固化污泥压缩特性研究

第37卷第1期岩土工程学报Vol.37No.12015年.1月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringJan.2015固化污泥压缩特性研究李磊1，徐菲1，周灵君2，边博2，张春雷3(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098；2.江苏省环境科学研究院，江苏南京210036；3.河海大学环境学院，江苏南京210098)摘要：固化技术是污泥进行填埋处置常用的处理技术之一，固化污泥的压缩参数是进行填埋场库容计算和稳定性评价的重要指标。选用水泥作为固化材料，开展了不同材料添加量和不同养护时间条件下固化污泥的压缩特性研究，并从固化污泥水分形态和转化角度对压缩性变化机理进行了探讨。结果表明，即使水泥添加量达到30%，固化污泥的压缩指数也高达0.71，是一种高压缩性的土。水泥的添加量在10%～20%时，固化污泥压缩指数降低显著，但是超过20%以后，压缩指数变化趋于稳定。其原因主要在于污泥中的水分具有较高的结合势能，过多的水泥并不能获得更多的自由水发生水化反应。固化污泥的压缩指数随着养护时间的增加而降低，当达到14d时趋于稳定，但60d以后压缩指数又出现降低趋势，其原因主要是微生物逐步分解污泥结合水中的碳氢化合物，有机质含量下降，导致压缩指数降低。关键词：污泥；固化；压缩指数；水分形态中图分类号：TU447；X172文献标识码：A文章编号：1000–4548(2015)01–0171–06作者简介：李磊(1976–)，男，河南信阳人，博士，副教授，从事环境岩土工程方面的研究工作。E-mail:[e-mail]。CompressioncharacteristicsofsolidifiedsewagesludgeLILei1,XUFei1,ZHOULing-jun2,BIANBo2,ZHANGChun-lei3(1.SchollofEarthSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.JiangsuAcademyofEnvironmentalScience,Nanjing210036,China;3.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Thesolidificationtechnologyisageneraldisposalmethodforsewagesludgelandfills,andthecompressionparameterisanimportantfactorforvolumecalculationandstabilityevaluationoflandfills.Thesewagesludgeissolidifiedbyusingcement.Theresearchesonthecompressioncharacteristicsarecarriedoutunderdifferentcementcontentsandcuringperiodconditions.Inaddition,thecompressionmechanismisinvestigatedfromtheviewpointsofwaterformsandtransform.Theresultsshowthatifthecementcontentis30%,thesolidifiedsludgeishighlycompressedanditscompressionindexis0.71.Thecompressionindexgreatlydecreaseswiththecementcontentof10%～20%,andittendstobestablewhenthecementcontentismorethan20%.Thereasonisthatthecementcannotgetmorefreewaterforreactionbecausethewaterformsaremainlytheboundwaterinthesewagesludge.Withthecuringperiodextended,thecompressionindexdecreasesandbecomesstableafter14days.Butthecompressionindexisdeclinedafter60days,whichiscausedbydecomposedhydrocarbonanddecreaseoforganiccontentsbythemicroorganismaction.Keywords:sewagesludge;solidification;compressionindex;waterform0引言污泥是污水处理厂对污水进行处理后产生的以有机物为主的泥状物质，含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等。根据《国家环境保护“十二五”规划》，脱水污泥产量将达到6000×104t/a。污泥在生活垃圾填埋场进行填埋是国内外常用的处置技术途径之一[1-2]。2009年颁布实施的《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》（GB/T23485—2009）也为污泥混合填埋处置提供了技术指导和依据。由于污泥的含水率过高、物理性质差，如果不经预处理直接进入填埋场进行填埋处置容易引起填埋场工程灾害以及区域环境污染问题。如国内某大型填埋场混合填埋污泥和垃圾时污泥受压挤渗入周边垃圾和衬垫系统中导致堆体抗剪强度降低[1]。2009年发生填埋场失稳事故。英国戴顿填埋场由于污泥降解过程产生的填埋气增加了孔隙水应力，导致填埋场失稳[3]。