（岩土工程专业论文）脱水污泥的环境与工程性质及其填埋处置方法研究.pdf

脱水污泥的环境与工程性质及其 填埋处置方法研究 s t u d yo ne n v i r o n m e n t a l a n d e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e sa n d l a n d l f i l lo fc i v i ls l u d g e 一级学科：盔王猩 学科专业：蚩王捏 作者姓名：扬昌民 指导教师：闺鲎壁熬援 天津大学建筑工程学院 二零零六年五月 中文摘要 脱水污泥的填埋处理是比较符合中国国情的处置方式。本文从环境岩土 工程的角度，采用试验研究、理论分析和数值模拟的方法，对脱水污泥的环 境与工程性质进行了系统的研究，并以粉煤灰、粉质粘土和石灰等作为固化 材料，对脱水污泥的填埋特性进行了改良，内容如下： 对当前国内外脱水污泥的处置方法进行了比较研究，总结了各种处置方 法的优缺点，提出污泥填埋是比较适合中国国情的处置途径。针对污泥填埋 存在的技术难题，提出用固化材料改良脱水污泥的填埋特性，进行单独填埋。 石灰、粉质粘土和粉煤灰的加入，改良了污泥的填埋特性。经过一定时 间的养护，固化污泥强度完全可以达到填埋处理标准。通过对体积安定性观 察，发现石灰的加入对于提高试样的体积安定性有利。通过正交试验，发现 在本研究中，质量相同的粉质粘土的固化效果优于粉煤灰，原因可能是粉煤 灰的活性在污泥这种特殊的环境下没有被激发出来。 微观结构的研究表明，固化材料的加入提高了污泥密实度。土颗粒面积 和土颗粒周长是两个可以有效应用与土体微观结构研究定量研究的参数。土 体的密实度评价可以通过土体微观结构中的面积参数来实现，较大的面积参 数对应着土体较大的密实度，土颗粒周长可以用来对土颗粒之间的联系进行 定量的描述，周长小的土体联结更紧密。 不同的固化材料对渗滤液影响的差异较大。添加石灰的填埋柱的渗透性 最大，渗滤液的产生量最大，p h 值最高，渗滤液的c o d 值远高于其它污泥 填埋柱。石灰一方面使固化污泥中的c u 离子趋于不稳定；另一方面，对污 泥中的z n 离子具有固化作用。而粉煤灰和粉质粘土对渗滤液的影响则相对 较小。 对不同地质条件下污染物的运移规律进行了数值模拟。研究表明，吸附 函数、渗透系数和水力梯度对污染物的运移具有显著的影响。在常见水力梯 度条件下，当渗透系数较小时，污染物的运移以弥散为主，污染晕接近圆形， 污染晕半径较小。当渗透系数增大达到l 1 0 4 州s ，流速较大，对流在运移过 程中居于主要地位，污染晕显著扩大。 为了使填埋场的纳污量 x d i s p e r s i o nc o n t r o l st h et r a n s p o r t w h i l et h ep e r m e a b i l i t yw a si m p r o v e dt o 1 1o 4 m s c o n v e c t i o nc o n t r o l s t h et r a n s p o r ta n dt h ec o n t a m i n a t e da r e aw a s e x p a n d e ds i g n i f i c a n t l y l i f ee x p e c t a n c yi sa ni m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e ro f l a n d f i l l t oi m p r o v et h e c a p a c i t va n dl i f ee x p e c t a n c yo fl a n d f i l l ，t h es l o p er a t i oo f l a n d f i l lw a so p t i m i z e d w i t hd i f f e r e n tc o m p u t a t i o nm e t h o d so fs l o p es t a b i l i t y i tw a sr e v e a l e dt h a t ，w h e n t h es l o p er a t i oo f1 ： 4 1 ：5w a sa d o p t e d ，t h ec a p a c i t i e so fl a n d f i l lc a nr e a c h t h em a x i m u mv a l u ea st h es t a b i l i t yo fs l o p ec a nb es a t i s f i e da tt h es a m et i m e - k e y w o r d s ：s l u d g e e n v i r o n m e n t p r o p e r t y , e n g i n e e r i n gp r o p e r t y , l a n d f i l l ， m i c r o s t r u c t u r e ，c o n t a m i n a t i o n ，s l o p es t a b i l i t y i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作 ， w 汐啐 学位论文版权使用授权书 月l 日 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的 规定。