污泥屏障渗透性及重金属阻截效果试验研究

目前,废弃物处置场渗滤液中的重金属污染物只能依靠极低渗透性的水力屏障来控制,还不存在利用化学场专门拦截重金属污染物的反应型屏障。在有机结合生活污泥的低渗透性与丰富的有机质和厌氧微生物特性的基础上,提出“污泥屏障”的构想。研究利用柔性壁渗透仪测量不同有效应力作用下生活污泥试样的渗透系数,并对渗出液的化学性质进行了监测,验证污泥屏障的可行性。试验结果表明：随着有效应力的增大,污泥试样干密度提高,渗透系数的对数值随孔隙比的减小线性降低。试样内部微生物厌氧呼吸形成的生物膜和无机物沉淀以及黏土颗粒双电层厚度的增大,也是污泥渗透系数降低的原因,污泥渗透系数仅为 数量级。另外,污泥强烈吸附能力及厌氧微生物呼吸作用形成的中-弱碱性还原环境,对渗透液中的Zn和Cd都起到了很好的拦截作用。     

低温条件下微生物诱导固化对比研究

低温条件下微生物诱导沉淀产率低,制约着微生物诱导固化(MICP)技术的实际工程应用。通过控制不同温度和pH值,对比分析巴氏芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的生长繁殖特征和脲酶活性,同时在胶凝液中添加营养物质和控制尿素浓度和钙离子浓度,研究提高沉淀产率的方法,利用XRD测试分析沉淀晶型。进行渗透性试验和无侧限抗压强度试验,对比分析了不同菌种的砂土固化效果,结果表明,低温条件下巨大芽孢杆菌生长繁殖比巴氏芽孢杆菌快,脲酶活性更高,且巨大芽孢杆菌最适宜p H=8,更适合于碱性环境;可以通过在胶凝液中添加营养物质,控制尿素浓度为1.5 M和醋酸钙浓度为0.5 M增加碳酸钙沉淀产率;低温条件下巨大芽孢杆菌沉淀产率总高于巴氏芽孢杆菌,沉淀晶型为更稳定的方解石;采用巨大芽孢杆菌固化的试样渗透性可降低3～4个数量级,而巴氏芽孢杆菌固化的砂柱渗透性只降低2～3个数量级,其中颗粒粒径越小,渗透性降低越明显,且同等条件下巨大芽孢杆菌固化的砂柱试样强度也大于巴氏芽孢杆菌固化试样。因此,低温条件下巨大芽孢杆菌更适合进行实际工程应用。     

微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂的试验研究

向珊瑚砂中注入巴斯德芽孢杆菌菌液、氯化钙和尿素的混合液,利用微生物沉积碳酸钙固化珊瑚砂;并对珊瑚砂固化体进行了渗透、强度及微观结构等试验。试验结果表明,巴斯德芽孢杆菌的活性随时间呈衰减趋势,但衰减速度缓慢,能较好地满足珊瑚砂固化的需要。随着菌液、氯化钙和尿素的混合液注入次数的增加,珊瑚砂柱渗透性逐步降低,最终渗透性降低了1～2个数量级。微生物固化后的珊瑚砂柱应力-应变曲线大致可分为3段,即应力随应变缓慢增加段、快速增加段以及突降段。试样发生压裂脆性破坏,无侧限抗压强度最高达到14 MPa左右。抗压强度随干密度增加而增大,随渗透性降低而增大。微生物固化后珊瑚砂颗粒被生成的碳酸钙完整的包裹,孔隙间极少见生成的碳酸钙,与普通硅砂微生物固化后的微观结构不同,较好地解释了渗透性降低不多的原因。     

纸浆渣烧结灰(PS灰)和水泥固化污泥水力试验研究

为研究纸浆渣烧结灰（PS灰）和水泥固化污泥的效果,本文采用多因素分析法,通过掺入PS灰和水泥,针对影响固化土力学性能和渗透性的影响因素,进行渗透试验以及静水淋溶试验,分析固化体的水力特性随影响因素的变化规律。结果表明:固化污泥的无侧限抗压强度与PS灰和水泥含量呈"阶梯形"分布,PS灰可有效降低水泥固化污泥的渗透系数,当水泥含量为20%,PS灰含量为17.5%时,拟合曲面上固化污泥的渗透系数达到了最小值,为0.48×10-5cm·s-1。当PS灰含量一定时,水泥含量增加,金属离子的含量呈下降趋势;水泥含量在8%~12%时,PS灰含量的增加对于固化Cd离子和Cu离子效果显著;其他金属离子的最大固化效果则存在于水泥含量大于12%时,且随着PS灰含量的增加而降低。     

