（模式识别与智能系统专业论文）海泡石辅助水泥固化稳定化污泥的试验研究.pdf

t h es t u d yo ns l u d g es o l i d i 6 c a t i o n s t a b i l i z a t i o nu s i n gc e m e n tw i t h s e p i o l i t ea sa d d i t i v e b y w uy a n j i e b e ( z h e n g z h o uu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a i r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf 0 rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n 锄u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry uj i a n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 歌恕表、日期：2 d i 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 诫照蕉 条弓使 日期： 日期：日日 ?歹 月月 b、o 年年f i知 矽 海泡石辅助水泥固化稳定化污泥的试验研究 摘要 随着城市人口的增加和工业的发展，城市污水的排放量日益增多，污泥的产 量也随着污水量的增加而增加。污泥具有含水率高、有机物含量高、容易腐化发 臭、以及含有大量的有毒有害难降解物质的特点，若未能进行妥善处置或者直接 排到环境中，容易对环境造成二次污染，因此污泥的安全处置已成为全球关注的 问题。 为解决我国污泥处置的问题，本文在骨架构架理论的基础上，通过向污泥中 添加水泥和其它辅助固化剂对污泥进行固化稳定化，提出了以海泡石作为辅助添一 加剂辅助水泥进行污泥固化稳定化的实用技术。 通过无侧限抗压强度试验，研究了不同的固化剂添加量、含水率、固化龄期 对强度的影响，比较海泡石和石英砂的固化效果发现海泡石固化效果更好，提出 以海泡石作为辅助添加剂的骨架构建技术。从污泥固化体强度、添加固化剂后污 泥体积的变化以及固化体干湿耐久性等几个方面进行研究，结果显示，海泡石的 掺入能保证低水泥添加量下固化体达到较高的强度，较小的体积变化以及很好的 干湿耐久性。毒性浸出试验的结果表明海泡石的掺入能降低固化污泥中铜和锌的 浸出率。 通过正交试验分析固化剂对强度的影响程度为水泥 海泡石；通过最优化设 计，得出强度和固化剂添加量的关系，以强度为约束条件并以造价最低为目标函 数，最优化后得出满足回填强度和造价最低的固化剂比例。 对污泥固化体进行x 射线衍射、电镜扫描能谱分析，对固化污泥的强度增长 机理进行初步分析，发现海泡石对固化污泥起到骨架构建作用，能吸附有机物促 进水泥的水化反应，从而提高污泥强度。 关键词：污泥；固化稳定化；骨架构建技术；海泡石；最优化：微结构分析 h 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo f p o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l ，t h ev o i u m eo f u r b a ns e w a g el n c r e a s e d ，s oa st h ei n c r e a s e so fs l u d g e h i g hm o i s t u r e c o n t e n ta n d o r g a n l cc o n t e n t ， s m e l l ya n de a s yt oc o r r u p t ，c o n t a i n i n gl a r g ea m o u n t so ft o x i ca n d h a z a r d o u sm a t e r i a l st h a th a r dt o r e f r a c t o r ya r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g e ，i fn o t p r o p e rd i s p o s a l e do ri fd i r e c t l yd i s c h a r g e di n t ot h ee n v i r o n m e n t ，i ti s e a s i l vc a u s e s e c o n d a r yp o l l u t l o nt ot h ee