特授权苤鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一二l 易鸟 签字目期渺多年月l 日 导师虢飞l m 叹 签字日期：仉力多年月2 一日 第蠢蓁墅塾霎雾霎矍喜釜薹至雾薹蠹 幻爨为汹瓤致薪萋搴暖雾。i 矍。 冀著蜀揣型擎萝i 菱鹩蠹泥萋喇骱藜羹羹萋淫澹谣矍期戮蜓溥泣；翠尘 鼾霎墙里互雾转薹； 毫? 喜? 襄嘴淄强丝鋈参 塞萋一| 墓s 攀藿曛羹 i；善 耋 蠢 鍪 霉萋羹薹 馨翮囊霎i ；耋妻j 蚕! 交塞。li 哩j 塞i 嘉；，萤! 主骘= 冀l 矍三一i 霎? 羹；妻薹i 冀i 萋萋j ；! 霎姜。争 主隧i 翼； 筐鬟妻j 霪霾辇享，雪毒主薹：薹 第一章前言 有机质的混合物。 在非特指环境下，污泥一般指市政污泥。 市政污泥是污水处理后的副产品，是一种由有机残片、无机颗粒、胶体 等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的0 3 一0 5 ( 质量) ， 如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍，污水处理的效率提高必然导致 污泥量的增加，根据掌握的资料，目前我国城市污水处理厂每年排放干泥3 0 1 0 4 吨，而且以每年大约l o 的速度增长。 1 1 2 市政污泥的分类 市政污泥可以分为以下几类： ( 1 ) 、初沉污泥。含水率在9 8 9 9 2 左右，呈流动状态，生物性质不稳 定。 ( 2 ) 、剩余污泥。 ( 3 ) 、浓缩后的污泥。含水率在9 7 左右，呈流动状态。 ( 4 ) 、消化污泥。含水率为9 6 左右，呈流动状态，生物性质相对稳定。 ( 5 ) 脱水污泥。含水率为7 0 8 0 ，不能流动但很潮湿，呈泥饼状。 ( 6 ) 干化后的污泥。含水率可以降低到1 0 左右，呈粉末状或者颗粒 状。 ( 7 ) 焚烧后的污泥。污泥经过焚烧处理后成为灰渣，基本不含水分。 本研究所指的污泥是污水处理厂经过常规脱水后的脱水污泥。 1 2 污泥处置方法概况 目前常用的几种污泥处置方案的基本情况如下： 1 2 1 污泥农用 污泥直接回用于农田或者经过堆肥后回用农田不但可以为植物生长提 供氮磷钾等营养元素，而且可以提供植物生长必需的一些微量元素，如c a 、 m g 、z n 、c u 、f e 等，施用于农田可以改良土壤结构，在世界各国都有实践。 污泥农用的特点为： ( 1 ) 可大量处置污泥，原则上只要污泥达到国家有关标准就可用于农 田。 ( 2 ) 污泥参与农田的物质循环过程，污泥中的n 、p 、k 、有机质及微 量元素是良好的农用肥料，对农作物有增产作用。 2 第一章前言 1 2 3 污泥焚烧 污泥中含有一定的热值，表1 2 是城市污泥和其它燃料热值的对比。 污水污泥的发热量相当煤炭的3 6 4 ，属低值燃料。污泥的焚烧必须首先进 行干化或半干化，在引燃时添加少量辅助燃料，其后可以达到自燃。采用先 进的热交换系统，可以依靠污泥焚烧所产生的热能进行干化，其热量可以满 足大部分甚至全部干化的需要。未经干化或半干化处理的污泥焚烧由于过多 的水份将难以点燃，其热量平衡为负数，即必须添加燃料才能维持焚烧。 焚烧处置主要分为两大类：一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一 类是将脱水污泥先干化再焚烧。污泥焚烧要求污泥有较高的热值，因此污泥 一般不进行消化处理。第一类直接焚烧工艺可焚烧7 5 8 0 含水率的污泥， 为了保证污泥的稳定燃烧，并对污泥含水率的波动具有一定的适应性，一般 都需掺入辅助燃料( 煤或油) 。普通的焚烧方法必须掺入大量的辅助燃料来稳 定燃烧，且燃烧效率和热效率低。近年来，国外发展生产了污泥专用循环流 化床焚烧炉，通过尽可能多地回收燃烧烟气中的热量，把辅助燃料的添加量 减至最低。该种焚烧炉具有燃烧效率高、燃料适应性广、燃料预处理系统简 单等一系列优点，并且燃烧后灰渣易于实现综合利用。 表l l ：城市污水处理厂污泥与其它燃料发热量对比表 燃料种类 发热量与百分比 发热量( k j k g )百分比( ) 煤炭 3 3 0 0 01 0 0 焦炭 3 1 5 0 09 5 5 褐煤 2 4 0 0 0 7 2 7 木材 1 9 0 0 05 7 6 泥煤1 8 0 0 05 4 5 城市污水厂 初沉污泥1 0 7 1 5 一1 8 9 2 03 2 5 5 5 1 二沉活性污泥 1 3 2 9 5 1 5 2 1 54 0 3 4 6 1 混合污泥 1 2 0 0 5 1 6 9 5 73 6 4 5 1 4 污泥焚烧的优点在于其产物为无菌无臭的无机残渣，实现了无菌化和减 量化，一般人口稠密的沿海及岛屿国家( 如日本和新加坡) 比较注重污泥焚 烧技术的研究和开发，早在1 9 8 4 年，新加坡的技术人员就发现取自新加坡各 4 第一章前言 个污水厂的污泥在5 5 0 燃烧时是自燃的：加拿大的技术人员也发现经过适 当预处理的污泥在焚烧过程中完全达到了热能的自持。