（市政工程专业论文）不同添加剂对污泥填埋土工性质及稳定化的影响研究.pdf

山东建筑大学硕士论文 摘要 随着我国污水处理的快速发展，污水厂污泥的排放量也随之增加，污泥处理 和处置问题日益严重。由于污泥具有含水率高、强度低、持水能力强、散发恶臭 等特点，脱水污泥无法进行直接填埋。 本实验以上海市白龙港污水处理厂污泥( 一级强化混凝沉淀污泥) 为对象进 行了实验室研究。针对污泥填埋中存在的问题，探索在污泥中掺加矿化垃圾、粉 煤灰、建筑垃圾、泥土这四种添加剂后，污泥承压性能、抗剪性能、边坡稳定性、 卫生条件以及渗透性随添加剂掺入比例的变化，最终确定一种最佳的填埋比例来 确保污泥日常填埋操作能正常进行，并确保堆体的稳定性。同时采用室内反应柱 模拟试验，研究了添加剂对污泥产气规律、渗滤液降解规律、污泥自身降解规律 的影响。经过一年半的研究工作，得出如下结论： 一级强化混凝沉淀污泥的含水率在7 4 左右，值为5 1 5 8 ，污泥的初始 强度非常低：抗压强度小于8 k p a ，抗剪强度小于5 k p a ，不能满足填满的最低强 度要求，同时污泥的渗透系数小于2 0 7 1 0 m s 。将污泥晾晒失水，测量不同 含水率污泥的抗压强度和十字板抗剪强度，发现污泥的强度随着含水率的降低而 升高，当含水率降到6 4 时，污泥的抗压强度和十字板抗剪强度增大到5 0 k p a 和 2 5 k p a ，可以满足填埋的强度要求。进一步的直剪试验也验证了含水率对污泥强 度的影响，而且含水率与污泥内摩擦角呈反比。同时随着含水率的降低，污泥的 臭度也在降低。 将污泥与其它四种添加剂分别按照质量比1 0 ：1 、1 0 ：3 、1 0 ：5 、1 0 ：7 、 1 0 ：1 0 、1 0 ：1 5 均匀混合，发现随着添加比例的增高，污泥的抗压强度和抗剪 强度都逐步增加，当污泥和添加剂的馄合比为1 0 ：7 时，污泥的抗压强度均达到 5 0 k p a ，能够满足填满所要求的抗压强度指标；污泥抗剪强度要达到十字板抗剪 强度一 2 5 k n m 2 ，需要添加剂与污泥的掺混比不同，粉煤狄和建筑垃圾需要7 ： 1 0 ，矿化垃圾和泥土需要1 0 ：1 0 。添加剂能不同程度的增大污泥的渗透系数， 粉煤灰的效果最好，当掺混比为1 0 ：1 0 时，渗透系数能够达到1 03 c m s 这个数 量级，矿化垃圾和泥土的效果基本一致，都能使污泥的渗透系数有明显的增大。 山东建筑大学硕士论文 同时掺入添加剂对污泥臭度都有不同程度的改善作用，其中矿化垃圾和粉煤灰的 效果要好些，当掺混比为1 0 ：5 时，污泥臭度己降至2 0 ，达到可以忍受的程度， 矿化垃圾的效果稍差些，泥土和建筑垃圾对臭度的改善作用不是很好。 掺入添加剂能加速污泥降解进程，掺加添加剂污泥的渗滤液中各污染指标比 原污泥的明显降低，掺加添加剂能改善污泥的产气条件，掺加矿化垃圾、泥土和 粉煤灰能使污泥产气速度加快且c h 。含量增高，建筑垃圾中由于存在木屑，与其 它三种添加剂相比，它对污泥降解的影响略有不同。与在室温下相比，污泥在 3 5 下的降解速度明显加快，产气量也明显增大。 关键词：污泥，填埋，土工性质，稳定化进程，添加剂 山东建筑大学硕士论文 a b s t r a c t s l u d g ei sap r o d u c tr e s u l t e df r o mb i o l o g i c a la n dc h e m i c a lt r e a t m e n to fs e w a g e a n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e r s r e c e n t l y , t h es l u d g eq u a n t i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r e ，t h e t r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo ft h es l u d g eg e tm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h er a p i di n c r e a s e o fw a s t e w a t e rq u a n t i t y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e w a t e r e ds l u d g ee a r ln o tb el a n df i l l e d b e c a u s eo fi t shj 曲w a t e rr a t i o , l o wi n t e n s i o n ，t h ee m i s s i o no fe v i ls m e l l ，e t c t h i sp a p e rs t u d i e dt h es l u d g eg e n e r a t e di nb a i l o n g g a n gs e w a g et r e a t m e n tp l a n t i nt h el a b t oa i ma td i r e c t l ya tt h eq u e s t i o n sl