土壤固化劑在污泥處理工程中的應(yīng)用

林順官

1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350025

1 引言

福州市某集污池建設(shè)于上世紀(jì)九十年代，依山而建，三面山坡陡峭，與集污池液面高差約30m，截污壩與池底高差超過30m，成漏斗狀，現(xiàn)場施工條件十分惡劣，且與外界連接的園區(qū)道路狹窄、坡陡、路彎，大型車輛難以進(jìn)入，園區(qū)內(nèi)無法提供工作面，此外，池底淤積污泥量大且含水率極高，因此，常規(guī)處理方式皆無法滿足現(xiàn)場施工要求，經(jīng)過多方案討論并經(jīng)專家論證后，決定采用工期短且人為可控的原位污泥固化方案，只在池內(nèi)對污泥進(jìn)行處理，有效防止處理過程對周邊環(huán)境的影響。

淤泥固化技術(shù)是一種加入淤泥后通過與淤泥的物理和（或）化學(xué)反應(yīng)，改善淤泥工程性能（包括凝結(jié)時(shí)間、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)等）的藥劑，是土壤固化劑［1］的一種。淤泥固化劑通過一系列的水化、水解反應(yīng)，生成數(shù)量可觀的水化產(chǎn)物和膠凝物質(zhì)，通過包裹、粘結(jié)、錨固等作用，使淤泥中的細(xì)小顆粒團(tuán)?；?，形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，淤泥因而最終成為具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的整體結(jié)構(gòu)。污泥固化劑是在淤泥固化劑的基礎(chǔ)上，根據(jù)污泥的特性，結(jié)合化學(xué)平衡理論、吸附理論、沉淀理論，通過高效原材料的選擇、功能性組分的添加和配合比的優(yōu)化開發(fā)而成，能快速固化超高含水率、超高有機(jī)質(zhì)含量的流態(tài)污泥，并消除其難聞臭味，具有較好的消毒殺菌作用。

集污池清淤及后續(xù)池底改造工作完全在池內(nèi)進(jìn)行，因此必須對池內(nèi)超過4 萬方污泥進(jìn)行固化處理，滿足一定的強(qiáng)度要求才能保證池底的穩(wěn)定性和現(xiàn)場施工的安全性。設(shè)計(jì)對底泥固化的要求如下：

（1）固化土含水量≤60%。7 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.1MPa（基于現(xiàn)場施工考慮），28 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.3MPa（基于最終地基穩(wěn)定性考慮）；

（2）耐浸泡性要求試樣在用清水浸泡 28 天不破壞；

（3）固化土的重金屬浸出檢測，達(dá)到環(huán)保部門一般固體廢棄物標(biāo)準(zhǔn)，可用于工程回填。

2 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 原材料

2.1.1 取樣

現(xiàn)場利用浮橋在集污池深凹處通過拉線挖斗下探，挖去液面下約14m 的污泥泥漿，由于拉線挖斗挖泥后會(huì)閉合，在上拉過程不會(huì)有過多污水進(jìn)出，取樣可靠性較好。

2.1.2 污泥固化劑

本項(xiàng)目所處理的污泥淤積多年，有機(jī)質(zhì)含量極高，且多為流態(tài)，采用河道淤泥固化劑無法達(dá)到快速固化效果，故采用福建建工建材科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的閩建科污泥固化劑。污泥與固化劑按質(zhì)量比混合，通過攪拌器攪拌均勻并成型，養(yǎng)護(hù)至齡期后進(jìn)行相關(guān)性能檢測。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 響應(yīng)面分析法

響應(yīng)面分析法（Response Surface Methodology，RSM）［2］，是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過有限次數(shù)的實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合多因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并通過統(tǒng)計(jì)分析尋求設(shè)計(jì)最優(yōu)化參數(shù)，解決多變量問題的分析方法。

2.2.2 含水率試驗(yàn)

含水率試驗(yàn)參照GB/T 50123《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，使用的主要儀器設(shè)備為：

①電熱烘箱，溫度設(shè)定為68±1℃；

②天平，量程1000g，最小分度值0.01g。

污泥含水率按下式計(jì)算，精確至0.1%：

式中md——干土質(zhì)量

m0——濕土質(zhì)量

2.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度測試

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 50123《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 原狀污泥含水率

由于原狀污泥有機(jī)質(zhì)含量極高，因此需要在較低溫度下烘干，直至恒量，測得原狀污泥含水率約為92%。

3.2 多因素分析

使用Design-Expert軟件中的Box Behnken Design進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以固化劑摻量、固化時(shí)間和污泥含水率3 因素為自變量，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)面，設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素與水平和測試結(jié)果見表 1。

表1 配合比設(shè)計(jì)及測試結(jié)果

通過軟件分析，模型、固化劑、固化時(shí)間的p 值皆<0.001，此影響因素與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性極為顯著，為優(yōu)化模型，去除相關(guān)性極小的項(xiàng)目，優(yōu)化后分析結(jié)果如表 2 所示，模型的校正決定系數(shù)0.9916，說明此模型優(yōu)化后對數(shù)據(jù)的擬合程度良好；預(yù)測決定系數(shù)0.9826，與校正決定系數(shù)只相差不到0.01（一般情況下不大于0.2 即可用），說明模型優(yōu)化很好，回歸方程可用于大部分?jǐn)?shù)據(jù)的預(yù)測，其回歸方程為關(guān)于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的二元方程式：