1 9 9 5 年日本有近5 0 的污泥采用焚烧方法处置【2 1 。 在所有的污泥处置途径中，焚烧方法产生的剩余物最少，而且无异味。 其缺点是高成本和可能产生的污染( 废气、噪声、震动、热和辐射) 。焚烧的 成本一般是其它处置途径的2 4 倍。 因此，焚烧主要在以下两种情况中应用： ( 1 ) 由于污泥的性质或量大不能农用时。 ( 2 ) 现有的填埋体积不足时。 污泥焚烧作为最彻底的处理方法，在国外，特别是西欧和日本已得到广 泛的应用，在国内由于其一次性投资和处理成本大、焚烧烟气需进一步处理 等问题而一直未得到应用。 1 2 4 污泥投弃 沿海地区可考虑把生污泥、消化污泥、脱水泥饼或焚烧灰投海。污泥投 海，在国外有成功的经验也有造成严重污染的教训。根据英国的经验，污泥 ( 包括生污泥、消化污泥) 投海区应离海岸l o k m 以外，深2 5 m ，潮流水量 为污泥量的5 0 0 - 1 0 0 0 倍。投海污泥最好是经过消化处理的污泥。投海的方 法可用管道输送或船运，前者比较经济。 投海处置污泥曾被英国、日本等沿海国家较多采用，但由于不可预见因 素影响以及全球一体化观念的增强，己受到越来越强烈的反对。英国从1 9 9 8 年开始已明令禁止污泥投海处置，日本污泥投海处置量也在逐年减少。 1 2 5 污泥工业化利用 污泥工业化利用途径包括以下几个方面： ( 1 ) 干污泥颗粒：发电厂燃料掺合料，污泥干馏提取焦油焦碳、燃料 油和燃气等。 ( 2 ) 污泥焚烧灰：水泥添加剂，污泥砖、污泥陶粒等建筑材料。由于 焚烧灰的化学成分与制砖粘土的化学成分比较接近，因而利用污泥灰部分取 代粘土和水泥等，按照质量分数比焚烧灰：粘土：硅砂= 1 0 0 ：5 0 ：1 8 制成 建筑材料，其抗压性能基本上保持不变，但是由于费用高，加上缺乏长期跟 踪监测数据，人们对产品的安全性产生怀疑，仅在日本、新加坡等国有少量 投产，主要用于建筑通道、人行道一类的构筑物 2 1 。 ( 3 ) 污泥细菌蛋白：制造蛋白塑料，胶合生化纤维板等。 第一章前言 ( 4 ) 污泥气：燃料，动力燃料，制造四氯化碳、有机玻璃树脂、甲醛 等化工产品。 目前，限于通过污泥生产的产品的出路没有解决好，因此，污泥工业化 利用的比例比较低，暂时还不可能成为污泥处置的一条主要途径，但是随着 科学技术的不断发展，人们对再生产品认识的改变，污泥工业化利用的比例 将增加【3 i 。 1 2 6 污泥填埋 污泥填埋处置的基本方式是城市污泥经过简单灭菌处理，直接倾倒于低 地或谷地制造人工平原。它的好处之一是污泥无毒无害化，处理成本低，不 需要高度脱水( 或自然干化) ，二是既解决了污泥出路问题，又可以增加城市 建设用地。 污泥的卫生填埋始于6 0 年代，是在传统填埋的基础上从保护环境角度 出发，经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格的管理制度和科学的 操作方法。污泥消化后经脱水再进行填埋是目前国内许多大型污水处理厂中 常采取的方式，经过消化后的污泥有机物含量减少，性能稳定，总体积减少， 脱水后作填埋处置是一种比较经济的处理方式。到目前为止，已发展成为一 项比较成熟的污泥处置技术，其优点是投资少、容量大、见效快。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着污泥农用标准日趋严格，欧盟许多国家如法 国、意大利、丹麦等因污泥农用比例不断缩减，污泥填埋有增加的趋势，其 中，法国污泥填埋量高达污泥总产量的8 0 ；据日本1 9 9 4 年的资料统计， 日本通过陆地和海洋填埋的污泥量为1 4 4 x1 0 6 t a ，占总发生量的6 2 7 ； 而美国1 9 9 2 年采用填埋方法处置的污泥也达到了总发生量的3 5 ，但由于 填埋技术对污泥的土力学性质要求较高，同时，。随着污泥量日益增多，大面 积选址日益困难，一些国家如美国、英国、日本等污泥填埋的比例有所缩减。 对于广大发展中国家来讲，尤其是污水处理率比较低的国家，在未来一 段时期，填埋仍然是垃圾和污泥处置不可避免的途径。对于不能资源化而必 须从使用循环中排除的废物，填埋是目前唯一的最终处置途径。 然而，城市污泥卫生填埋也存在许多问题，如填坑中含有各种有毒有害 物，经雨水的浸蚀和渗漏作用污染地下水环境，这对以地下水为生活水源的 地区来说是不安全的卫生问题。此外，适宜污泥填埋的场所因城市污泥大量 的产出而显得越来越有限。据一份关于污水污泥情况调查报告预测，到2 0 0 5 年，欧盟国家的污泥卫生填埋场所仅能容纳污泥总产量的1 7 。 