固化污泥填埋處置中的壓實特性研究

易進(jìn)翔，楊康迪

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098)

截止到2010年年底，我國城鎮(zhèn)污水處理量達(dá)到300多億m3，脫水污泥產(chǎn)生量接近3.0×107t左右[1]。污泥處置不當(dāng)會引起嚴(yán)重的社會問題和環(huán)境問題。填埋處置仍然是我國目前主要污泥處置方式之一[2]。

目前關(guān)于污泥填埋處置的規(guī)范中僅對污泥填埋中的含水率、pH、混合比例等指標(biāo)做了明確要求，但是由于污泥物理力學(xué)性質(zhì)差，即使達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的污泥填埋指標(biāo)，污泥在進(jìn)行填埋施工時，仍然可能會產(chǎn)生無法壓實等問題。不僅影響填埋場的庫容，而且可能因為不均勻沉降等引起填埋場工程事故。目前，污泥預(yù)處理進(jìn)入填埋場填埋處置中的研究主要集中在污泥預(yù)處理方法[3-5]、填埋后的物理力學(xué)性質(zhì)[6]、穩(wěn)定性[7]、污染物控制[8]等方面，填埋處置中污泥壓實特性的研究甚少。通過壓實特性的研究，可以獲得填埋施工中的壓實功，為施工設(shè)備的選擇、填埋含水率的控制、添加的預(yù)處理材料等提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

本文通過室內(nèi)擊實試驗，研究了擊實功、固化污泥含水率、材料添加量對固化污泥壓實特性的影響。

1 試驗材料、安排和方法

1.1 試驗材料

污泥為取自南京市江心洲污水處理廠的脫水污泥。污泥的相關(guān)指標(biāo)如表1。水泥為32.5#普通硅酸鹽水泥，熟料組成C3S:52.45%～63.87%，C2S:14.92%～23.07%，C3A:6.60%～9.18%，C4AF:10.06%～11.89%，其基本化學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 污泥的基本物理性質(zhì)

表2 水泥的基本性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗安排

采用室內(nèi)擊實試驗?zāi)M施工現(xiàn)場的碾壓，室內(nèi)擊實試驗中的擊實功與施工時的壓實功具有對應(yīng)的關(guān)系。擊實功、含水率、材料添加量對固化污泥壓實特性的影響較大。選擇適宜的壓實功、含水率、材料添加量對施工現(xiàn)場的碾壓具有實際的指導(dǎo)意義，對填埋場的庫容、施工后的不均勻沉降具有積極意義。

具體試驗方案見表3。試驗組1研究擊實功對固化污泥壓實特性的影響，可以獲得擊實試驗的最佳擊實功，存在經(jīng)濟(jì)擊實功。試驗組2在最佳擊實功下，研究含水率對固化污泥壓實特性的影響，可以指導(dǎo)施工現(xiàn)場含水率的控制。試驗組3在最佳擊實功下，研究材料添加量對固化污泥壓實特性的影響，可以為添加的預(yù)處理材料提供理論依據(jù)。

表3 固化污泥的試驗方案

1.3 試驗方法

固化污泥擊實試驗采用輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實儀。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[9](GB/T50123-1999)的規(guī)定，試驗具體參數(shù)如下:擊實筒內(nèi)徑102 mm、高116mm、錘重2.5 kg、落高305 mm，分3層擊實。

2 試驗結(jié)果

2.1 擊實功對固化污泥壓實特性的影響

從圖1、圖2可以看出，大致在25擊次之前，固化污泥的干密度隨著擊實功的增加而增加、孔隙比隨著擊實功的增加而減少；大致在25擊次之后，固化污泥的干密度、孔隙比變化都達(dá)到穩(wěn)定。隨著固化污泥的含水率降低，這種現(xiàn)象越顯著。

從土的有效應(yīng)力原理角度考慮，土是固體顆粒、水和空氣的混合物。固化污泥中的水除了孔隙內(nèi)的自由水外，主要是土粒表面的結(jié)合水和細(xì)胞內(nèi)水為主。擊實過程中，固化污泥中的空氣承擔(dān)一部分擊實功；同時固化污泥中的自由水、結(jié)合水、細(xì)胞內(nèi)水承擔(dān)很大一部分擊實功；土粒承擔(dān)的擊實功較小。隨著含水率降低，主要是自由水減少，擊實功要重新分配，土粒承擔(dān)的擊實功相應(yīng)的增加，土體中的孔隙壓的越密，干密度越大，這種現(xiàn)象越明顯。擊實到一定程度時，水和空氣的排出都相當(dāng)困難，繼續(xù)增加擊實功，對干密度、孔隙比的作用不大，干密度、孔隙比趨于穩(wěn)定，即存在經(jīng)濟(jì)擊實功[10]。