i s t e da b o v e ，t h ea b i l i t yt ou n d e r t a k e p r e s s u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gs h e e r i n gf o r c e ，t h es l o p es t a b i l i t y , t h es a n i t a t i o n a n dt h ep e r v a s i o np e r f o r m a n c ea l li m p r o v ew i t ht h ei n c r e a s er a t i o n so fa g e dr e f u s e ， f l ya s h ，b u i l d i n gg a r b a g ea n ds o i l ，r e s p e c t i v e l y a tl a s t ，t h eb e s tr a t i o nw a sa p p l i e dt o t h el a n d f i l lo ft h eg a r b a g et ok e e pt h es t a c ks t a b l e a tt h es a m et i m e ，ar e a c t o rw a s d e s i g n e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo nt h ep r o d u c t i o no fg a s ，t h ed e g r a d a t i o no fl e a c h a t e ， t h ed e g r a d a t i o no fs l u d g eo fa d d i t i v e s t h er e s u l t sa r e ： t h ew a t e rc o n t e n to ft h es l u d g ei s7 4 ，v mi s5 1 5 8 ，t h ei n i t i a li n t e n s i o ni s l o w , a n dt h ei n t e n s i o no fr e s i s t i n gp r e s s u r el e s st h a n8 k p aa n dt h ea b i l i t yt o a n t i s h e e t i n gf o r c ei sl e s st h a n5 k p aw h i c hm a k et h es l u d g eu n s u i t a b l ef u rl a n d f i l l t h ei n t e n s i o no fr e s i s t i n gp r e s s u r ea n dv a n es h e a rs t r e n g t hw e r em e a s u r e du n d e r d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t n er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e n s i o ni n c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s eo fw a t e rc o n t e n t ，a n dt h ei n t e n s i o no fr e s i s t i n gp r e s s u r ea n dv a n es h e a r s t r e n g t hw e r e5 0 k p aa n d2 5 k p ar e s p e c t i v e l ya t6 4 w a t e rc o n t e n tw h i c hm e e tw i t h t h ec o n d i t i o no fl a n d f i l l t h ef u r t h e re x p e r i m e n ta l s op r o v e dt h ea b o v er e s u l t s ，a tt h e s a m et i m e ，t h ei n t e m a lf r i c t i o na n g l ei n c r e a s e da n de v i ls m e l ll e s s e n e dw i t ht h ew a t e r c o n t e n td e c r e a s eo fs l u d g e b o t ht h ei n t e n s i o no fr e s i s t i n gp r e s s u r ea n dv a n es h e a rs t r e n g t hi n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s er a t i oo fa d d i t i v e si nt h em i x t u r ea m o n gt h er a t i o n s ：1 0 ：1 、1 0 