n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h es a f e d i s p o s a lo fs l u d g eh a s c a u s e dg l o b a lc o n c e m 1 no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo ft r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fs w e r a g e s l u d g ei n c h l n a ，b a s e do nt h es k e l e t o nc o n s t m c t i o nt e c h n o l o g y ，b ya d d i n gc e m e n ta n do t h e r a u x l l l a r yc u n n ga g e n ti n t o s l u d g e，t h ep r a c t i c a lm e t h o du s i n gc e m e n tf o rs l u d 2 e s o l i d i f i c a t i o n s t 百b i l i z a t i o nw i t hs e p i o l i t ea sa d d i t i v ew a s p u tf 0 r w a r d i h r o u g ht h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t ，d i f j 氏：r e n t c u r i n ga g e n tc o n t e n t ， w a t e rc o n t e n t ，c u n n ga g eo ns t r e n g t hw e r es t u d i e d ，t h r o u 曲t h e c o m p a r a t i o no f t h e e 士士e c to tc u r l n gs t r e n g t h b e t w e e nt h et w oc u r i n gm a t e r i a l sa sa d d i t i v e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eu s eo fs e p i o l i t ea sas u p p l e m e n td i d w e l lo np r o m t i n gt h ec e m e n t n y d r a t l o np r o c e s s ， a n dt h em e t h o du s i n gc e m e n tf 0 r s i u d g es o l i d i f i c a t i o n s t a b i l i z a t i o n w l t hs e p l o l i t ea sa d d i t i v ew a s p u tf o r w a r d l e a c h i n gt o x i c i t ye x t r a c t i o nt e s tw a s p e r t o 珊e dt oa s s e s st h es t a b i l i t yo f h e a v ym e t a l si ns 0 1 i d i 6 e ds l u d g e t h er e s u l t ss h o w t n a ts e p i o l i t er e d u c e st h e1 e a c h i n gr a t i oo fz n ， c uf r o mt h es o l i d i f i e ds l u d g e t h e s t u d l e so nc o m p r e s s l v es t r e n g t h ，v o l u m ec h a n g ea n dw e ta n dd r yd u r a t i o ns h o w e d t h a t 1 n c o r p o r a t l o no fs e p i o l i t ec a nk e e pt h es o l i d i 6 e d s l u d g ew i t hh i g hc o m p r e s s i v ea tl o w c e m e n tc o n t e n t ， l i t t l ev b l u m ec h a n g e ，a n dg o o dw e ta n dd r yd u r a b i l i t y jn o u g