污泥作卫生填埋处置时，除了要考虑城市周围是否有适合填埋的低地或 6 第一章前言 谷地之外，理应考虑到环境卫生问题。建设污泥卫生填埋场如同生活垃圾卫 生填埋场一样，场址需选择在地基渗漏系数低且地下水位不高的区域，填坑 铺设防渗性能好的材料，卫生填埋场还应配设渗滤液收集装置及净化设施。 1 2 7 污泥处置实践 为避免污泥对环境的二次污染，各国政府对污泥的最终处置问题十分重 视，发达国家由于工业化的进程早，受这个问题困扰的时间较长，并根据本 国国情制定出了具体的污泥处置方案，污泥的最终出路不外是部分或全部资 源化利用或以某种形式回到环境中去，目前，发达国家处置污泥的主要方法 有：( 1 ) 回用于农业耕地，包括牧场和可耕地；( 2 ) 回用于农业土地，包括 森林、花园和社交场地( 操场、高尔夫球场、公园和空地) ；( 3 ) 污泥填埋， 包括与城市垃圾混合填埋和单独填埋；( 4 ) 海洋处置( 欧盟已于1 9 9 8 年立法 禁止该种处置措施) ；( 5 ) 一些小范围的污泥利用方法，包括污泥制砖、污泥 制生化纤维板、污泥制陶粒等；( 6 ) 污泥焚烧。 一些主要发达国家污泥产生量及处置方法见表1 1 。 表1 2 欧共体各国1 9 9 2 年的污泥产生量和处置方法1 4 i 国家农业( )填埋( )焚烧( )海洋( ) 其它方式 比利时 2 95 51 5o1 丹麦 5 42 02 4o2 法国 6 02 02 000 德国2 75 4 1 4o 5 希腊 1 09 0 o oo 爱尔兰 1 2 4 5 03 58 意大利 3 35 5 2 5 k n m 2 ，有时为了达到这一强度，必须投加石灰进行后续处理 14 1 ，这种 处理增加了污泥处置的成本，为此，有的国家设置了专用的污泥填埋场，根 据污泥的含水率及力学特性等因素进行专门填埋。 污泥填埋前，必须经过脱水工序，如果是普通脱水工艺，脱水后污泥含 水率在8 0 左右，必须加入填充剂才能达到污泥填埋所需要的力学指标，增 多了填埋场所需要的面积；如果采用高干度脱水填埋工艺，脱水后污泥含水 率在6 5 左右，一般可以直接填埋【1 5 】。 不同的污泥对填埋的适宜性是不一样的，它取决于污泥的物理化学性质 及对环境产生的影响，各种污泥对填埋的适宜性见表2 一l 。 由表可以看出，不论是单独填埋还是混合填埋，填埋前最好要经过脱水、 石灰调理或者其它措施。 1 3 2 污泥单独填埋的技术难点 当污水处理厂距离垃圾填埋场比较远，或者垃圾填埋场不愿意接受污泥 时，污泥必须单独填埋，单独填埋使填埋场更加专业化，但是污泥单独填埋 中也存在着一些技术难题，主要土力学性质( 一般用抗剪强度表示) 很差不 适于填埋。 大多数废水污泥既不是牛顿流体，也不是塑性流体一般认为是半塑性流 体，污泥的流变性质、触变性质对于污泥填埋设备的选择、填埋体的压实程 度、填埋体的稳定都是非常重要的。一般地，当s s 3 0 k p a 由表2 2 可以看出，城市污水处理厂的污泥投加电解质脱水后，含固率 一般在2 0 3 0 之间，其强度一般在1 0k p a 左右：根据有些研究，投加聚合 物电解质经带式压滤机货殖离心脱水机脱水后，含固率3 5 的污泥其抗剪强 度一般不会超过2 0 k p a ，含固率2 5 的污泥其抗剪强度不会超过6 k p a ，含固 率2 0 的污泥其抗剪强度在5 k p a 左右，因此，脱水后的污泥一般不能满足 填埋要求的最低强度，还必须通过增加添加剂、降低含水率或者其它方式提 高抗剪强度来满足填埋对强度的最低要求。 脱水后的污泥如果不用添加剂直接填埋，就不能大面积用机械操作连续 填埋，也不能保证填埋体的稳定性，结合国内外为数不多的有关文献，从价 廉易得、尽量减少污泥填埋场对周围环境的影响，尽量延长填埋场寿命三个 角度出发，提出粉质粘土、石灰、电厂粉煤灰三种固化材料，通过进一步研 究确定合适的固化材料。 1 7 第= $ & 良* 填4 特性的t 研究 粘土。 本研究采用微型十字板和无侧限抗压强度触探仪 国彳 图2 1 微型十字扳围2 2 ：无侧限抗压童度触探仪 测量十字板强度时，首先将刻度调零选择一处表面平整的土样，将十 字板叶片插入土中，深度与叶片高度相等，然后维持竖向压力不变，缓慢顺 时针扭转手柄，使土样在5 1 0 秒内破坏最后缓慢放松手柄，读取刻度算 得十字板强度。测量无侧限抗压强度时。首先将无侧限抗压强度触探仪压力 指示环推至顶部，然后将触探头缓慢压入土中至指定深度，取出探头读取压 力指示环刻度，从而计算得到无侧限抗压强度。 2 渗透系数测量 渗透系数采用变水头法测得，使用南5 5 渗透仪。试验装置如图2 3 所示： 变水头渗透试验，应按下列步骤进行： 、将装有试样的环刀装入渗透容器，用螺母旋紧，要求密封至不漏水 不漏气，并进行抽气饱和。 o 、将渗透容器的进水口与变水头管连接，利用供水瓶中的水向进水管 充满水，并渗入渗透容器，开排气阀，排除渗透容器底部的空气，直至溢出 水中无气泡，关捧气阀，放平渗透容器。 