3 、1 0 ：5 、 1 0 ：7 、1 0 ：1 0 、1 0 ：1 5 ，a n dt h ei n t e n s i o no fr e s i s t i n gp r e s s u r ea c h i e v e d5 0 k p aa t1 0 ：7t h a t s a t i s f i e dt h er e q u i r e sf o rs l u d g el a n d f i l l ；t om a k et h ev a n es h e a rs t r e n g t hg r e a t e rt h a n i i i 山东建筑大学硕士论文 2 5k n m z , t h er a t i oo ff l ya s ha n db u i l d i n gg a r b a g et os l u d g es h o u l db ee x c e e d7 ：1 0 a n da g e dr e f u s ea n ds o i lt os l u d g es h o u l db ee x c e e d1 0 ：1 0 a d d i t i v e sc a l li n c r e a s et h e p e r v a s i o nc o e f f i c i e n ta td i f f e r e n te x t e n t i nt h i sa s p e c t ，f l ya s hi sb e t t e rt h a no t h e r sa n d a g e dr e f u s ea n ds o i la r en e x tt of l ya s h a d d i t i v e sc a ra l s or e d u c et h ee v i ls m e l l ，f o r a g e dr e f u s ea n df l ya s h ，e v i ls m e l lr e d u c e dt o2 0a tt h er a t i oo f1 0 ：5w h i c hi s e n d u r a b l e ，t h ee f f e c to fs o i la n db u i l d i n gg a r b a g ei sn o te v i d e n to ni t t h ea d d i t i v ec a na c c e l e r a t et h ed e g r a d a t i o no fs l u d g ea n dt h ec o n t a m i n a t i o n i n d e xo fl e a c h a t eg e n e r a t e dd u r i n gt h ec o u r s eo fl a n d f i l lw i t ha d d i t i v ei so b v i o u s l y l o w e rt h a nt h o s ew i t h o u ta d d i t i v e s t h ea d d i n go fa d d i t i v e sc a na l s oi m p r o v et h eg a s q u a n f i t gt h ea e r o g e n e s i ss p e e da n dt h ec h 4c o n t e n ti n c r e a s e du n d e rt h ec o n d i t i o no f a g e dr e f u s e ，s o i la n df l ya s h b u i l d i n gg a r b a g ei n f l u e n c et h ed e g r a d a t i o no fs l u d g ea t d i f f e r e n tw a y c o m p a r e dw i t ht h r e eo t h e ra d d i t i v e s c o m p a r e dw i t ht h ed e g r a d a t i o na t a m b i e n tt e m p e r a t u r e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t ei sf a s t e ra n dg a sq u a n t i t yg e n e r a t e dd u r i n g t h ec o u r s ei sm o r e k e yw o r d s ：s e w a g es l u d g e ，l a n d f i l ld i p o s a l ，g e o t e c h n i c a lp r o p e r t i e s ， s t a b i l i z a t i o np r o c e s s ，a d d i t i v e s i v 山东建筑大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其它教育 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。 