微生物拌和加固钙质砂渗透特性试验研究

吹填钙质砂是岛礁工程中常见的地基土,其所处的海洋环境对其渗透性和抗渗透破坏能力提出一定要求。微生物与钙质砂拌和的方法,有可能将微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)技术与吹填工艺结合,以期在吹填过程中完成对地基土的预处理。通过对不同密实度的钙质砂进行微生物固化前后的渗透试验,探究微生物拌和固化方法改善钙质砂渗透性和抗渗透变形性能的效果。结果表明,拌和方法可以使松散钙质砂的渗透系数降低至密实砂同等水平,其抵抗渗透破坏的临界水力坡降也大幅提高,破坏形式由管涌变为流土。     

微生物矿化作用改善岩土材料性能的影响因素

基于微生物诱导碳酸钙沉淀作用（MICP）的土体改性技术近年来在岩土工程领域引起了人们的广泛关注。该技术在改善岩土材料的强度、刚度、抗液化、抗侵蚀及抗渗透性等性能的同时,还能维持土体良好的透气性和透水性,改善植物的生长环境。由于微生物矿化作用涉及一系列生物化学和离子化学反应,固化过程中的反应步骤较多,因此,MICP固化效果受许多因素的制约与影响。基于大量文献资料,系统总结了细菌种类、菌液浓度、温度、pH值、胶结液配比及土的性质等关键因素对微生物改善岩土材料性能的影响,讨论了这些影响因素的优化方式和未来的研究方向,主要得到了以下几点结论：菌种类型、菌液浓度、温度、pH、胶结液性质会从微观上影响碳酸钙的晶体类型、形貌和尺寸,进而在宏观层面影响岩土体的胶结效果;菌液浓度尽可能高、温度在20～40℃间、pH值在7.0～9.5左右、胶结液浓度在1 mol/L以内的因素条件对微生物加固岩土体具有较好的效果。上述范围内的低温、较高的pH值、低浓度胶结液有助于提高土体的抗渗性,而高温、较低的pH值以及中高浓度胶结液有助于提高土体的强度;MICP加固土体的有效粒径范围为10～1 000 ?m,相对密度越大、级配越好则加固效果越好。分步灌浆法、多浓度相灌注法及电渗灌浆法有助于提高土体固化均匀性,0.042 (mol/L)/h以下的注浆速度有利于提高胶结液利用率,砂土试样的灌浆压力一般在10～30 kPa之间,粉黏土试样的灌浆压力不宜超过110 kPa,过高的灌浆压力会破坏土体结构,降低固化效果。     

微生物沉积碳酸钙固化砂土试验研究

砂土固化对增加砂土强度、减小渗透性极为有利,可提高和改善砂土的力学特性。通过培养基L进行菌种繁殖,研究了不同条件下的细菌生长特性;分析流出液的pH值和Ca~(2+)浓度的内在关系,揭示了固化砂柱的渗透性、无侧限抗压强度变化规律;通过微观结构阐释微生物固化效果,并研究了Ca~(2+)浓度与试样强度的关系。结果表明:2mL细菌母液加入100mL培养液并在30℃、pH为6,150rpm振动速度的条件下最适宜菌种生长;固化过程中,pH值逐渐降低,而Ca~(2+)浓度则增大;采用0.5mol/L胶凝液固化效果较好且固化周期短;固化后砂土颗粒间孔隙被生成的碳酸钙填充;试样渗透性最终降低3~4个数量级;流速越小,固化时间越长,固化效果越好;且固化试样破坏模式都是脆性破坏;采用尿素和醋酸钙混合溶液作为胶凝液,更能提高Ca~(2+)利用率。     

冻融循环对固化污泥力学及微观结构特性影响

冻融循环作用会改变固化污泥工程特性,影响固化污泥堆体稳定及安全。在封闭系统下对固化污泥进行冻融循环试验,每经历一次冻融循环,就测定固化体的无侧限抗压强度、渗透系数等工程指标,并根据试验结果选取试样进行扫描电镜和压汞试验。研究结果表明：第1次冻融循环作用使固化污泥强度衰减30%,渗透系数增大80%,随后变化幅度逐渐降低;经过约6次冻融循环后,固化污泥强度衰减幅度高达50%,渗透系数增加约1个数量级,随后基本保持恒定,渗透系数的变化较无侧限抗压强度变化表现出微弱的滞后性。随着冻融循环次数的增加,固化污泥孔隙体积逐渐增大,固化污泥强度逐渐降低,渗透系数逐渐增大。在封闭系统下,固化体内部水分结冰引起的总膨胀体积恒定,固化污泥内部水分分布均匀。当冻融循环作用达到一定次数后,孔隙体积不再持续增大,只是在空间上重新融合分布,使各参数逐渐达到恒定状态。研究成果对寒区污泥固化填埋的安全处理处置提供技术参数和指导。     