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度=-54.2 +1.66×固化劑-0.948×固化時(shí)間+0.063×固化劑×固化時(shí)間

表2 分析優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工要求，設(shè)定固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為100kPa，再反算在不同固化時(shí)間要滿足強(qiáng)度要求所需的最小固化劑摻量，結(jié)果如表 3 所示。要求7d 時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到100kPa，則固化劑摻量為底泥質(zhì)量的25.6%，即274kg/m3；要求1d 時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到100kPa，則固化劑摻量為底泥質(zhì)量的55.8%，即597kg/m3；要求4h 時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到100kPa，則固化劑摻量為底泥質(zhì)量的82.6%，即884kg/m3。

表3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表 4 所示，三個(gè)結(jié)果與預(yù)測值基本相當(dāng)，相對而言，7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測值比實(shí)際值稍小。

表4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

若施工工期允許，且施工條件較好，固化劑摻量為300kg/m3，固化劑與污泥攪拌均勻后，養(yǎng)護(hù)7d 強(qiáng)度即可超過0.1MPa，挖機(jī)等施工設(shè)備即可直接行走在固化土上，可以繼續(xù)向前推進(jìn)施工；若需要縮短工期，則可通過調(diào)整固化劑摻量的方式，縮短固化土養(yǎng)護(hù)時(shí)間從而使固化土強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)即滿足施工要求；若雨季施工時(shí)，固化土7d 的養(yǎng)護(hù)期過長，會(huì)導(dǎo)致固化土在養(yǎng)護(hù)期間大量吸水膨脹，從而導(dǎo)致固化效果大大下降，因此雨季施工時(shí)也必須通過提高固化劑摻量的方式縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間，從而減小雨季對固化土養(yǎng)護(hù)的不利影響。

3.3 固化土物理性能

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，污泥固化土的7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要不低于0.1MPa，28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.3MPa，含水率≤60%。根據(jù)上文的強(qiáng)度預(yù)測公式，只能預(yù)測4h 到7d 范圍內(nèi)的強(qiáng)度，超出界限的預(yù)測無法保證準(zhǔn)確性，因此根據(jù)7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測，以固化劑摻量250、300 和350 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，福建建工建材科技開發(fā)有限的污泥固化劑固化性能如下列各表所示。

摻量為250 時(shí)，固化土性能滿足7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，28 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和含水率均不符合設(shè)計(jì)要求。

摻量為300 時(shí)，固化土性能能滿足7d 和28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，其中7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為設(shè)計(jì)要求的2 倍，而28d含水率為61%，不符合設(shè)計(jì)要求。

摻量為350 時(shí)，固化土性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，其中7d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，分別為0.3MPa 和0.62MPa，且其28d 含水率也降到57%；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，固化劑摻量與固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度成正比，與28d含水率成反比，因此可推測固化劑摻量為600kg/m3和900kg/m3時(shí)，固化土28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和含水率必定滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 固化土性能

3.4 固化土的耐水性

污泥固化劑因?yàn)槠渚哂兴残?，因此其制備的固化土一般都具有一定的耐水性?/p>

閩建科污泥固化土泡水試樣如圖所示，固化土表面仍保存著試樣固化前的指壓痕跡，強(qiáng)度很高，泡水五月沒破壞更沒泥化，所浸泡的清水中也沒有明顯的黑色污染物溶出。

圖2 閩建科污泥固化土泡水五個(gè)月試樣

3.5 固化土浸出毒性檢測

根據(jù)項(xiàng)目環(huán)評所進(jìn)行的滲瀝液污泥浸出毒性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示滲瀝液污泥屬于一般工業(yè)固體廢物，重金屬含量等指標(biāo)并未超標(biāo)?？紤]到污泥固化過程引入了大量的“污泥固化劑”，有引入重金屬的風(fēng)險(xiǎn)，因此對固化后的污泥進(jìn)行重金屬的浸出毒性檢測，如表 6 所示，所有參數(shù)皆遠(yuǎn)小于限值，固化后的污泥仍只是一般工業(yè)固廢，滿足環(huán)保要求。

表6 浸出毒性檢測結(jié)果

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)對污泥固化劑進(jìn)行了相關(guān)的測試，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論，得出以下結(jié)論：

（1）閩建科污泥固化劑反應(yīng)快，固化強(qiáng)度高，耐水性好，不引入額外污染源，適用于污泥固化；

（2）根據(jù)現(xiàn)場取得的污泥泥樣，當(dāng)摻入350kg 閩建科污泥固化劑，固化土性能滿足設(shè)計(jì)要求，固化土現(xiàn)場施工環(huán)境良好時(shí)，建議實(shí)際施工按350kg/m3添加固化劑。

（3）雨季期間施工，需要縮短固化時(shí)間，可減少雨水和地下水對固化效果的影響，并提高現(xiàn)場場地使用效率。將固化劑摻量提高到600kg/m3，可保證固化土24h 內(nèi)養(yǎng)護(hù)完成，可上施工設(shè)備，并不受雨水影響；將固化劑摻量提高到900kg/m3，可保證固化土4h 養(yǎng)護(hù)完成，可上施工設(shè)備，并不受雨水影響。