出来，使得施工时淤泥的总体量大大减小，有助于减少后期电渗处理的耗电量和固化剂使用量。然后将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，即通过电渗装置给预处理污泥提供有向电场。在有向电场的作用下，水及水中的带电粒子会随电场方向移动，水由阳极往阴极运移；而带电粒子，主要是离子的移动会受到电渗透、电迁移、弥散和对流多重作用，其中弥散和对流作用在淤泥中相对较弱，所以离子主要通过电渗透和电迁移两种方式移动。电渗透主要针对溶于水中的离子，如Ca、Na等离子通过电渗透作用会随水一起由阳极往阴极移动；电迁移则针对的是吸附在污泥中土颗粒上的离子，如Zn、Pd、Cu等重金属离子主要通过电迁移完成运移，由于不同重金属的惰性有差别，重金属离子与土颗粒的吸附能力也不同，其中Cu、Zn离子较容易运移，Pd离子与土颗粒的吸附能力较强、无外掺剂情况下几乎不运移。而且电渗时排水速率与土颗粒粒径无关、固结过程不会因强度低而失稳破坏，经过电渗处理，污泥的含水率快速降低，同时带走污泥中全部水溶性离子和部分Cu、Zn等重金属离子，降低了重金属在污泥中的总量。待达到所需含水率后，从处理池中取出电极，并向处理池中加入固化剂，搅拌。由于经过步骤1)和2)后水和重金属含量都大大减少，所以步骤3)添加固化剂的量自然大大减少，而且能很容易快速地将Pd离子等与土颗粒的吸附能力较强的重金属固结在土中，最终重金属的检测值降低。

综上，本发明充分发挥了电渗技术和固化剂的优点，先通过电渗技术快速降低污泥含水率的同时带走污泥中部分Cu、Zn等重金属，紧接着与固化技术有效地结合，从水和重金属两个方面极大地减少了固化剂的用量，降低成本。本发明无需使用外掺剂，不会对环境造成二次污染，不仅可以在室内处理，而且完全可以在污染淤泥附近的空地大规模应用。前期采用电渗处理，施工荷载小，通电时间不超过1天，耗电量少，施工方便，后期固化剂用量少，即本发明仅需少量的能耗和固化剂就能够达到很好地排水固结效果。

优选地，所述处理池为室内的模型箱或室外的空地。处理池，也称电渗池或电解池，是用于电渗的场所。在处理污染土时因地制宜，如果需要处理的污泥体量较少，或者污泥附近很方便建设电渗处理室，则在室内采用模型箱作处理池，将污泥运输到模型箱来处理；如果需要处理的污泥体量较大，且在室内用模型箱运输费时费力，则在河道、江边或海岸的空地上开挖出一定体积的处理池，用于设置电渗装置并处理污泥。

进一步优选地，所述处理池为室内的模型箱时，采用限值为60V、2A的直流电源和截面积为1mm²的铜导线。由于室内的模型箱较小，电渗所需的功率较小，所以采用上述直流电源和铜导线即可完成电渗处理。

进一步优选地，所述处理池为室外的空地时，采用限值为240V、1A的直流电源和5mm²的铜导线。由于室外的空地较大，电渗所需的功率较大，所以采用上述直流电源和铜导线来更快速的完成电渗处理。

优选地，所述电极材料为不锈钢电极板或电动土工合成材料。由于电化学作用的存在，在对电极通电时电极会出现腐蚀现象，而采用上述电动土工合成材料(简称EKG材料)或不锈钢电极板都能够有效地避免电极腐蚀的出现，降低电渗施工成本。

优选地，所述阴极为带有多个第一通孔的不锈钢电极板。在阴极板上布置上述第一通孔，有利于电渗汇集到阴极的水分顺利从阴极板上的第一通孔排出。

进一步优选地，阴极和淤泥之间铺设透水的土工布作为反滤层。采用上述反滤层，在装填淤泥前用水进行湿润，这样能够防止淤泥内的黏土颗粒堵塞排水通道，进而减小试验中排水量的测量误差。电渗过程中，淤泥中的水从阳极水平流动至阴极，之后透过包裹着土工布的电极板经排水室导流向下流动到底部的集水槽。