0 、向变水头管注水，使水升至预定高度，待水位稳定后开进水管夹， 使水通过试样，当出水口有水溢出时开始测记，记录起始水头和起始时间， 按预定时问间隔测记水头和时间变化，并测记出水口的水温。 、将变永头管中的水位变换高度，待水位稳定再进行测记水头和时间 变化。重复试验5 6 次。 第章改良日泥填4 特性的试验研究 图2 3 ：变水头试验装置 渗透系数按式( 2 1 ) 计算： 忙2 3 知鲁 协。， 式中扩变水头管截面积， a 试样面积， l 渗径，等于试样高度， h l 开始时水头 h 2 结束时水头 3 含水量测量 含水量按烘干法测定。首先称取称量盒的重量，取代表性试样少许放入 称量盒内，测得盒重和湿土重m 之和，用电子天平测( 图2 4 ) 重量。然后 打开盎盖，在7 5 。摄氏度恒温环境中烘烤至干燥采用天津市中环实验电炉 有限公司生产的d l 1 0 2 型电热鼓风干燥箱( 图2 5 ) 。 图2 4 电于天平囝25d l 一1 0 2 型电热鼓风干爆箱 馘 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 2 。4 固化材料性质 2 4 1 试验用土的性质 土是工程中最常见的一种建筑材料，本次试验中采用的土为常见的粉质 粘土。 土颗粒大小分析试验，试验结果如下： 表2 - 4 - 1 ：筛分记录计算表 烘干土质量- - - - 2 0 0 9 累加质量= 2 0 0 9 4 9 筛底土质量= 9 9 2 2 0 9筛底土质量所占总质量百分比= 4 4 4 小于该孔径土百分比 孔径( m i l l )筛上留土质量( g )小于该孔径土质量( g ) ( 4 0 ) 2 0 2 7 22 0 0 6 6 89 9 9 1 0 2 6 52 0 0 4 0 39 9 7 0 5 3 5 9 l1 9 6 8 1 29 7 9 o 2 5 2 2 7 7 41 7 4 0 3 88 6 6 0 0 7 5 8 4 8 1 8 8 9 2 24 4 4 表2 - 4 - 2 ：比重计法记录计算表 于土质量：垫g试样处理说明：煮沸后加入1 0m l4 的六偏磷酸钠溶液 时间( 分钟)比重计读数温度( )沉降距离粒径( m m )小于该粒径小于该粒径 ( c m )占试样百土占整体百 分比( )分比( ) l3 0 o2 0 o1 3 0 0 0o 0 4 9 0 3 59 9 o4 4 0 52 2 52 0 01 5 1 0 00 0 2 3 7 0 47 4 33 3 o 3 01 4 02 0 o1 7 4 8 00 0 1 0 4 5 24 6 22 0 5 1 2 09 52 0 o1 8 7 4 00 0 0 51 9 53 1 41 3 9 1 4 4 0 4 52 0 o2 0 1 4 0o 0 0 1 6 1 61 4 9 6 6 根据表2 4 ，可以绘出土的级配曲线如图2 7 。 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 8 0 2 0 、 l j | 1j 、 、 弋 j j 图2 7 土颗粒级配曲线 按照前述试验方法进行，对每种界限含水量平行进行了3 组试验，试验 结果如下： 表2 - 6 ：界限含水量试验记录计算表 试验目的 盒重盒+ 湿土盒+ 干土湿+ 雷 干土重 含水量 盒号平均含水量 ( g )( g )( g )( g )( g )( ) 2 2 2 91 3 1 91 8 9 8 41 7 9 65 7 9 44 7 72 1 4 7 1 3 5 1 8 7 0 8 1 7 7 7 2 5 2 0 84 2 7 22 1 9 1 2 1 52 1 4 3 1 3 2 1 9 2 6 91 8 2 0 96 0 6 95 0 0 92 1 1 6 2 2 6 4 2 2 7 51 3 52 0 3 5 61 8 5 7 36 8 5 65 0 7 33 5 1 5 1 3 4 91 8 9 1 21 7 4 9 25 4 2 24 0 0 23 5 4 8液限3541 1 0 7 1 3 4 21 9 2 9 01 7 7 4 75 8 74 3 2 73 5 6 61 1 5 l 2 4 2 生石灰 建筑用的生石灰的主要成分是c a o ，根据生石灰中m g o 的含量不同， 分为钙质石灰( m g o 含量5 ) 和镁质石灰( m g o 含量 1 5 ) ，根据国家 有关标准，生石灰分为三级，即优等品、一等品和合格品，对作为填埋场固 化材料的生石灰的要求不高，一般合格品即可达到要求。 2 4 8 粉煤灰 从燃煤锅炉烟囱收集下来的烟灰称为粉煤灰。粉煤灰是一种高度分散的 2 4 j | | j | | | | | | | | _ + 1 | | | | 1 叶州十 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，粒径1 5 0 微米，根据颗粒形 状可分为球形颗粒与不规则颗粒。