水泥免烧结固化和稳定化底泥中重金属的全过程机制研究

Cement based non-sintered technique has been regarded as a sustainable and effective sediment resource technology for heavy metals. But the underlying solidification mechanism is still not clear. This is not only due to the destructive testing technology, but also the focusing on local process of hydration reaction. According to the long term study on cement based non-sintered technique, we hypothesize that there are three mechanisms which are determinant in the whole process of heavy metal solidification and stabilization: 1) during solidification process, evaporation of free water caused the structure destruction of the solidify system, which is the key process influencing the solidification effect; 2) the solidification reaction is affected by the structure destruction of the solidify system, which can be quantifiable analyzed; 3) the stabilization is a long-term process of solidify system and there occurred certain ecological threshold values of heavy metal lability. The proposed project will focus on the whole solidification and stabilization process of sediments from Qiujiang River in Yangpu District of Shanghai based on the ultrasonic fault detector and NMR-imaging. The solidification reaction mechanism can be illuminate through the feature recognition of these images using computer vision. Furthermore, the stabilization effect will be verified through simulation experiment (including simulating storm water runoff and water turbulence) and an ecological threshold value will be provided. It is anticipated that the research results will be of great scientific significance in order to control internal source pollution of urban rivers.

水泥免烧结固化和稳定化底泥中重金属是一种有效的和可持续的资源化技术。但当前固化理论多基于破坏性分析手段和水合反应的局部过程，导致固化过程机制尚不明晰。在底泥免烧结固化重金属技术的长期研究基础上，我们认为底泥固化和稳定化的全过程机制应分别从3个阶段进行解释：（1）固化过程中，游离水的蒸发导致固化体结构的变化是影响水合反应及固化效果的关键过程；（2）固化体的结构破坏影响固化反应，其特征能够定量固化效果；（3）固化体的重金属稳定化阶段是一个长期过程，过程中存在重金属活性的最大值或生态阈值。基于这个假设，本项目拟以上海杨浦区污染河道虬江底泥为例，在无损条件下通过超声波探伤仪和核磁共振检测技术，结合计算机视觉手段，对水泥免烧结固化底泥全过程机制的研究，阐明底泥重金属固化机制，通过模拟降雨和水力扰动下固化体的稳定化实验研究固化体的生态阈值，为城市河道内源污染控制提供重要的理论依据。

河湖水环境的治理关键在于内源负荷消除和岸坡易坍塌缓冲带的生态修复。内源污染可以通过清淤疏浚缓解，但大量疏浚底泥的处理处置成为亟待解决的难题。.本项目以上海地区河湖受重金属（Cr、Cd、Pb、Cu和Zn）污染的底泥为研究对象，采用水泥免烧结技术固化和稳定化底泥，通过对固化和稳定化过程中水分形态变化的研究及模型构建、力学性能和微观结构变化特征、重金属稳定化效果及其赋存形态变化、模拟不同降雨条件和水流环境对固化稳定化底泥的影响研究以及铁改性重金属污染底泥固化体吸附除磷性能及机理等6方面科学问题的研究，发现：① 底泥固化后的力学性能与固化过程中的矿物水、结合水变化分别呈线性关系和对数关系，基于上述规律构建了水分形态与固化稳定化过程之间的关系模型；② 重金属污染底泥固化后的抗压强度随着水泥掺量和养护时间的增加而增加，水化反应中后期产物的种类与水泥使用量关系较小，但天然有机质（含量超过7%时）会明显削弱固化体强度；③ 固化过程中重金属的迁移性顺序为酸可提取态＞可还原态＞可氧化态＞残渣态，前两种形态决定重金属在固化体的迁移性；④ 降雨对不同龄期固化体的抗压强度折损不同，7d抗压强度折损率最大达34%，28d抗压强度折损率为7.89%，水流对固化体的抗压强度、直剪应力折损较小，降雨和水流均对重金属稳定化效果影响较小；⑤ 铁改性后底泥固化体的比表面积可增大2.13倍，经过5次洗脱之后仍能保持80%以上除磷率。本项目基本阐明了底泥固化和稳定化重金属元素的全过程机制，达到了预期研究目标；结合产学研合作进行了成果技术转化，并对转化过程中的难题进行了进一步的攻关，从底泥资源化利用以及经济效益角度出发，提出一种河道底泥原位资源化利用方案，已基本完成技术成果转化，在长三角地区及崇明世界级生态岛建设中，累计修复中小型岸坡坍塌河道2000多条，原位资源化利用和生态修复底泥120多万方。