研究生签名 山东建筑大学学位论文使用授权声明 山东建筑大学送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保 密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权山东建筑大学研究生处办理。 一躲氩绛燧名埤巡肜 山东建筑大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 我国污泥处理与处置现状 1 1 1 污泥概述 1 、污泥的定义 在城市污水的处理过程中，必然产生的大量的污泥，污泥通常是指主要由各 种微生物以及有机、无机颗粒组成的絮状物。 2 、污泥的来源 污泥的来源主要有以下几种途径：一是来自污水处理厂的市政污泥，这也是 数量最大、污染最严重的一类污泥；二是来自排水系统的管网污泥；三是工业污 水处理产生的工业废水污泥；四是给水处理产生的给水污泥；五是来自江河湖泊 的淤泥。 3 、污泥的成分 污泥成分很复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥砂、纤维、动植物 残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机 物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质。简单的 说，污泥是污水中的固体物质。 污泥的主要特征是含水率高，有机物含量高，容易腐化发臭，并且颗粒较细， 比重较小，呈胶质状液体状态。 污泥中含有植物生长所需要的氮、磷、钾等营养元素以及维持植物正常生长 发育的多种微量元素和能改良土壤结构的有机物及腐殖质；所含的有机物和腐殖 质也是一种有价值的有机肥料。同时也含有多种病原菌、寄生虫卵、重金属及某 些难降解的有机物。由于污水来源，污水处理工艺及季节的不同，污泥的组成差 异较大【”。 污泥中的重金属含量随处理污水的种类不同而有所变化。各个污水处理厂的 污泥中的重金属元素的含量主要取决于城市污水中工业废水的种类及所占比重 1 2 1 1 3 1 。 4 、分类 由于污泥的束源及水处理工艺不同产生的污泥性质不一，污泥的种类很多， 山东建筑大学硕士论文 分类也比较复杂，目前一般可按以下方法分类【4 l 。 按来源分 污泥主要有市政污泥、管网污泥、工业废水污泥、给水污泥和淤泥。 按污泥的成分和某些性质分 污泥可分为有机污泥和无机物泥；亲水性污泥和疏水性污泥。生活污水处理 产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典型的有机污泥，其特点是有 机物含量高( 6 0 8 0 ) ，颗粒细( 0 0 2 0 2 r a m ) ，密度小( 1 0 0 2 1 0 0 6 9 e r a 3 ) ， 呈胶体结构，是一种亲水性污泥，容易管道输送，但脱水性能差。化学沉淀污泥 及沉砂池产生的污泥大都属于无机物泥，它的特点是有机物含量少、颗粒粗、密 度大、含水率低，一般呈疏水性，容易脱水，但流动性差，不易管道输送。 按处理方法和分离过程分 污泥可分为沉淀污泥( 包括物理沉淀污泥、混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥) 及生物污泥。其中生物污泥按照处理方式不同可分为浓缩污泥( 含水率9 7 左右， 呈流态) 、消化污泥( 含水率9 6 左右，呈流态，生物性质相对稳定) 、脱水污泥 ( 含水率7 0 8 0 ，不能流动，但强度很低) 。 本试验所用的污泥来自上海市白龙港污水处理厂脱水后的一级强化混凝沉 淀污泥。 1 1 2 我国污泥处理与处置的严峻现实 污泥是污水处理过程中不可避免的副产物，随着我国工农业发展、城市化进 程的加快和人民生活水平的日益提高，城市生活污水的产量在飞速增加，而随着 政府与公众环境意识的增强，以及相关立法的日趋完善和严厉，废水处理率在日 益升高和由此产生的污泥量也在日益升高。 2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量为2 2 1 1 亿吨，生活 污水排放量为2 6 1 3 亿吨。2 0 0 4 年城市污水处理率达到4 5 6 7 ，产生的污泥有 5 3 0 0 力吨( 2 0 0 4 年中国环境状况公报) 。 城市污泥的出路问题是目前污水处理厂都感到十分头疼的问题，但是污泥处 置是整个污水处理系统中的一个重要环节，如果污泥处置不当，本来从污水中分 离出柬的污染物又会以各种形式回到环境中去，投巨资兴建和运行的污水处理厂 也就丧失了本束的意义，相对于污水处理而言，我国的污泥处置技术从理论到实 2 山东建筑大学硕士论文 践上均处于起步阶段，还比较落后，各种处置途径的技术参数还非常模糊，还不 能为污泥处置提供科学正确的指导。因此，解决污泥填埋问题具有很高的实际应 用价值，将产生巨大的经济、环境和社会效益。 1 2 污泥处理与处置方法 污泥处理与处置与其它固体废物处理处置一样，都遵循减量化、稳定化、无 害化、资源化的原则。为达到此目的，通过各种装置的组合，构成种种污泥处理 处置的工艺。 1 2 1 污泥填埋 污泥填埋是污泥处理与处置的重要方法之一，它分为单独填埋和混合填埋， 在欧洲脱水污泥与城市垃圾混合填埋比较多，而在美国多数采用单独填埋。