圖1 固化污泥擊數(shù)與擊實干密度的關(guān)系

圖2 固化污泥擊數(shù)與擊實孔隙比的關(guān)系

固化污泥填埋施工可以依據(jù)經(jīng)濟(jì)擊實功選擇碾壓設(shè)備及碾壓遍數(shù)，用以指導(dǎo)和控制施工。

2.2 含水率對固化污泥壓實特性的影響

從圖3、圖4可以看出，含水率在30%之前，固化污泥的干密度隨著含水率的增加而增加、孔隙比隨著含水率的增加而減少，含水率在30%之后，固化污泥的干密度隨著含水率的增加而減少、孔隙比隨著含水率的增加而增加。

圖3 固化污泥含水率與擊實干密度的關(guān)系

圖4 固化污泥含水率與擊實孔隙比的關(guān)系

當(dāng)固化污泥的含水率較低時，固化污泥中的水主要是以結(jié)合水為主，此時結(jié)合水膜較薄，擊實過程中，以引力為主的粒間電作用力阻礙土粒相對錯動，干密度較小、孔隙比較大；隨著含水率增加，結(jié)合水膜變厚，擊實過程中粒間斥力增大，土粒容易錯動，干密度增加、孔隙比減小。當(dāng)固化污泥的含水率較高時，固化污泥中的水主要是以自由水、結(jié)合水為主，擊實過程中，固化污泥中的空氣承擔(dān)一部分擊實功；同時固化污泥中的自由水、結(jié)合水、細(xì)胞內(nèi)水承擔(dān)很大一部分擊實功；土粒承擔(dān)的擊實功較小。隨著含水率的增加，孔隙水承擔(dān)的擊實功增加，土粒承擔(dān)的擊實功相應(yīng)的減少，干密度減小、孔隙比增大。

含水率對固化污泥的干密度、孔隙比的影響較大。固化污泥的填埋現(xiàn)場碾壓施工時，選擇適宜的含水率，能夠?qū)⒐袒勰嗄雺旱拿軐?，增加填埋場的庫容，減少后期沉降，在不適宜的含水率情況下碾壓施工是很困難的，甚至出現(xiàn)碾壓機(jī)械打滑的事故，因此填埋時必須控制固化污泥的含水率。

2.3 材料添加量對固化污泥壓實特性的影響

從圖5、圖6可以看出，固化污泥的干密度隨著材料添加量的增加而增加、孔隙比隨著材料添加量的增加而減少。

圖5 材料添加量與擊實干密度的關(guān)系

圖6 材料添加量與擊實孔隙比的關(guān)系

污泥固化后，改變了其結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其壓實特性的變化，采用掃描電鏡來研究其微觀結(jié)構(gòu)，分析其壓實特性的變化規(guī)律。從圖7、圖8可以看出，原泥中分布有片狀晶體，這些晶體組成的結(jié)構(gòu)比較松散，基本沒有膠結(jié)物連接，主要靠鑲嵌接觸形成整體，孔隙大。添加水泥后生成的膠凝物質(zhì)膠結(jié)土顆粒和填充孔隙，形成整體，土顆粒由接觸聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)聯(lián)結(jié)，隨著水泥添加量的增加，膠結(jié)和填充作用越顯著，土的結(jié)構(gòu)性也越顯著，孔隙越小，干密度越大[11]。

3 結(jié) 論

(1)隨著擊實功的增加，固化污泥的干密度先增加后趨于穩(wěn)定、孔隙比先減小后趨于穩(wěn)定，存在經(jīng)濟(jì)擊實功。固化污泥填埋施工可以依據(jù)經(jīng)濟(jì)擊實功選擇碾壓設(shè)備，因此其能夠為施工設(shè)備的選擇提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

圖7 純污泥的SEM圖像

圖8 40%材料添加量固化污泥的SEM圖像

(2)隨著含水率的增加，固化污泥的干密度先增加后減少，孔隙比先減少，后增加，可以看出含水率是影響擊實干密度、孔隙比的關(guān)鍵因素。因此填埋施工時必須做好含水率的控制。

(3)固化污泥的干密度隨著材料添加量的增加而增加、孔隙比隨著材料添加量的增加而減少。從微觀結(jié)構(gòu)可以看出，隨著材料添加量的增加，膠結(jié)和填充作用加強(qiáng)，污泥的密實性提高，干密度增加、孔隙比減少。

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