h o r t h o g o n a lt e s t ， t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h ef a c t o r i n n u e n c eo n s o l l d l n c a t l o nb o d yc o m p r e s s i v es t r e n g t hp r i m a f ya n ds e c o n d a r yw a s s e p i o l i t e c e m e n t ： b yo p t l m l z l n gd e s i g n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to fc u r i n ga g e n tw a s g o t ， b a s e do n1 ta sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，m a d et h ec o s tt oa m i n i m u ma so b j e c t i v ef u n c t i o n ， a t t e ro p t l m l z a t l o n ，t h er a t i oo fc e m e n ta n d s e p i o l i t ew a so b t a i n e d ，t h a ti s0 2 ：0 15 a n d u n d e rt h er a t i ot h ec o s tw a st h em i n j m u m m e c h a n i c a ld e v e l o p m e n to fs t r e n g t h0 ft h es o l i d i f i e d s l u d g ew a sr e s e a r c h e db y x r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sa n ds c a n n i n ge l e c t r 。nm i c r o s c 。p e e n e r g y d i s p e r s i v e x r a y s p e c t r o m e t r y ( s e m e d s ) a n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h es t r e n g t ho fs o l i d i f i e d h l 海泡石辅助水泥固化稳定化污泥的试验研究 s l u d g ep r o m o t e dw i t hs e p i o l i t ea sa d d i t i v ew a r em a i n l yf o ri t ss t r o n ga b s o r p t i o n ，f o r i t si n o r g a n i cp r o p e n i e st ob et h es k e l e t o nm i x i n gw i t hs l u d g ea n dc a np r o m o t et h e h y d r a t i o no fc e m e n t ，a n ds oo n k e yw o r d s ：s l u d g e ； s o l i d i f i c a t i o “s t a b i l i z a t i o n ；s k e l e t o nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ； s e p i o l i t e ；o p t i m i z a t i o n ； m i c r o s t n l c t u r ea n a l y s i s i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要j i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 污泥的产生和现状1 1 2 1 污泥的来源和性质一1 1 2 2 污泥的产量2 1 2 3 污泥对环境的影响2 1 3 污泥处置的现状2 1 3 1 污泥的填埋处置3 1 3 2 污泥的海洋消纳。