根据 有关资料，在欧共体内约有4 0 的污泥通过填埋处置，希腊、德国和法国各有 9 7 、6 3 和5 0 的污泥通过填埋处置，而美国( 2 0 0 1 年) 约有1 7 的污泥通过 填埋处置【5 l 。 污泥能否填埋取决于两个因素：污泥本身的性质，主要是土力学性质； 填埋后对环境可能产生的影响。当污泥单独填埋时，一般要求污泥的抗剪强度是 8 0 1 0 0 k n m 2 。一些污泥因为土力学性质很差而无法进行填埋操作，有些污泥填 埋后会因产生严重的气味而影响环境，有些污泥在填埋前必须经过适当的预处 理。 在混合填埋场中，一般脱水污泥与垃圾的比例小于1 ：1 0 ，在该比例下污泥 一般不会影响填埋体的稳定。但根据德国的资料，当脱水后的污泥和垃圾混合填 埋时，仍然要求污泥的含固率必须大于3 5 ，抗剪强度必须大于2 5 k n m 2 ，为了 达到这一强度，必须投加石灰进行后续处理，这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胜等因素进行专门 填埋。 污泥填埋的优点是投资少、处理容量大、见效陕，对污泥的卫生学指标和重 金属指标要求还比较低，但它也存在一些问题，如合适的场地不宜寻找，污泥运 输和填埋场地建设费用较高，填埋场容量有限，有害成分的渗漏可能会对地下水 造成污染，填埋场的卫生、臭气问题造成二次污染，污泥中含有的营养物质还会 山东建筑大学硕士论文 使大量病原菌繁衍。 1 _ 2 2 污泥焚烧 城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素木质素。焚烧正是利用污泥 中有机成分较高、具有一定热值等特点来处置污泥。脱水后的干污泥发热量约为 8 3 6 k j k g ，均可进行焚烧处理【6 i r l 。污泥焚烧的原理是在高温和气相充分有氧的 条件下，使污泥中的有机质发生燃烧反应，反应结果使有机质转化为c o , 、h 2 0 、 n 2 等相应的气相物质，反应过程释放的热量则维持反应所需的温度条件，使处 理过程能持续进行下去。 按照所焚烧污泥种类的不同，污泥焚烧工艺又可分为两大类：一类是直接焚 烧，即将脱水污泥直接送往焚烧炉焚烧；一类是干化焚烧，它是指将脱水污泥进 行干化处理后再进行焚烧。直接焚烧工艺一般是指焚烧含水率为7 5 8 0 的脱水 污泥。由于含水率这么高的污泥的低位热值通常很低，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，直接焚烧工艺一般都需要在焚烧炉中 掺入一定量的燃料( 煤或油) 以供辅助燃烧。直接焚烧工艺的燃烧效率和热效率 一般较低，若采用直接焚烧工艺，焚烧设备通常采用循环流化床【8 】。 焚烧优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化，污泥焚烧后的残渣 无菌、无臭，减量率可达到9 0 左右，其有机物被完全氧化，重金属( 除汞外) 几乎全被截留在灰渣中，使运输和最后处置大为简化。且在恶劣的天气条件下不 需存储设备，既解决了污泥的出路问题又充分地利用了污泥中的能源，而且污泥 不需要作杀灭病原菌的处理。 但焚烧存在以下几个问题：投资和操作费用较高，焚烧的成本是其它工艺 的2 4 倍，因此，在经济尚不发达的中国，污泥焚烧尚难以迅速推广；在焚 烧过程中产生飞灰、炉渣和烟气，研究发现，在焚烧的灰渣中，尤其是飞灰( 有 毒有机污染物高出及渣几个数量级) 中含有较多c d ，p b 及其它重金属，属于危 险废弃物，若处理不当，容易渗漏而污染地下水体、附近地表水体和土壤，进而 危害人类健康，在排放的烟气中含有二恶英和呋喃等剧毒物质，产生二次污染； 从废物资源化的角度来看，污泥中的有用成分未得到充分利用，浪费了大量有 利于植物生长的营养元素。 4 山东建筑大学硕士论文 1 2 3 污泥投海 投海是利用水体消纳城市污泥，一般不需要进行严格的无毒无害化处理，也 无需脱水便可直接排入水体，而且容量很大。英国2 0 世纪8 0 年代初开始采用此 法，随后被日本、美国等沿海国家采用，但由于这一处理方式并未从根本上解决 环境问题，对环境卫生及水体造成了严重的污染，对海洋生态系统和人类食物链 也已造成威胁，污泥投海受到越来越强烈的反对，国际公约已明令禁止。原欧共 体在1 9 9 1 年5 月颁布( d i r e c t i v ec o n c e r n i n gu r b a nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ) ) 中指出： 在1 9 9 8 年1 2 月3 1 日起，不得在水体中处置污泥。而美国早在1 9 8 8 年就已禁止 污泥投海，并于1 9 9 1 年全面施行。中国政府于1 9 9 4 年初接受3 项国际协议，承 诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废弃物和污水污泥1 9 1 1 1 0 l 。 1 2 4 污泥土地利用 污泥农用被认为是一种积极、有效的污泥处置方式。这种方式主要是将污泥 用于农田等施肥，垦荒地、贫瘠地等受损土壤的修复及改良，园林绿化建设，森 林土地施用等。