优选地，所述阴极为两个圆环相连构成的8字型铜导线。采用上述结构的阴极，能够显著加大吸收面积，进而促进水、重金属离子运移，加快电渗速度。

优选地，所述处理池内插有PVC管，PVC管的管壁设有多个第二通孔，PVC管的底部封闭。该PVC管主要是在步骤3)搅拌时用，在固化搅拌时固化剂能迅速向淤泥扩散。在阳极和中间部位插入PVC管，由于PVC材料在直流电场作用下不会发生腐蚀，也就不会产生重金属离子，所以步骤2)电渗处理时PVC管不会对试验产生不利影响；而且在PVC管的管壁设置多个第二通孔，并将管底部进行封闭处理，这样在电渗时水、重金属离子都能顺利地从阳极穿过PVC管运移到阴极。

优选地，所述电渗时间为5～24h。具体的电渗时间根据初始功率和要达到的效果决定，但都不会超过1天，这样充分利用电渗前期的优势，节约能耗，有效降低含水率的同时，降低了重金属在土中的总量，再进行固化，与一般单纯固化相比大量减少了固化剂用量，降低了最终重金属的检测值。

优选地，所述固化剂由以下重量份数的组分组成：胶凝材料30～40份，碱性助剂35～45份，促凝剂20～30份，氧化剂1～5份，早强剂1～3份。采用上述配方，能够进一步降低固化剂用量，显著增加固化淤泥的强度。由于大多数污染淤泥中有机质含量极高，而有机质影响胶凝材料(固化剂)水化凝固，此处少量的氧化剂能够起到分解有机质作用，增强固化剂的水化凝固效果，使污染土中的重金属被固定在土中，不会随着酸雨渗透、地下水运营等方式造成二次污染。

具体地，所述胶凝材料为硅酸盐水泥、磷酸镁水泥、硫铝酸盐水泥的一种或两种，所述碱性助剂为氢氧化钙、碳酸钠、氢氧化钠中一种或两种，所述促凝剂为硫酸钙、硫酸钠、硅酸钠中一种或两种，所述氧化剂为次氯酸钠、双氧水、高锰酸钾中一种或两种，所述早强剂为氯化钠、氯化钙、三乙醇胺中一种或两种。

另一种优选地，所述固化剂由以下重量份数的组分组成：硅酸盐水泥30～40份，草木灰35～45份，石膏20～30份，固氮菌1～3份，三乙醇胺1～3份。此处固氮菌能配合上述整体技术方案将有机质分解转化，能达到同样的增强固化剂的水化凝固效果，使污染土中的重金属被固定在土中，不会随着酸雨渗透、地下水运营等方式造成二次污染。

进一步优选地，所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的6～12％。更进一步优选地，所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的6～8％。首先现有技术直接使用固化剂的掺量达到10～15％，且以原始的污染淤泥质量为基准；而本发明上述掺量以电渗处理后污泥质量为基准，电渗处理后污泥质量就比传统的总量降低了很多，仅为5～20％。

具体的，所述固化剂材料的制备方法如下：

1)称量胶凝材料、碱性助剂、促凝剂、氧化剂、早强剂；

2)将上述原料投入处理池中搅拌均匀；

3)收集搅拌均匀的固化剂密封保存在处理池旁边。

优选地，所述固化淤泥用于路基填土、免烧陶粒增强砌块。经过电渗固化联合处理后，污染物已经被固结在土中，达到浸出量测试标准，所以固化淤泥能够运用于其他工程，实现污染淤泥二次利用。所谓免烧陶粒增强砌块属于国家推广的具有自保温性能的新型墙体材料，由于其主要原料来自固化淤泥，因而具有环保节能的优点，可广泛应用于工业、民用建筑。

综上，本发明的有益效果如下：

1)将污泥预处理后电渗5～24h，然后固化28天，总施工时间不到一个月，强度即可达到二次用途的标准；

2)电渗固化联合处理能够有效地减少污染淤泥中Cu、Zn重金属离子的总量，并将剩余的重金属固定在淤泥中，具体，地通过电渗将Cu、Zn含量从100％分别降低到污泥质量的86～92％、75～82％，然后通过固化剂的作用降低到污泥质量的10％以下；

3)本发明先电渗，含水率快速降低到50～55wt％，而后固化，相比于单纯的固化，固化剂的用量明显达到了减量的效果，且无需外掺剂，电渗耗时短，施工成本低，固化效果好。