球形颗粒又可分为低铁质玻璃微珠与高铁 质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的差异，则可分出飘珠，轻珠和沉珠； 不规则颗粒包括多孔状玻璃体，多孔碳粒以及其他碎屑和复合颗粒。以上各 颗粒非常细小，只有借助s e m ( 扫描电子显微境) 才能详细观察其形态特征。 粉煤灰的活性又叫“火山灰活性”，其本身无水硬性，在潮湿的环境中， 可以和c a ( o h ) 2 等发生反应，生成一系列水化产物，这些水化产物无论在空 气中，还是在水中都能硬化产生明显的强度。但是粉煤灰的活性是潜在的， 需要激发剂激发，才能发挥出来，激发剂可以是石灰、石膏，也可以是硅酸 盐 2 6 】- 【3 0 】 皿 。 我国粉煤灰目前年排放量为1 0 7 0 0 万吨。虽然“六五”和“七五”期间，粉 煤灰的利用率由2 0 提高到3 0 ，技术水平也在不断的提高，但目前我国粉 煤灰利用技术及装备还比较落后，综合利用工作开展的也很不平衡，所以多 年来未被利用的粉煤灰累计堆存量己达5 亿多吨，占地2 0 万亩，对生态环境 造成了很大威胁。因此，开展粉煤灰综合利用，“化害为利，变废为宝”，保 护环境就成为我国的一项长期技术经济政策。以粉煤灰作为固化材料，正可 以起到以废治废的作用。 2 4 4 污泥 污泥来自某污水处理厂，该处理厂为二级处理厂，剩余污泥经过浓缩、 消化后脱水，采用带式脱水机。 试验工程中从该厂共取样两次，第一次时间为2 0 0 3 年8 月3 0 日，所取 污泥用于单一材料的固化方案试验、三种材料的固化方案试验和渗滤液试验； 第二次为2 0 0 4 年3 月8 日，所取污泥用于两种材料的固化方案试验。 对固体污泥的无机组分进行化学全分析的结果： 表2 - 6 ：固体污泥的无机成分 污泥成分s i 0 2a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a om g on a 2 0 k 2 0s 0 3 试样a 4 8 9 21 3 7 36 8 61 0 5 8 5 6 91 5 21 9 62 9 1 试样b 4 6 2 21 4 2 47 7 81 0 7 66 2 41 4 22 2 92 1 4 它的无机成分基本上类似粘土矿物，而它的有机成分则主要和污泥的来 源有关，就本次研究而言，污泥有机成分占总固体总量的3 5 左右。s i 0 2 与a 1 2 0 3 的比值接近4 ，与蒙脱石( m o n t m o r i l l o n i t e ) 接近，这也解释了其低 渗透性，高液限，高塑性指数等性质。 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 将污泥和三种固化材料分别按1 ：o 5 、1 ：o 7 5 ，l ：1 混合后放入搅拌 机，待搅拌均匀后将试样放入塑料袋中密封保存，分别测9 种混合物的渗透 系数，容重，含水量等性质。 2 5 1 初始含水量测定 试样搅拌完毕的同时取少量试样测其含水量，测量结果如表2 7 。 从测量结果来看，纯污泥的含水量相当高，这也从一个方面解释了其天 然强度极低的原因，不能直接填埋的原因。掺入石灰等材料之后，含水量下 降幅度较大，且下降幅度随掺入量的增加而增加。 表2 7 ：固化污泥初始含水量 湿土重 干土重含水量 平均含水量 土样盒号 ( g )( g ) ( )( ) 2 3 8 62 ，1 1 20 3 5 44 9 6 6 1 污泥 3 8 8 7 8 2 2 7 54 7 7 71 2 5 42 8 0 9 4 1 1 6 82 4 3 71 7 8 23 6 7 6 粉煤灰 3 5 2 7 2 1 4 32 3 5 31 7 5 93 3 7 7 2 3 0 l4 1 0 3 3 3 9 3 2 0 9 3 土2 1 0 4 1 1 2 67 2 8 65 9 7 92 1 8 6 1 2 9 22 6 8 11 9 8 33 5 2 0 石灰 3 2 9 8 2 2 6 82 2 9 21 7 5 33 0 7 5 1 3 3 54 6 9 5 2 2 6 61 0 7 1 9 污泥：石灰( 1 ：1 ) 1 0 8 8 9 2 2 5 37 6 5 93 6 3 7l l o 5 9 1 3 4 37 4 4 03 4 4 61 1 5 9 0 污泥：石灰( 1 ：o 7 5 ) 1 1 6 3 9 2 2 1 66 6 4 73 0 6 51 1 6 8 7 1 1 5 l3 4 5 31 3 41 5 7 6 9 污泥：石灰( 1 ：o 5 ) 1 5 2 6 4 2 1 6 8 7 3 5 8 2 9 7 2 1 4 7 5 8 2 1 0 25 5 8 5 2 6 1 81 1 3 3 3 污泥：粉煤灰( 1 ：1 )1 1 3 6 3 1 1 0 72 4 2 61 1 3 41 1 3 9 3 2 1 6 l5 2 4 12 3 2 11 2 5 8 1 污泥：粉煤灰( 1 ：0 7 5 ) 1 2 6 2 9 2 1 7 72 6 6 91 1 7 71 2 6 7 6 1 3 4 4 3 8 0 81 4 7 l1 5 8 8 7 污泥：粉煤灰( 1 ：o 5 )1 5 5 5 0 1 2 1 44 1 3 51 6 4 01 5 2 1 3 2 2 9 03 2 1 21 6 4 49 5 。