污泥中含有丰富的有机营养成分如氮、磷、钾等和植物所需的各 种微量元素如c a 、m g 、c u 、z n 、i c e 等，其中有机物的浓度一般为4 0 7 0 ， 其含量高于普通农家肥，因此能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进作物的生 长，稳定化、无害化后的污泥还可以促进根的生长发育及其渗透的特性，减少寄 生虫的攻击，降低植物对于杀虫剂、除草剂等药物的依赖，而且土壤的自净能力 还可使污泥进一步无害化。 污泥如能合理利用，将是非常有价值的资源。在国外，污泥及污泥堆肥作肥 源农用已有多年的历史。欧共体成员国及美国的污泥总产量的4 0 左右施用于农 田，而挪威还颁布了相关法规旨在提高污泥土地利用的比率【l l 】。我国对城市污泥 农用资源化的理论研究与实践均相差甚远，但京、沪、滓等地的污泥农用也有二 十几年的历史。 在污泥农用方面，主要有直接施用和间接施用两种方法：直接施用是把未经 处理的污泥直接施用于农田，这种方式成本低，简单易行，但却忽视了潜在的环 境问题，而且污泥未经稳定化、无害化处理，含有害成分，不利于作物的生长。 间接施用是指污泥厌氧消化、堆肥或制成复合肥料后施用，这也是污泥农用的主 山东建筑大学硕士论文 要方式【1 2 】f 1 3 1 。 1 、厌氧消化 厌氧消化是目前国际上常用的污泥生物处理方法，即污泥中的有机物在厌氧 的条件下被厌氧菌群最终分解的过程。污泥经厌氧消化后，达到减量化的目的， 同时还回收一部分能源，减轻后续处理负担。 目前常用的工艺包括常规中温厌氧消化、单级高效中温厌氧消化、两级厌氧 消化、中高温两相厌氧消化。它能最大限度地降解污泥中的有机物，工艺能耗低， 对病源菌具有相当程度的灭杀作用等优点。但其局限性在于设备投资较高，工艺 复杂，操作难度大，停留时间长【1 4 1 。 2 、堆肥处理 堆肥处理是将要堆沤的污泥按一定的比例混合，借助于混合的微生物群落， 在潮湿的环境中对多相的有机废物进行分解。污泥经过高温堆肥进行生物发酵技 术处理后，把有机废物转化为稳定性较高的腐殖质，可达到无害化和资源化。它 一方面借助堆肥产生的高温加快分解速度有效地杀死病原微生物及各种蠕虫卵。 另一方面通过添加调理剂、膨胀剂以改善污泥的胶体团粒结构，降低含水率；同 时由于污泥的进一步腐殖化，植物可利用的养分增加，重金属的生物有效性减小， 大大提高了肥料的利用价值。污泥经过堆肥后也可以再加入一定比例的无机肥， 调整堆肥中氮、磷、钾的比例，制成复合肥料使用的，增加堆肥的肥效i 廿1 。 污泥农用需要注意其中所含有的重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物等有 害成分。未经稳定化、无害化处理而滥用污泥有可能造成二次污染，进而通过食 物链危害人体健康。因此污泥必须经过无害化、稳定化处理，达到标准后方能施 用农田。 为了规范污泥的农用，欧盟颁布并实施了污泥农用标准，规定了病原菌及六 种重金属的含量标准，一些成员国制定了更加严格的农用标准。与欧盟不同的是 美国环保暑制定的“5 0 3 ”规则，对各种污泥的处置方法规定了单一的控制标准。 我国政府对于运用农业的污泥必须符合农业制定的农用污泥中污染物质控制标 准( g b 4 2 8 4 - - 8 4 ) 的要求。2 0 0 0 年5 月2 9 日，建设部、国家环境保护总局和科 技部联合发布的城市污水处理及污染防治技术政策( 城建 2 0 0 0 1 1 2 4 号) 第七 条“二次污染防治”部分规定：“城市污水处理厂经过稳定化处理后的污泥，用 6 山东建筑大学硕士论文 于农田时不得含有超标的重金属和其它有毒有害物质。”1 1 5 1 采取何种方式处置污泥，因国家和地区科技水平、经济状况和自然环境的不 同而异。从环境污染、卫生安全和经济有效等方面考虑，无论那种处置方式都存 在利弊。我国与发达国家在技术水平及经济发展水平上尚有一定的差距，污水厂 污泥的性质也与国外不尽相同。 考虑到污泥的卫生学指标、重金属指标难以满足农用标准，而且限于我国的 经济实力，目前还不可能投入大量的资金用于污泥焚烧，因此污泥填埋是一种折 中的选择，它投资少、容量大、见效快，通过将污泥与周围环境的隔绝，可以最 大限度地避免污泥对公众健康和环境安全造成威胁，既解决了污泥的出路问题， 又可以增加城市建设用地。可以预测，在未来一个时期内填埋仍然是我国主要的 污泥处置方式【1 6 1 。 1 3 国内外污泥填埋技术研究现状 国内对污泥填埋的研究比较少，赵乐军、张华等在污泥填埋方面做过研究 1 1 7 1 1 8 1 。国内研究较多的是污泥堆肥农业利用。国外进行过这方面的研究，有相 关的实际运行经验，可以作为本课题研究的参考。 1 3 1 污泥填埋的形式与原理 污泥填埋前必须经过脱水工艺，如果普通脱水工艺，脱水后污泥含水率在 8 0 左右，必须加入添加剂或污泥深度脱水工艺才能达到污泥填埋所需的力学指 标，污泥深度脱水工艺有自然干化法和强化自然干化法，污泥的含水率在6 5 以下才可以直接填埋。 污泥填埋分为单独填埋和混合填埋，在欧洲脱水污泥与城市垃圾混合填埋比 较多，而在美国多数采用单独填埋。单独填埋又可分为三种类型：沟填、平面式 填埋、堤坝式填埋。填埋方法的选择取决于填埋场地的特性和污泥含水率。 1 、沟填 沟填就是将污泥挖沟填埋，沟填要求填埋场地具有较厚的土层和较深的地下 水位，以保证填埋开挖的深度，并同时保留有足够多的缓冲区。沟填的需土量相 对较少，开挖出来的土壤能够满足污泥日覆盖土的用量。 