───────基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2012CB719804）；国家自然科学基金项目（51278172，51478167）；江苏省自然科学基金项目（BK2012883）收稿日期：2014–03–21DOI：10.11779/CJGE201501021172岩土工程学报2015年为改善污泥的物理力学性质，目前比较常用的方法是在污泥中添加水泥、石灰及各种固化剂，通过固化剂与污泥中产生一系列的水化反应，达到降低含水率、提高污泥的力学性质、稳定污染物的目的，避免产生填埋场失稳破坏等工程灾害。目前关于污泥固化处理方面的研究主要集中在固化材料的选择、强度、长期材料稳定性以及二次污染评价等方面，以满足污泥预处理及填埋施工等方面的要求[4-6]。污泥进入填埋场进行填埋，除了需要解决上述问题之外，压缩沉降特性是关系到填埋场库容和安全运营的重要课题，但是目前关于固化污泥压缩特性的研究鲜有报道，关于污泥压缩特性的研究主要集中在未经处理的污泥方面。相关研究表明污泥较一般的软土有更高的压缩性，但是不同学者研究的结果也具有较大的差异：如O'Kelly研究表明压力范围3～800kPa下，压缩指数从3.7～2.5[7]；Zhan研究了填埋场中弃置的污泥，压力范围12.5～800kPa情况下，污泥的压缩指数从5.5～1.5，而且污泥的e–lgp压缩曲线孔隙比与压力对数的关系呈内凹曲线，与一般的软土压缩曲线差异很大[8]。固化污泥在材料性质上与未经处理的污泥及垃圾土在物质组成、结构等方面有着本质的区别，未经处理污泥和垃圾土的压缩特性研究结果不完全适用于固化污泥。为了明确污泥固化处理后的压缩性问题，针对目前污泥固化处理实际工程中主要存在的两个关键控制因素——材料添加量和养护时间，通过室内压缩试验开展不同材料添加量和不同养护时间条件下固化污泥的压缩特性研究，并从固化污泥中水分转化的角度对压缩特性的变化机理进行了分析，研究结果能够为固化污泥填埋处置工程提供设计参数和运营方案指导。1试样材料与试验方案1.1试样材料试验所用的污泥为某城市污水厂的脱水污泥，污泥基本性质：含水率为251.5%，密度为1.14g/cm3，比重为2.21，孔隙比为5.45，液限为132%，塑限为96%，有机质为30.28%。从数据可以看出，污泥的含水率和有机质含量远较一般的软土、淤泥质土高，而且初始孔隙比大。图1为污泥的XRD图，其主要矿物成分为石英。所选用的水泥为#325普通硅酸盐水泥。1.2试验方案选取具有代表性的水泥基固化材料，研究材料添加量和不同养护时间对固化污泥压缩特性的影响。水泥添加量按0%，10%，20%，30%的质量比与污泥混合搅拌均匀后装入直径为6.18cm，高度为2.0cm的钢制环刀内。制好后的试样放入温度为20±2℃，湿度大于90%的恒温恒湿养护箱中养护至7d；20%水泥添加量的固化污泥再继续养护至14d，30d，60d，120d，180d后进行压缩试验。另至一批试样直接放入养护箱中进行养护，进行水分转化试验及其它指标测试。图1污泥XRD图Fig.1XRDforsewagesludge压缩试验采用WG型固结仪，考虑到污泥及低添加量下固化污泥物理力学性质较差，采用常规加载荷载易导致污泥挤出，因此对加载方式进行了改进，减小了初级荷载：对于原泥初级荷载为3.125kPa，加荷率为1，最后一级荷载为200kPa；对于10%水泥添加量的固化污泥初级荷载为6.25kPa，加荷率为1，最后一级荷载为400kPa；20%和30%水泥添加量的固化污泥初级荷载为12.5kPa，单向压缩试验荷载率取为1，最后一级荷载为1600kPa。水分形态测试采用Himac高速冷冻离心机，将样品放入环刀中（内径4.99cm，高5.09cm），环刀地面贴上滤纸后放入旋杯中。分别在转速n为1000，3000，6000，7000，8000，10000rpm进行离心机试验，在每级转速运行3h后质量基本稳定时称量环刀与湿泥样的质量，测量旋杯顶面到试样表面的距离h，之后在下一级设定转速下运行；最后在转速结束后，将环刀连同湿土在105℃下烘干（时间12h），测量环刀与干泥样重。不同转速下的Fp值根据下式计算：01F012lglg()lg4.952rrpnrr。(1)式中，n为离心机的转速（rpm）；r0为旋杯底即试样底到离心机转盘中心距离（9.8cm）；r1为试样中心到离心机旋转中心距离（cm），r1=r0–(5.09–h)/2；h为旋杯顶到试样表面的距离，试验量测值（cm）。根据不同转速下获得的含水率以及相应的pF值，即可获得相应的水分势能与含水率的关系。2压缩试验2.1水泥添加量对压缩性的影响试验选取了原泥以及10%，20%，30%水泥质量添加量下，养护7d时间的固化污泥研究不同材料添加量条件下压缩性的变化。结果如图2，3所示。第1期李磊，等.固化污泥压缩特性研究173图2不同水泥添加量下e–lgp曲线Fig.2e–lgpcurvesunderdifferentcementcontents图3压缩指数及修正压缩指数与水泥添加量的关系Fig.3Relationshipamongcompressionindex,modifiedcompressionindexandcementcontents原泥和10%水泥添加量的固化污泥与正常土的e–lgp压缩曲线不同，其压缩曲线基本为直线型，表明污泥不存在前期固结压力，而添加10%水泥的固化污泥水化反应程度较低，不能形成较为完整的固化体，压缩曲线也基本为直线型，属于欠固结土。而随着水泥添加量的增加，其压缩曲线逐步向正常土体的e–lgp压缩曲线转变，表明水泥的加入使得污泥逐步形成团聚化的结构，出现类似“固结应力”的作用。从图3中可以看出，无论是原泥还是固化污泥，其压缩性都相当的高，原泥的压缩指数达到了2.45，即使添加30%水泥的固化污泥，压缩指数也达到了0.71，属于典型的高压缩性土。一般的软黏土压缩指数小于0.5[7]，河道淤泥的压缩指数约0.516[9]，垃圾土的修正压缩指数约为0.1～0.37[10-11]，本文原泥及不同水泥添加量下固化污泥修正压缩指数分别为0.38，0.36，0.23，0.22，和垃圾土较为接近。而且当水泥