3 8 污泥：土( 1 ：1 )9 6 4 9 2 1 5 63 6 1 41 8 2 99 7 5 9 1 3 9 33 1 6 41 5 2 71 0 7 2 0 污泥：土( 1 ：o 7 5 ) 1 0 7 0 3 2 2 7 83 1 1 1 1 5 0 4 1 0 6 8 5 1 3 7 23 3 6 71 5 1 91 2 1 6 6 污泥：土( 1 ：0 5 ) 1 1 9 5 5 1 3 0 65 。0 1 42 3 0 61 1 7 4 3 2 7 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 2 5 2 容重测量 称取环刀质量，将试样填入环刀中，用钢丝锯刮平后称取质量，根据环 刀的容积，环刀容积为1 1 9 6 厘米3 ，计算试样的容重，结果见表2 8 ： 表2 - 8 ：固化污泥容重 污泥与土污泥与石灰污泥与粉煤灰 试验项目 l ：o 5l ：o 7 5l ：ll ：o 5l ：o 7 5l ：ll ：0 5l ：0 7 5l ：l 容( g c m 一3 ) 1 3 1 31 3 6 31 4 1 31 3 1 31 3 2 51 3 7 11 2 0 41 2 7 91 3 1 7 试样的容重随着掺和材料的增加而增长。容重的增长来自于两个方面， 一是本身掺和材料的容重就高于污泥，比如土；二是掺和材料填充了污泥的 孔隙而使其结构较掺和前变得致密，比如粉煤灰。 2 5 3 渗透系数测量 采用变水头法测渗透系数，试验设备采用南5 5 渗透仪，测量结果见表 2 9 。 表2 - 9 固化污泥渗透系数 污泥与土污泥与石灰污泥与粉煤灰 试验项目 1 ：0 5l ：0 7 51 ：ll ：0 51 ：0 7 5l ：ll ：0 5l ：o 7 5 l ：1 渗透系数k l o ( x1 0 。8 c m s ) 7 2 65 5 57 4 01 0 41 2 32 6 7 1 0 6 3 1 7 1 8 0 从渗透系数的数量级看，固化污泥的渗透性依然不高。对于渗透性的提 高，三种掺和物的作用由弱到强的顺序为：土、粉煤灰、石灰。对石灰而言， 掺入量越多，渗透性提高越大；而土和粉煤灰对渗透性的影响则呈现一定的 波动性。 2 5 4 含水量与时间关系 初始试样由于含水量很高，因此强度极低。为此，将拌和试样置于盆中， 静置于室内待其自然风干，分阶段测量其强度和含水量，以观测其强度和含 水量随时间的变化规律。 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 | - 卜污泥) ：- ( 土) = 1 ：o 5 卜m污泥) ：日( 石灰) = 1 ：o 5 卜污泥) ：1 1 ( 粉煤灰) = l ：o 5 05 1 01 5 蠡蠡 2 5妻妻耋垂 时间( d ) 图2 - 9 a 配合比为1 ：0 5 试样的时间含水量曲线 051 01 52 0 时间( d ) 图2 - 9 b 配合比为1 ：0 7 5 试样的时间含水量曲线 1 2 0 1 1 0 1 鬟 。 咖 * 缸 7 0 垂垂 051 01 5蠹曩妻妻重量塞塞妻妻 时间( d ) 图2 - 9 c 配合比为1 ：1 试样的时间含水量曲线 悯伽佃伽伽m伽孢 x v 栅* 如 伽懈伽伪m 伽弛 装v 捌* 钲 第三章固化污泥的微观结构及其定量分析参数研究 3 5 2 颗粒周长对土体微观结构的意义 对于某些土体而言，比如处于施工期的土体，在受荷载作用的时候，体 积并不发生变化或者是变化很小，但其受荷载作用以后，从微观结构的角度， 土体结构的改变是不可忽略的，而且这种改变对土体的强度等工程性质常常 会产生较大的影响。 受力前受力后 图3 - 1 3 不同士颗粒周长的土体 如图所示的土体，在荷载的作用下，虽然其密实度( 图上表示为土体颗 粒的面积) 并没有发生改变，但其土颗粒之间的结构关系却发生了很大的变 化，图中表现为土骨架形状的改变。如图所示，由于受荷载作用前后土颗粒 的面积并没有发生变化，因此，单纯采用面积这一参数是不能充分描述土体 微观结构的。 针对单纯的土颗粒面积这一参数的局限性，本文提出土颗粒周长这一微 观结构的描述参数，对上图所示的土体而言，受荷载作用后其周长发生了显 著的增加，同时也可以看出，土颗粒之间的连接也不及受荷载作用前紧密。 这说明土颗粒周长可以用来对土颗粒之间的联系进行定量的描述。 土颗粒周长的获得也比较容易，在进行扫描电镜的试验后，对对微观图 像进行二值化处理，然后应用相应的图形处理软件就可以实现。因此，土颗 粒周长也是评价土微观结构的有效参数。 3 6 本章总结 微观结构的研究表明，固化材料的加入迅速降低了污泥的含水量，提高 了其密实度和强度。固化污泥密实度的提高，除了含水量降低的原因外，石 灰中的c a ( o h ) 2 和土粒表面或者是与粉煤灰中和污泥无机成分中少量的活性 氧化硅和氧化铝发生水化反应是主要原因。