不同固化劑的優(yōu)化配置及對(duì)城市污泥的固化效果研究

樂(lè)俊超

(上海環(huán)境集團(tuán)再生能源運(yùn)營(yíng)管理有限公司，上海 200336)

1 引言

污泥主要是由污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)和在其表面的浮沫構(gòu)成。產(chǎn)量大，成分復(fù)雜，含有大量的微生物、病原體、有毒重金屬和難降解有機(jī)污染物等，如不及時(shí)妥善處理，將對(duì)環(huán)境造成二次污染[1～3]。目前污泥的處置方法主要有土地利用[3]、污泥焚燒[3]、衛(wèi)生填埋和其他處置方式[1]等。污泥填埋因其成本較低、操作方便，成為目前國(guó)內(nèi)污泥處置的主要方法?？紤]到我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)于不能資源化而必須從使用循環(huán)中排除的廢物，填埋是較為合理的最終處置途徑。

由于城市污水處理廠脫水污泥具有性質(zhì)復(fù)雜、含水率高等特點(diǎn)，因此污泥在填埋時(shí)需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理[4,5]。固化技術(shù)是一種有效的污泥填埋處置預(yù)處理技術(shù)，將固化材料添加進(jìn)污泥中，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)后使其生成較穩(wěn)定的固化產(chǎn)物，固化后的污泥具有較高的抗壓強(qiáng)度與較低的透水性，方便填埋[6,7]。固化過(guò)程可以將污泥中的有機(jī)物與重金屬等有害物質(zhì)封存于固化產(chǎn)物中，降低其對(duì)環(huán)境的潛在危害，從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性來(lái)看固化技術(shù)都是非常適合我國(guó)國(guó)情的污泥處理方法[8,9]。

固化藥劑的選擇原則為固化效果好、易獲得、價(jià)格低、能夠以廢治廢、提高安全性能等[10,11]?；谏鲜鲈瓌t，本文研究了水泥、粉煤灰、輕燒鎂、生石灰、石膏、木質(zhì)素磺酸鹽、氯化鈣和β-萘系減水劑等作為固化劑的固化效果。

2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 城市污泥

本研究所用城市污泥來(lái)自上海市閔行水質(zhì)凈化廠的脫水污泥。該水質(zhì)凈化廠除了處理城市居民生活用水外，管網(wǎng)還收集了一部分周邊區(qū)域產(chǎn)生的化工廢水。其主要物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。從表1中可以看出，城市污泥的含水率和有機(jī)物含量都較高，重金屬含量相對(duì)一般城市污泥略高。

表1 城市污泥主要物理化學(xué)性質(zhì)

2.1.2 水泥

本研究使用水泥為普通硅酸鹽42.5 水泥。通過(guò)XRF分析后其主要成分以氧化物形式表示如表2所示。

表2 普通硅酸鹽42.5 水泥主要化學(xué)組成 %

2.1.3 粉煤灰

本研究使用粉煤灰取自上海市吳徑火力發(fā)電廠，經(jīng)XRF分析可知其主要成分如表3所示。

表3 粉煤灰主要化學(xué)組成 %

2.2 固化塊制作過(guò)程

制作固化塊時(shí)將粉干的污泥顆粒與水按照質(zhì)量比1∶4混合均勻，模擬城市脫水污泥。脫水污泥與水泥等固化劑混合均勻，置于水泥靜漿攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?。充分?jǐn)嚢韬蟮幕旌衔镏糜谌鐖D1 所示的模具中，利用擋板配合將固化混合物制作成40 cm×40 cm×40 cm的固化塊，方便以后的測(cè)試。靜置24 h后固化塊已經(jīng)具備一定的強(qiáng)度，此時(shí)可以脫去模具，將固化塊轉(zhuǎn)移至設(shè)定的養(yǎng)護(hù)裝置中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖1 模具示意圖

2.3 固化塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是固化塊固化效果最直接的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，也是很重要的一個(gè)指標(biāo)。本課題遵循《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)中的測(cè)試步驟測(cè)試污泥固化塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，采用儀器為符合國(guó)標(biāo)JC/T 960-2005 的SYE-300 型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)，由浙江中科儀器有限公司生產(chǎn)。測(cè)試時(shí)使用直尺測(cè)定養(yǎng)護(hù)到一定齡期的固化塊的受力部分，計(jì)算固化塊的受力面積。再將固化塊置于抗壓測(cè)試機(jī)上下壓板之間，固化塊中心距離壓力機(jī)壓板受壓中心應(yīng)小于0.5 mm。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，壓力以1 kN/s以內(nèi)的速度均勻增加，直至固化塊結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞?？箟簩?shí)驗(yàn)機(jī)的微電腦系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄在測(cè)試過(guò)程中的最大壓力值，即為該固化塊的最大載荷。每個(gè)固化塊樣品分別測(cè)定3 個(gè)平行樣，取平均值。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc以MPa為單位，按照下面公式計(jì)算：

(1)

式(1)中，Rc為固化塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；Fc為固化塊的最大載荷(kN)；A為固化塊受力面積(cm2)。