冻融循环作用下城市污泥固化土动强度特性研究

污泥具有高含水率、力学性质差和污染物含量高等特点,可以通过固化技术将其转化为固化土,达到城市污泥安全处理与合理利用的目的。为了得到在多变的自然气候环境影响下固化土的动力特性,以城市污泥固化土为研究对象,在不同冻融温度和不同冻融循环次数条件下,通过动三轴试验仪对城市污泥固化土进行多振次循环动荷载试验,探讨其在经历不同冻融温度和不同冻融循环次数后的长期动力力学指标变化规律。试验结果表明,污泥固化土破坏形式呈现脆性破坏的特征,并具有明显的剪切面;在低温冻结和多次冻融循环耦合作用下,随着冻融温度降低和冻融循环次数的增加,污泥固化土的轴向应变增速和最终值会随之增大,动强度亦随之降低;对不同时刻动应力-应变曲线进行分析,得到不同冻融温度循环条件下城市污泥固化土动强度与冻融循环次数的关系式,为城市污泥固化土动强度计算提供理论依据。污泥固化土静、动长期强度随冻融次数的变化规律基本一致,在其他条件相同的情况下,污泥固化土静长期强度明显大于其动长期强度。     

固化污泥的工程性质及微观结构特征

通过室内试验,向污泥中添加不同比例的石灰、土和粉煤灰,研究了不同配合比下固化污泥的工程性质。研究发现,采用适当的配合比情况下,固化污泥的强度可以满足填埋的要求,渗透性也有很大提高;采用冷冻干燥技术和扫描电镜研究了固化污泥的微观结构,发现固化后污泥的密实性有较大的提高,这是其强度提高的一个重要原因;应用分形几何的理论,对由扫描电镜获取的固化污泥微观结构图像进行了定量分析,结果表明,分形维数和强度之间有较强的正相关性。     

污泥固化材料优选试验研究

针对污泥固化材料种类繁多,各种材料互相组合时对固化污泥强度所起作用不明确问题,通过正交试验,研究常用的硅酸盐固化材料、碱性固化材料和黏土系辅助材料共同组合时对固化污泥强度的影响规律。结果表明,常用的各种系列污泥固化材料中硅酸盐固化材料和碱性固化材料对固化污泥强度形成起主要作用,碱性固化材料对固化污泥早期强度的形成具有重要作用,硅酸盐固化材料的作用到后期会明显的表现出来,黏土系辅助材料在添加后主要起系数和构建无机骨架的作用。     

新型城市污泥固化土工程特性及微观机理

通过污泥固化技术可以将城市污泥转化为一种新型城市污泥固化土。为了研究污泥固化土工程特性,对新型城市污泥固化土进行无侧限强度试验、收缩特性试验、浸出毒性试验以及X射线衍射试验与微观结构测试。试验结果表明,城市污泥固化土无侧限抗压强度随期龄增加而增长,28 d后基本稳定;新型城市污泥固化土的线缩率随龄期的增大而增大,且28 d后趋于稳定值;与消化后城市污泥相比,城市污泥固化土中的浸出毒性明显减少,重金属浸出量均符合国家规范要求。消化城市污泥衍射峰中氢氧化钙峰值很高,但随着养护期龄的增长,城市污泥固化土中氢氧化钙的衍射峰值减小,碳酸钙的衍射峰值增大,说明固化土各成分反应越充分,强度越高。微结构测试研究表明,污泥固化土SEM图像中有大量的纤维状物质联结着土颗粒和颗粒团块,形成土骨架纤维的交互空间结构,提高了土体强度。     

碱溶液预降解淤泥有机质的效果与机制讨论

淤泥富含大量有机质,受微生物作用,有机质会逐步分解出腐殖酸;同时,腐殖酸又会影响有机质降解,进而影响淤泥固化效果。为此,通过维持恒定的碱性缓冲溶液环境（pH=9.0）,将淤泥浸泡其中,观测其有机质含量的变化过程。结果表明,碱性缓冲溶液既能加快有机质分解,也能消耗腐殖酸,使溶液保持为碱性状态;当有机质分解完成,腐殖酸也释放结束,降解过程大约持续28 d。通过掺入水泥和石灰固化淤泥,发现含有机质的固化淤泥,其强度随养护时间会先增长后衰减,但预降解有机质的固化淤泥强度不会衰减。由此说明,通过碱性缓冲溶液预降解淤泥有机质,可以提升固化土耐久性。     

