基于离子迁移的电渗机理研究及在疏浚淤泥中的应用

Dredged silts are normally abandoned because of the high water content and low strength, which will lead to a waste of land resources as well as pollution to the environment due to the considerable amounts of heavy mental and organic matters. The reinforcement and treatment of dredge silts is receiving growing attention and becomes one of the research focuses in environmental geotechnics. The electro-osmosis technique is considered as a promising method to strengthen soft soils of high water content and low permeability. By applying electro-osmosis in dredged silts, it is appreciable to accelate drainage rate and remove heavy mental and organic matters. However there are few studies on this aspect. Based on electro-osmotic experiments of dredged silts, the migration process of ions, heavy mental and organic involved will be explored to reveal mechanism of electro-osmosis on microstructure level. The influence of organic constituents and contents on electro-osmotic effect will also be investigated together with the impact of chemical solutions. Furthermore, the combined effect of electro-osmosis and chemical solution in accelerating drainage and reducing the contents of heavy mental and organic will be evaluated. On the basis of experimental studies, the variations of electro-osmotic permeability will be investigated. A novel theory of electro-osmotic consolidation will be established accounting the variation of permeability. Finally, a design method of the combined utilization of electro-osmosis and chemical solution will be proposed. This project aims to provide theoretical and technical support for practical application of electro-osmosis together with chemical treatment.

疏浚淤泥含水量高、强度低，含有较高的重金属和有机质，采用堆置或抛弃的方法作废弃处理，不仅浪费土地资源，也造成环境二次污染。对疏浚淤泥进行有效处理，是现今环境岩土工程研究的热点问题之一。电渗法适用于处理高含水量、低渗透性软土，采用电渗法处理疏浚淤泥有望在加速土体固结的同时，减少重金属和有机质含量，但这方面研究尚未开始。鉴于已有电渗机理研究的不足，本项目基于疏浚淤泥的电渗试验，研究电渗过程中各种离子、重金属以及有机质的运移过程，从离子运移角度探讨电渗机理；研究不同有机质组分、含量，以及注入化学溶液对电渗效果的影响，评价电渗法结合化学溶液加速疏浚淤泥排水固结以及去除重金属和有机质的有效性；分析注入不同化学溶液时电渗渗透系数的变化规律，建立考虑电渗渗透性变化的电渗固结理论，提出电渗法结合化学溶液处理疏浚淤泥的设计方法，为实际工程应用提供理论和技术指导。

疏浚淤泥的资源化利用是建设“环境友好型”和“资源循环型”社会的重要组成部分，我国这方面的研究还刚起步，每年都有大量的疏浚淤泥通过海洋倾倒等手段进行处理，不仅造成大量的资源浪费，也给环境带来严重危害。本项目开展不同重金属组分和含量的疏浚淤泥电渗试验，研究电渗过程中各种离子、重金属的迁移规律。通过向土体注入化学溶液，研究不同化学溶液对电渗过程的促进作用，以及对重金属离子的迁移作用。本研究发现：在其它条件相同时，对电渗效果起主导作用的是阳极材料，阴极材料对电渗效果影响不大。电渗过程中，阳极反应会因阳极材料的不同而不同，阴极反应一般不受阴极材料的影响，这也是阳极和阴极材料对电渗效果影响程度不同的主要原因。电渗过程中水分的转移主要依赖Na+、K+、Mg2+、Ca2+和Al3+等迁移能力较强的离子，尤其是Na+和K+，而Fe2+/Fe3+、Cu2+迁移能力较弱，对电渗效果贡献较小。电渗法适用于处理高含水量、低含盐量（0.5%以内）和较低有机质含量（5%以内）的土，不适用于高含盐量（2%）、高有机质含量（超过20%的泥炭）的土，对于处理较高含盐量和较高有机质含量的土应谨慎对待。注入絮凝剂对于提高土的电渗系数、提高电渗排水量几乎没有作用，但在一定程度上可以降低电渗能耗。本研究提出的基于电导率的电渗排水量计算方法，对电渗排水量的预测准确性远高于已有的基于Esrig理论的方法。通过4年研究，在金属离子迁移规律方面取得了重要发现，发现在电渗过程中加入化学溶液促进疏浚淤泥重金属的排出规律，提出电渗法结合化学溶液的处理方法，并给出适用性评价，为实际工程提供可靠的技术支持。最后将电渗联合真空技术应用于现场试验，通过数值分析进一步揭示该联合工法的作用机理，并提出相关的改进措施，这为电渗技术的实际应用提供了理论支持。