沟填按照丌挖沟槽的宽度可分为两种类型：宽度大于3m 的为宽沟填埋，小 7 山东建筑大学硕士论文 于3 m 的为窄沟填埋，两者在操作上有所不同。沟槽的长度和深度根据填埋场地 的具体情况，如地下水的深度、边墙的稳定性以及挖沟机械的能力所决定。 2 、平面式填埋 平面式填埋是将污泥直接堆置在地面上，再覆盖一层泥土，用作稳定污泥的 处置方法，此方法适合于地下水位较高或土层较薄的场地，其对污泥的含固率没 有特殊的要求，但由于操作机械在填埋表层操作，因此填埋物料必须具有足够的 承载力和稳定性，对污泥单独进行填埋往往达不到上述要求，这就通常需要混入 一定比例的泥土一并填埋。覆土的时间间隔由污泥的稳定性决定，对于相对稳定 的填埋物料，并不一定要求天天覆土。 3 、堤坝式填埋 堤坝式填埋是指在填埋场地四周建有堤坝，或是利用天然地形( 如山谷) 对 污泥进行填埋，污泥通常由堤坝或山项向下卸入，因此堤坝上需具备一定的运输 通道。堤坝式填埋对填埋物料含固率的要求与宽沟填埋相类似。它的最大优点在 于填埋容量大，通常规模为宽1 5 3 0 m 、长3 0 6 0 m 、深3 9 m 的堤坝式填埋 场的填埋容量为9 1 0 0 2 8 4 0 0 m 3 h a ；由于堤坝式填埋的污泥层厚度大，填埋面汇 水面积也大，产生渗滤液的量亦较大，因此，必须铺设衬层和设置渗滤液收集( 处 理) 系统。 4 、混合填埋 污泥可与城市生活垃圾或泥土混合填埋。与生活垃圾混合填埋是将污泥撒布 在城市垃圾上面，混合均匀后铺放于填埋场内，压实覆土。含固率大于3 的污 泥均可混合填埋，但在实际操作中，填埋的污泥的含固率通常在2 0 以上。其填 埋的中间覆土层厚度0 1 5 0 3 m ，表面覆土层厚度为o 6 m ，填埋容量为9 0 0 7 9 0 0 m 3 h a 。含固率大于2 0 且已稳定的污泥可与泥土按1 ：1 的比例混合( 混合 物含水率一般控制在5 0 ) ，用作垃圾填埋场的中间覆土和表面覆土，填埋容 量约为3 0 0 0 m a 。它相比于与垃圾混合填埋操作简单，并且有利于填埋场的最 终植被恢复( 污泥馄合物的植物养份含量高、有形成表土生物群落的可能) 。 上述四种填埋类型的设计参数见表1 1 。 5 、卫生填埋工艺 污泥的卫生填埋操作环节组成包括：对填埋场地作基础施工，铺设防渗层、 8 山东建筑大学硕士论文 表1 1 不同填埋类型的设计参数 污泥，垃 平面堆填平面分筑堤填污泥土 填埋方法窄沟填埋宽沟填埋圾混合 埋 层填埋埋填埋 填埋 8 0 7 2 7 2 含水率( )7 2 8 0 8 57 2 8 09 78 0 8 5 8 08 0 0 6 0 9 沟槽宽度( m ) 33 0 93 是否需要忝 否否否否是是否否否 加剂 添加剂种类土土土垃圾土 0 2 5 4 7 t 垃 0 5 ：1 添加剂比例 o 2 5 ：1 0 5 ( 土圾t 湿污 1 ：1 ( 土肟泥) 污泥1 泥 中0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 90 3 0 6 覆盖层 间o 30 30 3 厚度( m )最 0 6 0 9 0 9 1 2 0 6 0 9 1 50 9 1 2 0 6o 6 终0 91 21 21 51 2 是否需要外 否否是是是否是 运土 单位面积填 2 2 6 8 6 0 4 8 5 6 7 0 3 7 8 0 9 0 7 2 9 4 5 埋量3 0 2 4 1 0 5 8 42 7 4 0 62 6 4 6 01 7 0 1 02 8 3 5 07 9 3 8 ( m 3 泥h m 2 ) 反铲装载履带式装载履带式装铲运挖土机、挖土机、带盘拖 机、挖土机、机、拉铲挖载机、反机、平推土机、履带式拉机、 挖沟机掘机、铲运铲装载土机、铲运机装载机平土 应用设备 机、推十机机；铲远履带式机，履 机装载机 带式装 载机 防渗膜，其上设穿孔p v c 管网，管网上铺设2 m m 厚的砾石保护层；以挡土墙 的形式开辟填埋单元：在砾石基础上以挡土墙的形式形成相对独立的填埋单元； 填埋操作程序：先将污泥倒入单元，自然沉降2 4 小时后以履带式推土机整平 9 山东建筑大学硕士论文 压实，覆盖3 0 5 0 c m 厚的粘土层，以一定的间隔打通气井；填埋区雨水和污 水引流处理：填埋区地表水来源于降雨、污泥沉降和压实出水和渗滤水，雨水进 入污水管道会增加污水处理装置的压力，因此应分流。雨水分流主要通过填层覆 盖形成缓坡和场地环形雨水沟道来实现，污永由收集管网汇集后进入处理站处 理。 1 3 2 污泥填埋中存在的一些问题 1 、填埋容量低 污泥单独填埋的单位面积土地的污泥容量是较低的( 最大为2 8 m 3 m 2 ) ，而 城市生活垃圾一般的填埋面积容量均大于l o m 3 m 2 ，对于山谷型填埋甚至可高达 5 0 m m 2 。污泥单独填埋的面积容量限制主要来自于污泥缺乏填埋处置所必需的 土力学稳定性( 一般以泥饼内聚力( 剪切力) 计需大于l o k p a ) 。 污泥开沟填埋通过提供对污泥堆体的侧限保护使其达到土力学稳定的要 求；平面式填埋通过掺加泥土或分层填埋来保证填埋堆体的稳定性，但显然是以 牺牲面积容量为代价：堤坝式污泥单独填埋采用的堆体稳定措施与平面式填埋相 似，但在堤坝高度以内进行填埋使堆体滑移稳定性控制的要求有所降低，因此其 填埋面积容量在各种污泥专用填埋方式中是最高的。 