但是，由于污泥中有机物含量较 6 3 x 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 2 5 2 0 凸i _ 。1 5 趟 骥 辎1 0 蚪 。卜5 o 051 01 52 02 53 03 54 0 时间( d ) 图2 1 0 c 配合比为1 ：1 试样的时间十字板强度曲线 由图2 1 0 可以看出，不管采用何种配合比例，三种固化材料与污泥形 成的混合试样十字板强度均低于1 0 k p a ，不能满足单独填埋的要求，还需要 让其自然风干，使含水量降低，十字板强度逐步提高。 从图来看，试样的十字板强度随着时间的推移而增长，到达一定的时间 后，一般都能满足填埋要求。强度的增长一方面源于含水量的减小使土颗粒 之间的结合水膜变薄，另一方面是因为试样有类似于混凝土的龄期。 2 5 6 无侧限抗压强度与时间关系 厶 l 瑙 慧 h 篁 蝠 醛 暮 限 051 01 5 2 02 53 03 5 时间( d ) 图2 1 1 a 配合比为1 ：o 5 试样的时闫无侧限抗压强度曲线 撕枷拗寻伽伽懈伽伽扣。锄 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 ，、4 0 山 _ v3 0 魁 嘿 幽2 0 辖 匿 暮1 0 恨 0 51 01 5 时间( d ) 图2 - 1 1 b 配合比为1 ：0 7 5 试样的时间无侧限抗压强度曲线 0 51 01 5 2 02 53 0 3 5加 时间( d ) 图2 - 1 l c 配合比为1 ：1 试样的时间无侧限抗压强度曲线 由图2 1 1 可以看出，不管采用何种配合比例，三种固化材料与污泥形成 的混合试样无侧限抗压强度均低于l o k p a ，不能满足单独填埋的要求，还需 要让其自然风干，使含水量降低，无侧限抗压强度逐步提高。从图来看，试 样的十字板强度随着时间的推移而增长，到达一定的时间后，一般都能满足 填埋要求。 3 2 筋 惦 竹 0 0 生v趟黑幽堰匿承求 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 从图2 1 2 来看，当含水量小于9 0 之后，强度对含水量的变化敏感，曲 线变得比较陡峭。而且相同的含水量，较小的掺和量可以获得较大的强度， 可以这样来解释：较小的掺和量试样有较大的初始含水量，因此达到一定的 含水量所消耗的时间比大掺和量试样所消耗的时间，雪? 霎“型熏鬻蜣蓁瓣藐醣0 奏| l 蓁 目 嚣 耄 释放污染物，污染物的总量不 断增加，随着填埋场使用时间的增加，污染物的释放量会趋于稳定，填埋场 封场一段时间后，污染物量会逐渐下降。通过对污泥填埋场渗滤液的性质进 行研究，探讨渗滤液性质随时间推移和固化材料不同而产生的变化，以了解 不同固化材料对污泥渗滤液性质的影响，从而为科学地预测渗滤液的水质， 为渗滤液处理工程的设计和运行提供参考依据 。 4 1 渗滤液研究试验设计 4 1 1 试验装置 本研究通过填埋柱试验来研究渗滤液性质。采用4 根p v c 柱子，柱内径 6 0 0 r a m ，柱高度1 5 0 0 m m ，顶部预留加样口，底部预留采样口，采样口距柱 底l o o m m 。柱的下部装高度为2 0 0 m m 的粗砂，粗砂的上部装5 c m 的细砂， 细砂的上部分别加入污泥和污泥土、污泥石灰和污泥粉煤灰的混合物。 loo oj 图4 -1 渗滤液收集装置 一 一 厂 第二章改良污泥填埋特性的试验研究 3 0 ，、2 5 生2 0 鏊佰 趟 蝠1 0 嗟 鬣s 0 7 08 09 01 0 0”0 1 2 0 含水量( ) 图2 1 3 c 配合比为1 ：1 试样的含水量无侧限抗压强度曲线 图2 1 3 与图2 1 2 是相似的，因此不再赘述。 应该说明的是，为了探索试验方法，试验不都是同时进行的，因此各试 样的时间并不完全一致。测量时间从2 0 0 3 年9 月2 4 日至2 0 0 3 年1 1 月2 6 日，试样不是同步测量，测量时间如下： 污泥：土= 1 ：l9 月2 4 日1 1 月1 日 污泥：石灰= 1 ：19 月2 8 日1 1 月1 日 污泥：粉煤灰= 1 ：19 月2 8 日1 1 月1 日 污泥：土= 1 ：0 。7 51 0 月3 0 日1 1 月2 6 日 污泥：石灰= 1 ：0 7 51 0 月3 0 日1 1 月2 6 日 污泥：粉煤灰= 1 ：0 7 5 1 0 月3 0 日1 1 月2 6 日 污泥：土= l ：0 5l o 月1 0 日1 1 月l o 日 污泥：石灰= 1 ：0 51 0 月1 0 日1 1 月1 0 日 污泥：粉煤灰= 1 ：0 51 0 月1 0 日1 1 月1 0 日 2 5 9 体积安定性观察 污泥与土的混合物，在拌和的初期，膨胀现象很明显。以污泥：土= 1 ： 1 为例，拌和七天后完成膨胀基本完成，测得膨胀率为8 5 3 ，见图2 1 4 。 但是随着含水量