4 1 3 3 污泥的焚烧处置4 1 3 4 污泥的农用4 1 4 固化稳定化研究5 1 4 1 水泥基固化稳定化研究现状6 1 4 2 辅助添加材料7 1 4 - 3 影响水泥基固化稳定化的因素8 1 4 4 骨架构建理论8 1 5 课题提出、研究内容与意义一9 1 5 1 课题提出9 1 5 2 研究内容9 1 5 3 研究意义1 0 第2 章试验材料和试验方法1 l 2 1 试验材料1l 2 1 1 污泥l l 2 1 2 固化材料1l 2 2 试验仪器和设备1 2 2 3 研究方法1 2 2 3 1 固化稳定化处理方案1 2 海泡石辅助水泥固化，稳定化污泥的试验研究 2 3 3 固化体无侧限抗压强度测定1 4 2 3 4 固化样品毒性浸出试验方法l5 2 3 5 最优化试验l5 2 3 6 耐久性试验1 6 2 3 7 微观结构分析1 6 第3 章固化稳定化试验研究：1 8 3 1 辅助固化材料1 8 3 1 1 海泡石1 8 3 1 2 石英砂1 9 3 2 固化剂添加量对强度的影响1 9 3 2 1 水泥添加量对固化体强度的影响1 9 3 2 2 海泡石添加量对强度的影响一2 0 3 2 3 石英砂对强度的影响j ：2 1 3 2 4 海泡石和石英砂对强度影响的比较2 2 3 3 固化龄期、初始含水率和强度的关系2 3 3 3 1 固化龄期对强度的影响2 3 3 3 2 初始含水率对强度的影响2 4 3 4 固化剂对污泥的稳定性研究2 4 3 4 1 固化剂对浸出液p h 的影响2 5 3 4 2 重金属的稳定性2 5 3 5 微结构分析2 6 2 6 2 9 3 3 3 4 3 4 3 4 3 6 4 l 4 2 4 3 4 4 4 5 4 7 5 2 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 污泥( s e w a g e s l u d g ) 是污水处理厂对污水进行处理后的产物，是一种性质比 较复杂的非均质体。污泥的主要特征是含水率高和有机质含量高，容易腐化发臭。 同时，污泥中还含有大量的病原菌、寄生虫( 卵) 、重金属等，若将污泥直接排放 到环境中或者是处置程度不够彻底，容易对环境造成二次污染。另外，随着污水 产量的增加，污泥的产量也是大幅增长，加上污泥本身复杂的特性，污泥的安全 处理和处置已成为当今世界各国面临的难题。目前世界各地常用的污泥处置的方 法主要有填埋、焚烧、填海和农用等几个方面，但是每一种处置的方法都有一定 的局限性。 污水处理和污泥处置是城镇污水处理厂系统中很重要的两部分，但一直以来， 污泥处置问题没有引起足够的重视，绝大多数城镇污水处理厂在开始规划和设计 的时候，就存在严重的“重水轻泥”现象。污泥得不到合理处置，已成为各污水处 理厂最头疼的难题之一。在这种大局面下，结合污泥的基本特性及其对环境的影 响，提出对污泥进行固化稳定化之后直接进行填埋或者做回填资源化利用的技 术，这不仅可以解决污泥处置中的难题，还可以进行废物利用，因此不失为一种 具有前景的处置方法。 1 2 污泥的产生和现状 1 2 1 污泥的来源和性质 随着我国社会经济的发展，城市污泥的数量在不断地增加。我国“十一五”规 划中规定，2 0 l o 年我国污水处理率达到7 0 ，届时将相应的产生7 5 0 0 1 0 4 t a 的 污泥，据有关预测，至2 0 15 年，我国城市污水处理厂的数量将达到2 0 0 0 座以 上，污水处理能力将达到每天处理污水2 亿多吨，污水处理率将达到8 0 以上1 2 1 ， 2 0 2 0 年的污水排放量将达到5 3 6 1 0 8 t d 【3 1 ，那么也将会产生1 2 8 1 0 6 t 的污泥。 初级沉淀池的污泥含水率约为9 5 ，活性污泥及好氧消化的污泥含水率约为 9 7 9 8 ，经脱水处理后的污泥含水率在7 5 8 0 之间，污泥的含水率高不利于最 终处置，并且污泥中含有大量的细菌、病毒、寄生虫卵和有毒有害物质，如氰化 物、汞、铬或者某些难于分解的有毒有机物等。 海泡石辅助水泥固化，稳定化污泥的试验研究 1 2 2 污泥的产量 污泥的产量按体积计算，通常约占污水处理量的o 3 o 5 ，按质量计算则 为污水处理量的1 2 ，如果进行深度处理，污泥的产量还会增加0 5 l 倍。 而最近几年污水厂的建设更是蓬勃发展，污废水处理的深度更是有所提高，因此 污泥产量以每年大约l o 的速度增长【3 j 。 1 2 3 污泥对环境的影晌 污泥中含有大量的n 、p 、k 、c a 及有机质，但含盐量较高并含有大量的病 原菌、寄生虫( 卵) 、重金属，同时还含有很多难降解的有毒有害物质。虽然n 、 p 、k 、c a 及有机质对植物生长提供了必须的元素，是良好的土壤改良剂和肥料， 但是有毒有害的物质对环境的影响更深远。 ( 1 ) 污泥含盐量较高，直接进行土地利用时，可能会影响土壤的导电率， 破坏植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害。 ( 2 ) 污泥中含有较多的病原微生物，主要包括大肠菌、链球菌、沙门氏菌、 痢疾菌属、等细菌，脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、肝炎病毒等致病病毒以及蛔 虫、鞭虫、内阿米虫等寄生虫。这些病原菌在污泥中的数量每克以亿计，如果处 理不当，被人接触或进入人类食物链，必然导致疾病的传播，对环境也会造成极 恶劣的破坏。 ( 3 ) 污泥中的铜、锌、铬、汞等重金属，主要来自工业排放的废水。处理 不当这些重金属可能再次溶出进入水体或土壤中，对周围的环境造成二次污染。 重金属在食物链中有富集效应，易对人的健康造成危害，因此污泥中的重金属必 须严格控制。 ( 4 ) 污泥中的有机高聚物主要有多氯联苯、二嗯英、有机氯农药、氯化苯 等，这些物质被人体吸收后，会对人体的内脏、免疫系统、生殖系统和胚胎产生 危害。西方发达国家对污泥中这些有毒的有机物进行了一定的限制，但是我国现 在还未能提出比较完善的城市污泥有机物限制标准。 1 3 污泥处置的现状 污泥处置( s l u d g ed i s p o s a l ) 是指处理后的污泥，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 p 】。城市污水处理厂污泥( 以下简称污泥) 的处理处置是污水处理最终环节，其费 用一般占污水处理厂总运行费用的2 0 5 0 ，合理处置城市污泥对污水处理厂的 工艺选择和经济效益有着重要的影响1 6 j 。 污泥处理的目的就是降低污泥的体积和含水率，使污泥易于处置，从而达到 安定化、卫生化、资源化及减量化的目标。城市污水厂污泥的处理处置途径很多， 硕士学位论文 不同的国家根据其国情侧重点也有所不同。土地利用、卫生填埋、焚烧和海洋消 纳是目前国内外最常用的污泥处置方法，表1 1 为一些国家的污泥的产量和处置 情况。 表1 1 世界各国的污泥产生量和最终处置情况【7 ，3 l 1 3 1 污泥的填埋处置 填埋处置在过去是世界各国主要的污泥处置方式，一度占有很大的比例( 约 4 0 左右) ，在我国土地填埋比例也比较高。鉴于填埋处置的过程简单、技术可靠、 成本较低、适用范围广的特点，填埋处置也是我国污泥处置的主要的方法p j 。出 厂的脱水污泥的含水量比较高( 7 0 8 0 ) ，导致污泥堆放后具有较强的流变性， 使得填埋作业面容易形成沼泽从而导致作业面不利于碾压，严重影响填埋场的有 效库容，在雨季时这种现象更加明显，有些填埋场在雨季甚至发生了塌方和井喷 的现象，严重危害了填埋场的安全，对周围的环境也带来了严重的影响。直接填 埋的污泥会产生大量的渗滤液，而污泥的细小颗粒会随着渗滤液一起流入填埋场 的渗滤液收集系统，堵塞垃圾填埋场的渗滤液收集系统叭。因此污泥填埋前必须 经过加入填充剂处理才能达到填埋所需要的力学指标，固化之后的污泥也不会堵 塞渗滤液系统收集系统。另外污泥填埋处理周期比较长，随着人口增加、土地资 源匮乏，可供填埋的场地也受到了一定的限制。一些国家和地区已经对污泥的土 地填埋实行收费制度。 海泡石辅助水泥固化稳定化污泥的试验研究 1 3 2 污泥的海洋消纳 海洋水体容量很大，倾倒海洋的污泥一般不需脱水，不需要进行任何预处理 便可倾倒，海洋消纳污泥基本没什么成本，但此法并未从根本上解决环境问题，大 量污泥投入海洋水体，超过水体的自净能力，会造成海洋水体的污染，对海洋生 态系统和海底生物产生严重影响，在全球一体化形势日趋强化的今天，污泥投海 也越来越遭到全球的强烈反对。投海处置污泥曾被英国、日本等一些沿海发达国 家较多采用，但是英国从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【l l 1 2 l 。 1 3 3 污泥的焚烧处置 污泥焚烧处理是近年来应用较为广泛的处置方式。焚烧所需要的场地少，焚 烧过程中可以彻底杀灭所有的病菌、病原体，能氧化分解有害有毒的有机残余物， 焚烧后灰渣质量为原来的1 0 2 0 ，体积减少为原来的5 1 0 ，极大的实现了污 泥的减量化。污泥焚烧后只剩下很少量的无机物成为焚烧灰，而这些焚烧灰可以 在建筑材料、道路工程、填埋场等方面加以回用，其中日本在这一方面的研究很 多f 1 3 j 。焚烧技术已经在日本、奥地利、丹麦、德国等国占较高的比例( 表2 1 ) ， 但由于污泥含水率较高，热值较低，直接焚烧污泥，需要消耗大量的辅助燃料， 因此，污泥需要经过必要的预处理使污泥含水率降低后才能进行焚烧，这也会造 成焚烧运行成本很高，约为其他处理工艺的2 4 倍1 1 4 1 。如果城市卫生要求高，或 者是填埋场地受限，并且污泥自身的燃烧热值较大时，可采用焚烧方法进行处理。 比如日本在污泥处置与利用方面，焚烧所占比例高，约占5 5 ，每年耗重油达 3 9 1 0 5 m 3 1 15 1 。另外，焚烧对污泥中重金属的含量有一定的要求，重金属含量比较 高的污泥应严禁焚烧，焚烧后的灰渣一般都超过直接丢弃所要求的标准【1 6 1 。