氯氧镁水泥固化淤泥力学特性及微观机制

将氯氧镁水泥(MOC)创新性地引入淤泥固化,通过无侧限抗压强度、固化体含水率、扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱测定(EDS)等试验,研究了初始含水率、MgO/MgCl2摩尔比、养护龄期和MgO活性等复杂因素对淤泥固化效能影响及其驱动机制。结果表明:初始含水率越高,试样强度越低,中等含水率时MOC固化淤泥中出现针杆状的3相或5相晶体;随MgO/MgCl2摩尔比升高,试样抗压强度随之增加,水化产物从无定形凝胶逐渐转化为3相、5相和Mg(OH)2晶体;随养护龄期延长,固化淤泥强度总体呈上升趋势,28d前强度增长相对较快,28d后强度趋于稳定;养护后期,MgO/MgCl2摩尔比较高的试样表面易出现泛霜现象;MgO活性提高使得MOC固化淤泥试样含有更多有效活性组分,无侧限抗压强度更高,但MgO活性高低对水化产物演变规律并无显著影响。研究成果可为绿色、低碳MOC基胶凝材料研发及其在淤泥固化等土体加固领域中应用提供理论支撑。     

基于固结-固化复合技术对温州淤泥加固的试验研究

为了对软弱淤泥土进行加固,使之满足工程建设所需的一定承载力,在试验基地采用固结-固化复合技术对淤泥进行加固研究。试验时,将一定厚度淤泥分为浅层固化加固层和深层固结加固层;浅层（≤1 m）淤泥采用固化技术进行加固,使之形成高强度硬壳层;对于深层（＞1 m）淤泥,采用真空预压技术进行加固,以提高深层淤泥的承载力并控制加固土体的后期沉降量。试验结果表明,当固化剂掺量为0.6%～5.0%时,浅层固化淤泥承载力特征值在109～330 kPa;固结-固化复合技术对土体加固效果突出,分层加固土体整体的承载力特征值在89～230 kPa;浅层淤泥经过固化处理后,土体强度较高,对地表荷载起到了明显的扩散作用,有效地减小了地表荷载在下卧层土体中产生的附加应力;多数试验单元浅层固化土的应力扩散角在19.474°～26.303°之间。     

武汉东湖淤泥早强固化试验研究

利用传统淤泥主固化材料水泥与辅助固化材料粉煤灰和石膏,通过组合配比对武汉东湖疏浚淤泥分别进行固化,基于无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验,确定不同材料组合及配比下淤泥固化强度和特点。试验研究表明：在疏浚淤泥固化过程中水泥占主导地位,对固化效果影响最为显著;粉煤灰起到的作用相当于降低了淤泥初始含水率,表现在固化淤泥早期强度的快速提高;石膏有利于固化淤泥早期强度的形成,其作用持续于整个淤泥固化过程。随着含水率的增大,单纯水泥固化淤泥试样的应力-应变关系曲线由应变软化逐渐过渡到应变硬化模式,围压对固化淤泥强度的影响程度也随着含水率的增大而逐渐减弱,辅助固化材料的添加使原单纯水泥固化淤泥的应变硬化型曲线变为应变软化模式。不同含水率东湖疏浚淤泥固化材料最佳配比为水泥掺入比20%,粉煤灰为3倍的水泥量,石膏为30%的水泥量,该研究成果有助于武汉东湖底泥的治理以及疏浚淤泥排放场地的地基处理和环境整治。     

干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究

针对采用水泥和膨润土为固化材料处理的污水厂污泥为研究对象,采用干湿循环试验测量了在水分强烈变化下固化体的质量、体积、含水率及强度等参数的变化情况,进而评价固化污泥的干湿耐久性。结果表明,水泥的掺入是提高固化体干湿耐久性的主要因素,但要达到一定的掺入量才能发挥作用。膨润土对固化体的干湿耐久性影响呈现两面性,适当地掺入膨润土有利于干湿耐久性的形成,而过多地掺入膨润土反而不利于干湿耐久性的形成。在水泥掺入质量比小于或等于0.4时,干湿循环后固化体相对控制样强度明显提高,但体积显著减小,而水泥掺入质量比大于0.4时,干湿循环后固化体相对控制样强度有所下降而体积基本不变。