附图说明

图1为本发明一种电渗装置的平面示意图。

图2为本发明另一种电渗装置的平面示意图。

图中所示1、处理池，2、阴极、3、阳极，4、集水槽，5、直流电源，6、排水室，7、PVC管，8、第一通孔，9、第二通孔。

具体实施方式

下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。

本发明中涉及多种原料，包括硅酸盐水泥、磷酸镁水泥、硫铝酸盐水泥、氢氧化钙、碳酸钠、氢氧化钠、硫酸钙、硫酸钠、硅酸钠、次氯酸钠、双氧水、高锰酸钾、氯化钠、氯化钙、三乙醇胺、固氮菌、不锈钢电极板、电动土工合成材料，这些原料均可通过市场采购得到。电动土工合成材料可以是完全导电的聚合物材料，如聚乙炔；也可以是在有机聚合物如PE、PVC中加入导电元件制成复合材料。

本发明中出现多个参数，如重量份数、时间、比表面积，单位(如份、h)统一在上限后标注，例如30～40份、5～24h、280～320m²/kg。当然，还可以采用上限值和下限值后均标注单位，如30份～40份、5h～24h、280m²/kg～320m²/kg。这两种参数范围的表达方式均可，在实施例中对参数的上限、下限两个端点值和中间取值，数值后都会带单位。

以下所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明要求的保护范围之内。

实施例一

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，它包括以下步骤：

2)将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，直至达到所需含水量；所述电渗装置包括处理池1、电极、直流电源5和导线，电极包括设在处理池1左侧壁的阴极2和设在处理池1右侧壁的阳极3，阴极2和阳极3分别通过导线与直流电源5连接；所述电渗处理指开启直流电源5，使预处理污泥中的水、重金属离子由阳极3运移到阴极2；无特殊需要不需要使用抽水机，排水过程中利用其自重汇集于阴极2附近的集水槽4，即排放口；

3)取出电渗装置的电极，并向处理池1中加入固化剂，搅拌，得到固化淤泥。

所述处理池1为河边一块空地，电渗电极由规格500mm×500mm×4mm的多块304不锈钢并排拼接，构成电解池两测的阴阳极3，电源采用限值240V、1A的直流电源5，初始电渗梯度0.5V/cm，电渗时长20h，导线采用5平方毫米的铜导线。

所述固化剂由以下重量份数的组分制成：硅酸盐水泥34份，氢氧化钙40份，硫酸钙25份，高锰酸钾7份，氯化钙2份。

对宁波工业区河道淤泥进行电渗处理：含水率由70％降低到55％，淤泥中Cu总量降为原来的94％、Zn总量降为原来的84％，抗剪强度由测不出达到0.1MPa。

再对电渗处理后的污泥进行固化，掺入电渗处理后的污泥质量12％的固化剂，28天强度达到2MPa，Zn、Cu总量均降低至原样的5％以下，得到的固化淤泥用于路基填土、砌块。

实施例二

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，它包括以下步骤：

2)将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，直至达到所需含水量；所述电渗装置包括处理池1、电极、直流电源5和导线，电极包括设在处理池1左侧壁的阴极2和设在处理池1右侧壁的阳极3，阴极2和阳极3分别通过导线与直流电源5连接；所述电渗处理指开启直流电源5，使预处理污泥中的水、重金属离子由阳极3运移到阴极2；

所述处理池1采用180mm×120mm×130mm的亚力克板模型箱，见图1，电渗电极由规格120mm×130mm×3mm的304不锈钢两块，构成电解池两测的阴阳极3，电源采用限值60V、2A的直流电源5，初始电渗梯度0.5V/cm、1.0V/cm、1.5V/cm，电渗时长分别为24h、13h、7h，导线采用1平方毫米的铜导线。

所述固化剂由以下重量份数的组分制成：磷酸镁水泥34份，碳酸钠40份，硫酸钠20份，次氯酸钠7份，氯化钠2份。

对杭州工业区河道淤泥进行电渗处理：含水率由68％降低到52％左右，淤泥中Cu总量降为原来的86～92％、Zn总量降为原来的75～82％，抗剪强度由测不出达到0.2MPa。

再对电渗处理后的污泥进行固化，分别掺入电渗处理后的污泥质量6％、8％和10％的固化剂，28天强度达到0.4MPa、0.7MPa、1.1MPa，Zn、Cu总量均降低至原样的10％以下，得到的固化淤泥用于路基填土、砌块。

实施例三

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例一的不同之处在于，所述固化剂由以下重量份数的组分制成：硫铝酸盐水泥30份，氢氧化钠35份，硅酸钠20份，双氧水5份，三乙醇胺1份。所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的8％。