焚烧 产生的灰渣被归为有害废弃物，即使填埋也要经过毒性浸出试验符合要求才可以 填埋，因此，污泥焚烧处置也有一定的局限性。 1 3 4 污泥的农用 城市污泥中有丰富的有机质和各种营养成分，泥中的有效成分可改善土壤结 构，促进植物生长，是一种较好的土壤改良剂【 l ，显然污泥的土地利用可以提高 土地的利用效率，因此对于我国这样的人口大国，污泥农用对农业可起到积极的 作用。但污泥中含有的较多的病原微生物和寄生虫卵，若未能进行合理的处置， 不消除其传染性和致病性，会对环境造成污染，通过空气、水源等途径，以皮肤 或呼吸等方式进入人体危害人体健康，这些致病物质的存在也可能导致农业病虫 害更加猖獗。并且污泥含有一定量重金属，这些物质若随污泥进入土壤，会对环 境和人体造成一定的危害。在土地利用时，使用处理不到位的污泥会导致土地盐 硕士学位论文 害、烧苗、只长梗子不结果实的结果，给农民带来经济损失，污泥在很多地区反 而成为了一种污染源【4 】，越来越不能给人们接受，因此污泥要做土地利用时一定 要进行无毒无害化处理，使其符合国家规定的标准【l 引。 综上所述，以上污泥最终处置的方法都能处置一定的城市污泥，但各种处置 方式又存在着各自的局限性。污泥的填埋处置受污泥填埋场地、污泥的土力学性 质和渗滤液会造成二次污染的限制：海洋消纳也会污染海洋的生态环境，并且受 地域的限制，现在已基本被禁止；焚烧由于运行成本过高，对污泥的要求高，难 以在我国大面积的推广；不适当的农用对植物生长造成的危害以及对人类健康的 影响已经可以体现出来，污泥无害化的过程也很漫长，加上国家现有的技术水平 和农民的知识水平条件下，农用也难以广泛的应用。综合我国目前大量污泥存在 和各地经济状况不同的现状下，考虑到污泥的卫生学指标、重金属指标难以满足 农用标准( 表1 2 ) ，焚烧成本过高在国内很难大面积推广的基本国情，污泥填埋 是一种比较合理的选择。填埋处置适用范围广、投资少、见效快，并且填埋场一 般在比较偏僻的地方，这样更利于将污泥与周围环境隔绝，减少填埋的污泥散发 的气体和渗滤液对环境和公众健康的危害，这样既可以解决污泥的出路问题，又 可以减少对环境的危害，因此，在未来一个时期内填埋仍然是我国主要的污泥处 置方式【l 舛。从污泥处置各种处置技术的弊端和经济可行的角度出发，本文引入了 长期应用于处理危险废物的固化稳定化方法和骨架构建技术【2 0 】来处理污泥，通过 一。一 向污泥中添加固化材料，降低污泥的含水率，固化预处理后再进行填埋，既提高 污泥的强度又降低了污染物的危害性，因此此技术是符合我国现阶段国情的污泥 处置技术之一1 2 l 2 2 j 。 表1 2 城市污水厂污泥中重金属成分及含量2 3 1 1 4 固化稳定化研究 污泥填埋时要求其无侧限抗压强度不小于5 0k p af 2 4 1 ，含水率小于6 0 ( 生 活垃圾填埋场污染控制标准g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 。由于污泥的含水率高、力学性质 差，未经处理的污泥无法直接进入填埋场，填埋场通常是通过向污泥中添加固化 材料，降低污泥含水率，进行预处理之后才进行填埋。 固化的定义实际包含着两层含义：固化和稳定化。u s e p a 对固化稳定化的 概念解释如下【2 5 l ： 废物完全混合，使其生成 海泡石辅助水泥固化，稳定化污泥的试验研究 结构完整、具有_ 定尺寸和机械强度的块状密实体( 固化体) 的过程。 稳定化( s t a b i l i z a t i o n ) 是指利用化学添加剂等技术手段，改变废物中的有毒有害 组分的存在状态或化学组成形式，以降低毒性、溶解性和迁移性的过程。 固化的目的是改变废物的工程特性，即增加废物的机械强度，减少废物的压 缩性和渗透性，以便于废物的运输、处置和利用，降低废物对环境与健康的风险； 稳定化的目的在于降低有毒有害组分的毒性、溶解性和迁移性，即将污染物全部 或者部分地固定于支持介质或粘结剂等添加剂上，藉此降低废物对环境与健康的 风险。固化稳定化技术常用在危险废物、污泥、受污土壤的处理上。固化稳定 化技术( s s ) 在1 9 5 0 年被用于核废物处理，接着在1 9 7 0 年被广泛的用在处理有 毒有害物质上。s s 广泛用于处理正在遭受污染的土壤还可以处理因为之前未能 妥善处置的沉淀的废物【2 6 1 。美国e p a 将水泥基材料固化称为处理有毒有害废物的 最佳技术【2 7 1 ，水泥为一种无机胶结剂，遇水发生水化反应，在反应的过程中可以 可以将砂、石、粘土等添加料牢固地粘结在一起，形成坚硬的水泥块。以向淤泥 中加入水泥为例，加入适量水泥后的淤泥形成的固化土具有良好的工程特性，处 理后的污泥可在堤防加固、道路工程等方面作为填料进行使用1 2 引。