2 、填埋操作困难 污泥的含水率商，承压能力低，无法承受普通填埋作业机械的推平和碾压。 同时污水污泥渗透系数太小( 2 5 k n m 2 无侧限抗压强度 5 0 k n m 2 ( 1 ) 抗压强度 污泥能够填埋，首先要保证承压能力良好，能保证在推铺和压实过程中推土 机和压实机可以正常工作而不下陷，在垃圾填埋场的实际操作中，作业机械的最 大对地压力为5 0 k p a 左右，上海市老港填埋场作业机械的最大对地压力为5 2 9 l 【p a ( o 5 4 k g f c m 2 ) 1 9 1 ，因此实验中只要能使污泥的承压能力达到5 0 k p a 即可认为满 足填埋场机械作业要求，也满足污泥填满时的抗压强度( 无侧限抗压强度 5 0 k n m 2 ) 。这是改善污水厂污泥土工性质最重要的一个方面。 ( 2 ) 抗剪强度 污泥填埋另一个主要因素就是污泥的体积安定性，这涉及到污泥的抗剪强 度。目前国内还没有关于填埋污泥强度的标准，可以作为参考的有两个标准： 德国污泥填埋时要求的十字板抗剪强度二， 2 5 k n m 2 ； 直剪性能。这就涉及到污泥的内摩擦角多和内聚力c ，在土力学上，一般 根据土体堆角与土自身的内摩擦角砂的关系来确认土体是否是安全的，在考虑到 一定安全系数的同时，如果土体堆角小于土自身的内摩擦角西时，可认定土体是 安全的。水电部碾压土石坝设计规范( s d j 2 1 8 。8 4 ) 的规定，取斜坡的安全系 数为1 3 。i r e n em c l o 等人1 3 2 1 通过对一级强化混凝污泥填埋研究后，认为考虑 山东建筑大学硕士论文 到实验室研究与实际填埋操作存在差异以及污泥降解后内摩擦角可能变小等因 素，认为当污泥填埋堆角小于内摩擦角妒的7 5 时，堆体是稳定的。 在第二个标准中没有硬性规定内摩擦角驴和内聚力c 的值，只是规定了一个 最小的安全系数，这在实际的操作中，根据不同的填埋场地、不同的操作方式来 确定满足填埋所需的污泥最小内摩擦角毋和内聚力c 。 内摩擦角多和内聚力c 在土木工程上广泛应用，通过传统的直剪试验即可获 得，在这里我们把它引用到污泥填埋上，作为一个非常重要的控制参数。 ( 3 ) 渗透系数 前文中已经提及过，污水厂污泥渗透系数非常低，在1 0 m s 这个数量级上， 而且污泥的持水性非常的高，易吸水浆化，特别是污泥经雨水浸泡后，整个填埋 区域如沼泽一般，长时间不易干化，影响填埋操作。污泥的渗透性低，填埋场内 渗滤液的循环速度就变得非常缓慢，污泥的降解和稳定化速度会减慢。因为污泥 的渗透系数低和持水性高都与污泥的有机质含量高，质地细密有关，所以在实验 中尝试通过掺加添加剂来增加污泥的渗透系数、降低持水性。 ( 4 ) 固结特性 垃圾填埋场沉降是一个非常复杂的过程，污泥填埋后会在自身重量覆盖层和 外部荷载的作用下发生压缩变形，将导致场内空隙率的减小：压缩过程中，小颗 粒填埋物向大颗粒填埋物空隙的充填等同样使得垃圾填埋物的体积缩减。土力学 中大量理论被用来描述垃圾填埋场的沉降特性，对软粘土而言，土体的固结是引 起其沉降的主要因素。对于污泥填埋固结特性的研究国内还比较少，为准确模 拟垃圾填埋场沉降特性，需要在实验室进行研究，获得理论描述数据，为预测填 埋场的沉降，及填埋场的稳定化过程提供技术参数。 污泥填埋前必须经过脱水工艺，如果普通脱水工艺，脱水后污泥含水率在 8 0 左右，必须加入添加剂或污泥深度脱水工艺才能达到污泥填埋所需的力学指 标。根掘相关统计，采用不同调理处理工艺、脱水方式的城市污泥抗剪强度表 见表2 1 【切。 通过表2 - 1 可以看出，脱水后的污泥一般不能满足填埋的最低强度( 抗剪强 度= 2 5 k n m 2 ) ，还必须通过掺加添加剂、降低含水率或其它方式提高其抗剪强度 来满足填埋对强度的最低要求。 1 4 山东建筑大学硕士论文 表2 - i 城市污泥含固率与抗剪强度 离心脱水普通压滤脱水 调理处理工 抗剪强度抗剪强度 艺 含固率( )含固率( ) ( k n m 2 )( k n 2 ) 投加电解质2 0 3 0 5 05 0 1 0 0 聚合物调理 并用反应添 3 0 5 05 1 0 0 加剂后处理 聚合物调理 并用非反应 2 5 4 0o 5 添加剂后处 理 2 5 4 5 ( 挣固 石灰前处理 体含量) ； 应用聚合物0 1 0 0 3 0 5 0 ( 总固 调理 体含量) 4 6 6 5 ( 净固 聚合物调理 体含每) ； 并用垃圾后 3 0 5 0 8 0 ( 总固 处理 体含量) 2 2 添加剂的选择 根据国内外文献，用来提高污泥强度的材料比较多，水泥、石灰、粘土、粉 山东建筑大学硕士论文 煤灰是经常用到的材料，但是水泥和石灰的成本太高，它们主要用来固化一些有 毒有害的污泥。本研究从废物利用、以废治废的目的出发，选用粉煤灰、矿化垃 圾和建筑垃圾作为添加剂，同时还选用粘土作为添加剂，作为以上三种添加剂的 一种参照。 1 、粘土 粘土廉价易得，来源广泛，粘土的矿物成分：以水云母( 少部分高岭土) 和 石英为住，约9 0 ，含少量铁质氧化物、锰质氧化物及有机质等，约5 。 2 、粉煤灰 粉煤灰是煤炭在锅炉中燃烧所残留的灰渣，我国是煤炭资源丰富的国家，是 世界最大的煤炭生产国和煤炭消费国。以煤为燃料的火力发电迅速，发电量达 1 3 亿千瓦小时，其中火力发电占7 9 6 ，由此而产生的粉煤灰排