处置库污泥工程特性测试研究

第34卷第1期岩土力学Vol.34No.12013年1月RockandSoilMechanicsJan.2013收稿日期：2011-10-28基金项目：国家自然科学基金项目(No.51010008)；基本科研业务费专项资助项目(No.2010KYJD006)；浙江省重点创新团队支持计划资助(No.2009R50050)。第一作者简介：冯源，男，1984年生，博士研究生，主要从事污泥电渗脱水、环境岩土工程等方面的研究工作。E-mail:[e-mail]通讯作者：詹良通，男，1972年生，教授，博士生导师，主要从事非饱和土力学、环境岩土工程和边坡工程等方面的教学与科研工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2013)01－0115－08处置库污泥工程特性测试研究冯源，罗小勇，林伟岸，詹良通，柯瀚，陈云敏（浙江大学软弱土与环境土工教育部重点试验室，杭州310058）摘要：对某填埋场污泥库中取样的污泥进行了岩土工程特性测试，包括有机质含量、含水率、界限含水率、颗粒级配、渗透系数、压缩固结特性及抗剪强度等。试验结果表明，与常规淤泥相比，污泥库中经一段时间降解后污泥有机质含量及含水率较高，平均值分别为45%和520%；污泥在历时2a的生物降解作用下，污泥含水率、有机质含量沿深度呈较为明显的减少趋势；污泥具有极高的压缩性，压缩系数a100-200高达7MPa-1；污泥的固结表现为非线性大变形特性，其固结系数在10-5～10-6cm2/s，比淤泥低1～2个数量级，固结系数随压力的增加而显著减少；污泥的抗剪强度参数较小，其黏聚力为0，内摩擦角为14.7°。有机质含量高是污泥高含水率、高液塑性指数、高压缩性，低渗透性、低固结系数及低抗剪强度的本质原因。以上成果可为污泥库的固化处置、稳定分析等提供必要的参数。关键词：污泥；污泥库；有机质含量；含水率；固结系数；抗剪强度中图分类号：TU411文献标识码：AGeotechnicalpropertiesmeasurementofsewagesludgeatadisposalsiteFENGYuan，LUOXiao-yong，LINWei-an，ZHANLiang-tong，KEHan，CHENYun-min（MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310058China）Abstract:Laboratorytestsareconductedtoinvestigategeotechnicalpropertiesofsewagesludgeinasludgereservoirofalandfill,includingorganiccontent,watercontent,limitcontent,grain-sizedistribution,permeabilitycoefficient,shearstrengthandconsolidationcoefficient.Testresultsshowthatthesewagesludgeinthereservoirhasmuchhigherorganiccontentandwatercontentthanthemuddysoil.Theaveragevalueoforganiccontentis45%andwatercontentis520%,respectively.Asaresultofbiodegradationwithaperiodoftwoyears,bothorganiccontentandwatercontentofthesewagesludgeinthesludgereservoirshowadecreasingtrendwiththedepth.Thesewagesludgehadaveryhighcompressibility,andthevalueofa100-200is7MPa-1.Theconsolidationofthesewagesludgeshowsanonlinearlargedeformationbehavior;andthecoefficientofconsolidationisoftheorder10-5-10-6cm2/s,showingasignificantdecreasingtrendwithanincreaseofnormalstress.Theshearstrengthparametersarelowwithacohesionof0kPaandaninternalfrictionangleof14.7°.Thehighorganiccontentistheessentialreasonforthehighvaluesinwatercontent,plasticityindexandcompressibilityaswellasthelowvaluesinpermeability,consolidationcoefficientandshearstrength.Theexperimentalresultsprovidenecessaryparametersforthedisposalofsludgereservoirandanalysisofstability.Keywords:sewagesludge;sludgereservoir;organiccontent;watercontent;consolidationcoefficient;shearstrength1引言污泥是污水处理过程中形成的以有机物为主要成分的泥状物质，容易腐化发臭、颗粒较细、密度较小、含水率高且不易脱水，呈胶状结构的亲水性物质[1]。目前，我国城市污水处理厂每年排放污泥2200×107t，且以每年约10%的速度增长，污泥处置问题日益严重。