水泥和污泥中 的水分发生水化反应的过程中，会产生很高的p h 值，使得多种重金属以氢氧化 物的形式沉淀下来，这样重金属和其他一些有毒有害的物质就被封闭在水泥形成 的固化体内，从而减少了污泥的毒性，达到了稳定化的处理要求。 1 4 1 水泥基固化稳定化研究现状 水泥的生产原料为石灰石( c a c 0 3 ) 、粘土矿物( 主要成分为s i 0 2 及a 1 2 0 3 ) 以及其他的添加料。这些原料磨细混合均匀高温烧结后加入石膏就得到了水泥。 水泥的主要熟料主要为硅酸三钙( c 3 s ) 、硅酸二钙( c 2 s ) 及铝酸三钙( c 3 a ) ， 其次的成分为铁铝酸四钙( c 4 a f ) 和石膏( c s h 2 ) 等1 2 9 】。 水泥的水化反应可由水泥成分中硅酸钙盐类( c 3 s 、c 2 s ) 和铝酸钙盐类( c 3 a 、 c 4 a f ) 的变化来解释。 ( 1 )硅酸钙盐类的水化作用：水泥中含量最多的是硅酸三钙( c 3 s ) ，约占 水泥的5 0 ，其次为硅酸二钙( c 2 s ) ，约占2 5 。这两种物质对水泥性质的影响 很大，与水( h ) 反应生成水化硅酸( c s h ) 钙及氢氧化钙( c h ) 。 c 3 s + 6 h ，c h - s + 3 c hh = 5 0 0 j g ( 1 1 ) c 2 s + 4 h c - h - s + c hh = 5 0 0 j 儋 ( 1 2 ) 其中，c s h 胶体为水泥的主要水化产物，也是水泥强度的主要来源。另外， 由反应式看出c 3 s 发生反应时放出的热量是c 2 s 的两倍，水化反应较快，c 3 s 反 应形成的c s h 是固化体早期强度形成的主要因素。 ( 2 )铝酸钙盐类的水化反应：铝酸钙盐类主要包括c 3 a 、c 4 a f ，其反应比 硕士学位论文 硅酸盐类的反应更激烈，水泥中添加石膏的作用就是使c 3 a 与石膏反应生成钙矾 石，从而减缓c 3 a 的水化反应。c 3 a 、c 4 a f 与水反应生成的水化物为水化铝酸钙、 钙矾石等，放出大量的热，但是对水泥强度的贡献不是很高。 上述两类反应在2 4 小时内已基本完成，生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙将土 颗粒包裹并连结成网络结构，使水泥土的强度增加。 1 4 2 辅助添加材料 固体废弃物处理的主要费用来源于固化剂，以水泥基固化为例，当只添加水 泥时，固化体的强度变化很缓慢，为达到填埋和固化材料的其他用途所需要的强 度需要添加大量的水泥，这样导致了固化成本偏高，固化体的体积增大。近些年 为了降低固化的成本，研究多集中在废物循环利用或者采用其它的固化效果比较 好成本又不是很高的添加剂来代替部分水泥以提高固化稳定化效果上。 火山灰材料是目前在水泥和石灰两大固化系中最普遍的辅助固化材料。它在 固化体系中充当着重要的角色【3 5 1 。目前常见的火山灰材料主要是人工制造的粉煤 灰、高炉渣【3 。s u w i m o la s a v a p i s i t 【3 2 1 等用火电厂的燃料灰取代部分普通的波特兰 水泥对镀锌厂污泥进行固化稳定化，结果显示添加了燃料灰的污泥，强度得到明 显的提高，c r 的浸出浓度低于u s e p a 的限制标准。c h u ny a n gy i n i 圳用油棕灰 替代部分水泥对含镍的污泥进行固化，油棕灰的加入可以明显提高固化体的强度， 减少金属镍的浸出浓度，降低固化成本。gq i a n ，通过采用市政污泥焚烧飞灰和 普通水泥作为固化剂对三种不同的工业污泥进行固化稳定化，以飞灰代替水泥可 以增加固化体的强度，稳定z n 、c u 等重金属，并且大大减少固化体的增容比p 4 ，”j 。 s o p h i a p 6 j 研究了采用粉煤灰和水泥对电镀污泥进行固化稳定化发现这两种物质 的加入可以很好的降低铬的浸出率，但固化体的强度较添加相等质量水泥有所降 低。s v a l l s 【3 7 l 用粉煤灰代替部分水泥对污泥进行固化，发现水化反应的时间有所 延长，并且时间的延长和粉煤灰的添加量成正相关。 由于粘土矿物参与水泥的水解、水化学反应，所以粘土系材料也是常用的辅 助添加剂。常见的粘土系材料的主要构成有蒙脱石，伊利石，高岭土等几种。在 之前其他学者的研究中用于污泥固化处理的膨润土是常用的无机粘土矿物，主要 利用其骨架构建和吸附性，辅助水泥进行污染物的固化稳定化。它常用于处理既 含无机污染物又含有机污染物的废物【3 8 】。m k a t s i o t i 【3 9 1 用水泥和膨润土处理含重 金属的污泥，膨润土的加入提高了固化体的强度，对重金属的渗出起到了明显的 阻碍作用。n j s a i k i a 【4 0 】用高岭土和水泥处理石油污泥，发现添高岭土的加入促 进了水泥的水化反应，固化后的试样强度更高一些。