实施例四

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例一的不同之处在于，所述固化剂由以下重量份数的组分组成：硅酸盐水泥40份，碳酸钠45份，硅酸钠30份，次氯酸钠10份，氯化钠3份。所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的6％。

实施例五

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例二的不同之处在于，所述固化剂由以下重量份数的组分制成：磷酸镁水泥30份，碳酸钠35份，硫酸钙20份，双氧水5份，氯化钙1份。所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的8％。

实施例六

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例二的不同之处在于，所述固化剂由以下重量份数的组分组成：硅酸盐水泥40份，石灰45份，石膏30份，固氮菌2份，三乙醇胺3份。所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的6％。

实施例七

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例二的不同之处在于，所述阴极2为带有多个第一通孔8的不锈钢电极板。阴极2和淤泥之间铺设透水的土工布作为反滤层。

实施例八

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例二的不同之处在于，电渗电极为电动土工合成材料。

实施例九

一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，与实施例二的不同之处在于，所述处理池1内插有PVC管7，PVC管7的管壁设有多个第二通孔9，PVC管7的底部封闭。

以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

产品测试

1、采用本发明电渗固化联合处理污染淤泥的方法处理宁波河道淤泥，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)方法对电渗前后的污染淤泥进行固化，将得到固化淤泥进行标准养护、自来水浸泡或海水浸泡，然后做成规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm的试块测定无侧限抗压强度，以检测地面、河边和海边这三种不同环境下强度是否能够达到设计值，结果见表1。

表1抗压性能测试结果

2、采用本发明电渗固化联合处理污染淤泥的方法处理宁波河道淤泥，参照《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)方法对电渗前后和固化前后的污染淤泥进行重金属的检测比较，结果见表2和表3。表2中，预处理污泥中Cu的初始含量600g/kg，Zn的初始含量980g/kg。表3中，预处理污泥中Cu的初始含量516g/kg、Zn的初始含量735g/kg。

表2电渗前后污染淤泥中Cu、Zn的运移情况

电势梯度	Cu运移量(g/kg)	Zn运移量(g/kg)
			0.5V/cm	48	177
1.0V/cm	68	198
			1.5V/cm	84	245

表3固化后污染淤泥中Cu、Zn含量

固化剂掺量(占电渗处理后污泥质量)	Cu检测值(g/kg)	Zn检测值(g/kg)
			6％	46.2	65.2
8％	29.6	35.5
			10％	9.8	10.1

由由表1～3可知，电渗固化工艺能有效的减少污染淤泥中Cu、Zn离子的总量，并将剩余的重金属固定在淤泥中，此外还能加强污染淤泥的强度，使之能达到二次利用的目的。

Claims

1.一种电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)捞出污染淤泥，过滤除掉淤泥表面的水，得到预处理污泥；

2)将预处理污泥填入电渗装置进行电渗处理，直至达到所需含水量；所述电渗装置包括处理池、电极和直流电源，电极包括设在处理池两侧的阳极和阴极，阳极和阴极分别通过导线与直流电源连接；所述电渗处理指开启直流电源，使预处理污泥中的水、重金属离子由阳极运移到阴极，排水过程中利用其自重汇集于阴极附近的集水槽即排放口；

3)取出电渗装置的电极，并向处理池中加入固化剂，搅拌，得到固化淤泥；

所述处理池为室内的模型箱或室外的空地；

所述阴极为带有多个第一通孔的不锈钢电极板；或，所述阴极为两个圆环相连构成的8字型铜导线；

将污泥预处理后电渗5～24h，然后固化28天；

所述固化剂的掺量为电渗处理后污泥质量的6～12％。

2.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述处理池为室内的模型箱时，采用限值为60V、2A的直流电源和截面积为1mm²的铜导线。

3.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述处理池为室外的空地时，采用限值为240V、1A的直流电源和截面积为5mm²的铜导线。

4.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述电极材料为不锈钢电极板或电动土工合成材料。

5.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述处理池内插有PVC管，PVC管的管壁设有多个第二通孔，PVC管底部封闭。

6.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述固化剂由以下重量份数的组分组成：胶凝材料30～40份，碱性助剂35～45份，促凝剂20～30份，氧化剂1～5份，早强剂1～3份。

7.根据权利要求1所述的电渗固化联合处理污染淤泥的方法，其特征在于，所述固化淤泥用于路基填土、免烧陶粒增强砌块。