污泥处置是指污泥经过处理后，弃置于自然环境中（地面、地下、水中）或再利用，能够达到长期稳定并对生态环境无不良影响的最终消纳方式。目前，污泥的处置方式主要有卫生填埋、土地利用、投海、焚烧等多种方式[2]。填埋处置投资少、运行费用低、消纳量大，是目前我国污泥处置的主要方式。污泥填埋分为单独填埋和混合填埋，116岩土力学2013年欧洲国家一般采用污泥与城市垃圾混合填埋，美国多数采用单独填埋。目前，我国主要进行简易的单独填埋，即污泥经过简单脱水、消化处理后，直接倾倒于生活垃圾填埋场中的低地或谷底，形成污泥坑或污泥库，如成都长安、深圳下坪、上海老港、南昌麦园及苏州七子山等填埋场中均采用这种方式。由于污泥特殊的岩土工程性质，易造成垃圾堆体发生失稳事故，如深圳下坪垃圾填场由于在污泥坑上进行垃圾填埋而造成污泥污水外涌和垃圾堆体局部滑移事故。另外，由于污泥颗粒小、含水率较大及黏度高，易堵塞渗沥液收集和导排管，并增加渗沥液产量。随着我国污泥产量的快速增长，不断进入填埋库区的污泥对填埋场正常运行的影响日趋严重，不仅减小了填埋库区的库容，还增加了填埋场的稳定安全隐患。同时，我国垃圾产量也以8%～10%的速度增加，已达2.4×108t，居世界之首，造成填埋场库容日趋紧张。污泥库的加固处置和填埋库容的恢复是我国目前许多填埋场亟需解决的难题，以便在其上方填埋垃圾，恢复库容。目前，国内外针对污泥的研究主要集中在新鲜脱水污泥性质以及污泥化学固化等方面，如张华等[3]对新鲜脱水污泥进行了土工性质研究，得到污泥各种土工参数与含水率的变化关系；O’Kelly[4－7]研究了新鲜污泥在不同含水率状态下的干燥、击实、收缩、脱水、抗剪强度、压缩固结等特性，以及不同生物降解程度对污泥工程性质的影响；曹永华等[8]研究了污泥在加入不同配比的石灰、土、粉煤灰后的工程性质及微观结构特征；郑修军[9]、朱伟[10]、李磊[11]等研究了污泥经过常用硅酸盐固化材料、碱性固化材料及黏性土辅助材料改性后，干湿循环、生物化学作用对固化污泥性质的影响。然而，据笔者所知，目前针对污泥库自然降解后污泥土工性质的测试数据很少，以至污泥库的原位加固处理及分析缺乏必要的土工参数。本文以成都某填埋场污泥库中污泥为研究对象，进行了一系列室内土工试验，获得了污泥的物理、力学性质指标等土性参数及其随深度的分布规律，为污泥库的真空预压等原位加固处置提供压缩指数、固结系数、抗剪强度等土工参数，为处置方案设计提供依据。2工程概况成都某垃圾填埋场位于成都市龙泉驿区洛带镇，该地属亚热带季风性湿润气候，气候温和、雨量充沛，日照较少，潮湿多雾，多年平均气温为16℃，年总降雨量918.2mm，年蒸发量为841.1～1066.1mm。污泥库在填埋场2期库区中部，占用了填埋场库容，为市政污泥的临时处置设施，如图1、2所示。该污泥库于2009年初开始填埋，截止2011年5月已填入约5×105m3污泥。污泥库池面呈D形，长约300m，宽约100m，表面面积约2.5×104m2，深度约12～17m。由于污泥独特的物理力学性质，并长期暴露在大气中，污泥表面呈流塑状，无法在其上方直接填埋生活垃圾，显著地减少了原有库容，已无法满足接下来一年生活垃圾填埋的需求，污泥库急需处置，以尽快恢复库容。图1填埋场内的污泥库Fig.1Sludgereservoirinlandfill3试验方案3.1现场取样利用钻机在污泥库不同位置沿深度进行取样。污泥取样先在指定位置将套管直接插入污泥库底部，然后采用能够自如闭合的荷叶式钻头携带敞口薄壁取土器，利用快速、连续的静压方式将取样器贯入。贯入过程中，钻头荷叶打开，污泥进入岩芯管内的取土器，提钻过程中，荷叶封闭，待提出污泥表面后，打开荷叶，将污泥样装入样桶内。污泥沿深度每1m取一个样，试样直径为100mm，高为200mm。布置了5个勘探点，共计取污泥样76桶。勘察点大致沿污泥库的轴线布置，主要分布在靠近污泥倾倒口的一侧，如图2所示。由取样过程可知，所取污泥试样为扰动样，但由于污泥库中表层以下污泥为泥浆状，呈流态，扰动样与原状样工程性质的差异很小，可以忽略扰动对试样性质的影响。3.2试验安排由于钻孔之间的差异性不大及篇幅所限，本文仅介绍位于中间位置ZW3钻孔的污泥的工程特性测试结果。对ZW3所有14个污泥试样进行有机质含量、含水率测试；对每间隔4m深度的污泥试样做4组渗透试验；对深度分别为1、5、9m污泥试样做3组固结试验；对深度分别为4、8m的污泥第1期冯源等：处置库污泥工程特性测试研究117试样做2组慢剪试验；对深度分别为3、6m的污泥试样做2组颗粒分析试验。图2污泥库取样点布置Fig.2Layoutofsamplinginsludgereservoir3.3试验方法污泥含水率、颗粒级配及渗透系数等测试采用常规土工试验方法[12]。其中，含水率测试时，烘干温度控制在60～70℃，烘干至恒重。烘干后的污泥再进行有机质含量试验。污泥颗粒较细，颗粒分析试验和渗透系数试验分别采用甲种比重计法和变水头渗透试验法。有机质含量测试方法参照城市污水处理厂污泥机质含量测试方法[13]，试验采用较大体积的陶瓷瓶，将70℃下烘干的污泥样在550℃马弗炉灼烧至恒重，燃烧前后的质量差为有机质质量，与燃烧前烘干污泥样的质量之比为有机质含量。3.3.1固结试验污泥呈流塑状，初始孔隙比较大，采用标准固结仪进行试验，其试样压缩后最终高度仅为2～3mm，易造成试验结果失真。因此，笔者自主研制了3套气压固结仪，如图3所示。该固结仪样桶直径为100mm，高为300mm，采用气压缸推动带联动杆的活塞进行加载，利用调压阀控制压力大小，实现分级加载。将直径为100mm、高为200mm的污泥试样整体压入固结仪内，固结仪上下双面排水，施加的各级压力依次为12.5、25、50、100、200、400、800kPa，每级压力下变形稳定的标准为每小时变形不大于0.05mm。每级压力下均测定固结系数，施加每级压力时按规范[10]规定