为了节省成本，本底土和河 底淤泥也是水泥基固化稳定化辅助材料的选择，李磊使用淤泥代替水泥进行固化 海泡石辅助水泥固化稳定化污泥的试验研究 1 4 3 影响水泥基固化稳定化的因素 参考大量的文献，含水率、重金属和有机物含量会影响水泥固化稳定化的进 程。张春雷【4 1 】通过研究不同含水率淤泥对水泥固化的影响，得出淤泥初始含水率 对固化淤泥的强度有显著影响，固化淤泥的强度随初始含水率的增加呈乘幂形式 降低。朱龙芬【4 2 l 采用干法和湿法配合比试验研究了含水量变化对水泥土强度的影 响，指出含水量是影响水泥强度的重要因素。含水率对水泥固化的主要影响不是 对水泥水化反应的影响，而是影响单位体积水泥水化产物的量，由于污泥的含水 率高，有机物含量少，导致单位体积中水化产物的量过少，过于分散，不能形成 较强的整体强度，因而强度随含水率的增加而降低。 一般情况下，污泥中重金属的一般以氧化物、氢氧化物、硅酸盐或有机络合 物的形式存在，以自由离子形式存在的比较少【4 3 1 。a k m i n o c h a 【4 4 】在污泥中添 加脂、油、苯酚、六氯苯和三氯乙烯几种有机质，以水泥、水泥飞灰、石灰飞 灰作为不同的固化剂进行固化，发现油脂、油、苯酚对固化污泥的抗压强度的增 长不利，其他有机物对强度影响不大。徐超【4 5 】在用水泥加固高有机质含量的土的 研究中发现固化土的强度随有机质含量的提高而减小，有机质的存在影响了水泥 的水解、水化和硬凝反应，不利于水泥土长期强度的形成。张亚梅1 4 6 j 研究了不同 类型的重金属对水化反应时间的影响。王锦芳【4 7 l 在以石英砂和水泥作为固化剂处 理污泥时，向污泥中加入重金属，研究重金属对固化体强度的影响，发现含有重 金属试样的无侧限抗压强度和抗折强度都有不同程度的降低。另外一些研究发现 一些重金属( 如z n 、c u 、p b ) 对水泥水化阻碍作用主要是在碱性环境下，重金 属会形成一些无定形的氢氧化物沉积在水泥熟料颗粒的表面，延缓或者是抑制水 泥的水化反应，影响了固化体的强度【4 8 5 0 】。污泥中无机颗粒含量少以及一些重金 属对对水泥的水化反应有阻碍作用，单一靠水泥作为固化剂时需要大量的水泥才 能满足，这也了造成固体废物增容比较大，给后续的运输和处理带来困难，提高 了处理费用。 1 4 4 骨架构建理论 为了解决脱水污泥中有机质含量少、无机污染物含量高和重金属对水泥水化 反应抑制使得污泥固化后的强度低的问题，有许多学者对此做了大量的研究和论 述。骨架构建方法主要针对含无机固体颗粒很少的污染土，其基本思路就是增加 污泥中无机固体含量，以利于水泥的胶结作用，利于水泥和无机物构成完整的骨 架结构，降低含水率和有机质对水泥水化形成强度的不利影响。该技术较其他几 种污泥最终处置方法来说，具有操作简单、技术可靠的特点，既能满足污泥的填 埋的工程要求，与单独采用水泥进行固化相比，成本也会相对降低。用水泥和其 他的辅助固化剂对污泥进行处置的原理比传统的水泥处理污染土更为复杂，因为 硕士学位论文 污泥复杂的物理性质，使得此种处置方法不仅仅要满足处置后污泥体积的安定性 还要对污泥中的有机物和重金属进行稳定化。因此，骨架构建理论开创了固化 稳定化处理的新理念，它为污泥的固化稳定化处理提供了理论基础。 1 5 课题提出、研究内容与意义 1 5 1 课题提出 由于公众的环保意识的不断加强，国家对环境问题的日益关注，污泥处理、 处置技术的研究也越来越深入，但在这方面的研究我国还比较基础，与国外污泥 处置的技术相比有还一定的差距。城镇污水处理厂产生的污泥是含水率高、抗剪 强度低、具有复杂流变性的半干性废弃物，未经稳定处理的污泥没有安全出路， 己成为污水处理厂的严重负担，影响了污水处理厂的正常运行。 基于污泥重金属等指标不能达到农用的标准，污泥焚烧的成本过高，对灰渣 的处置环境要求高，针对我国的基本国情，污泥填埋针是一种比较合理的选择。 污泥填埋时要求无侧限抗压强度不小于5 0 k p a ，含水率不大于6 0 ( 生活垃圾填 埋场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) ) 。已进行脱水的污泥进入垃圾填埋场和城 市固废一起填埋，由于污泥复杂的成分，也存在着一定的安全隐患，因此在填埋 前要进行一定的预处理，并且随着可利用土地越来越少，填埋场的选址越来越困 难，应尽量延长填埋场的使用年限，所以进行预处理后污泥的增容比越小越能促 进填埋场的有效利用。目前填埋预处理技术主要是水泥基的固化稳定化技术，其 它的添加剂主要是粉煤灰、石灰、本地土和膨润土等无机类物质。粉煤灰的加入 可以降低固化的成本，但是粉煤灰对水泥的水化反应有一定的阻碍作用；石灰和 本地土能够提高固化体的强度，降低水泥的用量，但是添加本地土和石灰的