基于加速碳化技术的河湖污染淤泥固化资源化利用关键技术研发及应用.pdf

基于加速碳化技术的河湖污染淤泥固化资源化利用关键技术研发及应用 任 务 来 源:水利部重大科技项目任务书编号:SKR-2022028执 行 期 限:2021 年 7 月至 2023 年 12 月牵 头 单 位:黄河勘测规划设计研究院有限公司项目负责人:曹智国1 研究背景城市河道和湖泊由于长期受到周边工农业废水的排放影响,淤积严重,需定期进行河湖污泥的疏浚清理。目前我国大部分地区将污泥脱水后填埋处置,这种方式对环境影响大、资源化利用程度低,而且受到环境和土地条件限制。疏浚的污泥以黏土和粉细砂等颗粒物为主,污染物主要包括重金属和难降解有机污染物,其中重金属对水体和生物的毒性很大。为防止污泥填埋后对环境产生二次污染,通常要对污泥中的重金属等污染物进行处理。随着环境保护和资源化利用理念的深入,填埋等传统方法已逐渐被舍弃,而固化稳定化技术则被广泛接受并应用于污泥处理。将固化污泥用于堤防加固、人工岛浇筑及路基填料,不仅有效避免疏浚污泥二次污染,还同时实现了污泥材料化与再生利用。作为工程中应用最广泛的固化剂,水泥存在 CO2排放高、资源能源消耗大、环境污染严重和固化速率缓慢等问题。研发固化性能优越、固化成本较低、环境污染小的新型绿色低碳固化材料与技术,已成为目前废弃疏浚污泥处理领域的新热点。加速碳化技术可有效降低能源消耗、减少 CO2排放和缓解环境污染,逐渐受到众多学者的高度关注。目前加速碳化技术主要用于软弱地基土加固,利用加速碳化的方法迅速提高软土的力学强度。然而,加速碳化技术在加固淤泥的同时,是否能将淤泥中污染物的活动度和毒性降低,有待深入研究。此外,关于加速碳化技术的研究大多停留在实验室阶段,工业化应用所需的施工技术和施工工艺也有待开展研究。基于加速碳化技术的河湖污染淤泥固化资源化利用关键技术研发及应用,旨在揭示加速碳化技术固化污染物的内在控制机理,明确满足环境安全要求所需的设计施工参数指标,形成一套加速碳化技术固化处理河湖污染淤泥施工工艺和设计施工方法,实现绿色低碳目标和可持续发展理念。项目可解决传统河湖污泥固化剂生产碳排放高、资源能源消耗大、环境污染严重、固化速率缓慢和成本高等水利实际问题。2 项目进展情况及阶段成果采用高岭土、工业胡敏酸和重金属制备人工污泥,采用绿色低碳活性 MgO 基胶结材料作为固化剂,对人工制备的污泥进行固化处理,处理后直接进行加速碳化试验,碳化对应的 CO2浓度采用 20%。碳化完成后取样进行微观结构测试、化学溶出试验和耐久性试验。微观结构试验包括 X 射线衍射分析(XRD)、电镜扫描(SEM)、热重分析(DTG)、压汞(MIP)和孔隙溶液化学性质测试,化学51科技项目进展溶出试验包括 pH-dependent 溶出试验、多步提取溶出试验和半动态淋滤试验,耐久性试验包括干湿循环试验、冻融循环试验。通过加速碳化试验,分析了固化污泥碳化深度的变化规律,并基于 Papadakis 碳化模型和非饱和土气体渗透模型,给出了固化污泥碳化深度的预测方法;分析了固化污泥电阻率的变化规律,建立了电阻率与碳化深度的关系,提出了基于电阻率测试的固化污泥碳化深度评价方法。碳化深度与碳化时间平方根呈线性关系,直线斜率即为固化污泥的碳化系数,碳化系数主要取决于 CO2的扩散速率和 CO2的反应消耗速率。固化污泥的CO2扩散系数随孔隙比或气隙率的增加而增大,随饱和度的增加而减小,CO2扩散系数与气隙率之间具有很好的幂函数关系。固化污泥的电阻率与碳化深度具有很好的线性关系,碳化深度与电阻率的线性关系归一化,得到的直线斜率的范围为0.400.75,均值为0.55。通过 XRD、SEM、DTG、MIP 和孔隙溶液化学性质测试,分析了加速碳化固化处理污泥的微观矿物组成、重金属的矿物形式、微观矿物形态、累积孔隙体积和孔隙分布密度,分析了碳化过程中碳酸盐、MSH 和 MH 的质量分布以及孔隙溶液电导率、pH 和 ORP 电位的变化规律。固化污泥中 Pb 主要以硅酸铅、铅酸镁等形式存在,加速碳化下会有新沉淀 PbCO3形成;固化污泥中 Zn 主要形成硅酸锌、氢氧化锌等,加速碳化下会形成新沉淀MgZn(CO3)2。DTG 曲线有 4 个较为显著的峰值:第一个峰值(100C 附近)代表可蒸发水的损失,第二个峰值(300C 附近)代表MSH 的分解,第三个峰值(400500C 之间)代表 MH 的分解,第四个峰值(700C 附近)代表镁碳酸盐的分解。MIP 结果显示,固化污泥的孔隙分布密度呈单峰特征,峰值位于0.010.1m 之间,加速碳化下固化污泥的孔隙体积减小。加速碳化下孔隙溶液的 pH从 10.511.5 减小到接近 8.0。通过 pH-dependent 溶出试验和连续提取试验,分析了加速碳化对污染物铅锌溶解度的影响规律,给出了加速碳化下固化污泥中铅锌的溶解度与 pH 的关系,分析了加速碳化和酸雨对污染物铅锌的化学赋存形态的影响。溶解度的变化是加速碳化下固化污泥孔隙溶液 pH 降低和铅锌的矿物形式变化综合作用的结果,加速碳化下污染物铅和锌的溶解度均减小。固化污泥中铅和锌的溶解度与 pH 的关系展现了两性物质的行为特征。pH 介于 711 之间时铅的溶解度相对较小,pH 小于 7 或大于 11 时铅的溶解度较大;pH介于 811 之间时锌的溶解度相对较小,pH小于 8 或大于 11 时锌的溶解度较大。固化污泥中铅和锌的化学赋存形态均以铁锰氧化物结合态为主,其质量百分比在 80%左右,可交换态、碳酸盐结合态、有机结合态和残余态所占的比例均较小。加速碳化下铅锌可交换态所占的比例减小,验证了加速碳化下污染物铅锌溶解度减小的测试结果。通过干湿循环试验和冻融循环试验,分析了干湿和冻融等复杂环境对加速碳化固化处理污泥物理力学特性的影响。加速碳化生成的碳化产物能有效填充污泥孔隙并与土颗粒形成稳定结构,从而有效增强固化污泥的抗裂性能。加速碳化下镁碳酸盐等产物的填充骨架黏结协同作用,使固化污泥试样的强度特性更优异,且复杂环境影响下的稳定性更强。3 下一阶段展望项目研究已经探明了加速碳化固化处理污泥的微观控制机理、化学溶出特性和长期耐久性,下一阶段的主要工作是现场试验。在污泥固化处理原有技术的基础上,耦合加速碳化技术,形成加速碳化固化处理污泥的新施工工艺,并依托相关项目,开展工业试验,形成一套加速碳化固化处理污泥的施工方法。【供稿:设计院 曹智国】61 治黄科技信息2023 年第 5 期