3 結(jié)果與討論

3.1 固化劑添加量

3.1.1 水泥添加量

為考察不同水泥添加量對(duì)污泥固化效果的影響，首先分別將15 g粉煤灰、40 g氯化鈣和20 g β-萘系減水劑添加到100 g脫水污泥(含水率80%)中。水泥添加量分別為0、5、10、15、20、25、30 g/100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)，測(cè)試7 d，14 d和28 d的固化強(qiáng)度。不同水泥添加量的固化強(qiáng)度見(jiàn)圖2。

圖2 不同水泥加量的固化效果

從圖2中可以看出，隨著水泥添加量的增加，污泥的固化強(qiáng)度有比較明顯的上升趨勢(shì)。只不過(guò)在水泥加量大于20 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時(shí)候，固化強(qiáng)度保持穩(wěn)定，并有略微降低。固化強(qiáng)度在7～14 d的過(guò)程中增加迅速，而從14～28 d的固化強(qiáng)度增幅沒(méi)有7～14 d的明顯。以14 d的固化強(qiáng)度為例，每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加20 g水泥的固化強(qiáng)度為1.224 MPa，比起每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加15g水泥的固化強(qiáng)度0.865 MPa來(lái)說(shuō)提高了41.5%。而每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加30 g水泥的固化強(qiáng)度與添加20 g水泥相差不多。因此考慮到成本因素，本課題選擇水泥的最佳加量為20 g/100 g脫水污泥(含水率80%)。

3.1.2 粉煤灰最佳加量

為考察不同粉煤灰加量對(duì)污泥固化效果的影響，首先確定水泥、氯化鈣和β-萘系減水劑的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g、40 g和20 g。粉煤灰加量分別為0、5、10、15、20、25、30 g/100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)。測(cè)試7 d、14 d和28 d的固化強(qiáng)度。不同粉煤灰加量的固化強(qiáng)度見(jiàn)圖3。

圖3 不同粉煤灰加量的固化效果

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰添加量的增加，污泥的固化強(qiáng)度先是明顯上升，隨后當(dāng)粉煤灰添加量大于15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時(shí)候又顯著下降。當(dāng)粉煤灰的添加量為15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時(shí)候，其7 d和14 d的固化強(qiáng)度相對(duì)于沒(méi)有添加粉煤灰時(shí)有24.2%和16.9%的提高，而經(jīng)過(guò)28 d的養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)于沒(méi)有添加粉煤灰時(shí)提高了31.5%，這說(shuō)明粉煤灰的添加對(duì)于污泥固化過(guò)程的促進(jìn)作用體現(xiàn)在中長(zhǎng)期的固化強(qiáng)度中而不是早期的固化強(qiáng)度。粉煤灰添加5 g/100 g脫水污泥(含水率80%)和10 g/100 g脫水污泥(含水率80%)時(shí)固化效果基本相同，但是粉煤灰的過(guò)量添加，會(huì)導(dǎo)致固化強(qiáng)度下降，這主要是由于粉煤灰大量添加導(dǎo)致水泥比例的降低，固化強(qiáng)度也隨之降低。因此綜合考慮到各種因素，本課題選擇粉煤灰的最佳加量為15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)，其對(duì)應(yīng)的7 d、14 d、28 d污泥固化強(qiáng)度分別為0.812 MPa，1.126 MPa和1.462 MPa。

3.1.3 氯化鈣最佳加量

氯化鈣的添加對(duì)污泥固化的強(qiáng)度有一定的影響，首先確定水泥、粉煤灰和β-萘系減水劑的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g，15 g和0.8 g，氯化鈣加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)0 g、0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g。測(cè)試7 d，14 d和28 d的固化強(qiáng)度。不同氯化鈣加量的固化強(qiáng)度見(jiàn)圖4。

圖4 不同氯化鈣加量的固化效果

從圖4中可以看出，隨著氯化鈣加量的增加，污泥的固化強(qiáng)度有一個(gè)明顯的先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)氯化鈣加量小于0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時(shí)候，氯化鈣的添加對(duì)污泥固化強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用，但是當(dāng)氯化鈣的添加量大于0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)時(shí)，隨著氯化鈣的添加污泥的固化強(qiáng)度逐漸下降。氯化鈣的最佳添加量為0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)，其對(duì)應(yīng)的7 d、14 d、28 d污泥固化強(qiáng)度分別為0.821 MPa，1.365 MPa和1.495 MPa，相對(duì)于不添加氯化鈣時(shí)污泥固化強(qiáng)度分別有38.3%、31.0%和15.1%的提高，可見(jiàn)氯化鈣的添加主要對(duì)污泥固化的早期強(qiáng)度有較大的促進(jìn)作用。

3.1.4 β-萘系減水劑最佳加量

β-萘系減水劑的添加對(duì)污泥固化強(qiáng)度有一定的影響，首先確定水泥、粉煤灰和氯化鈣的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g，15 g和0.4 g，氯化鈣加量分別為每100g脫水污泥(含水率80%)(DSS)0 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g。測(cè)試7 d、14 d和28 d的固化強(qiáng)度。不同β-萘系減水劑加量的固化強(qiáng)度見(jiàn)圖5。

圖5 不同β-萘系減水劑加量的固化效果

從圖5中可以看出，隨著β-萘系減水劑加量的增加，污泥的固化強(qiáng)度有一個(gè)明顯的先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)β-萘系減水劑加量小于0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)的時(shí)候，β-萘系減水劑的添加對(duì)污泥固化強(qiáng)度有一定的促進(jìn)作用，但是當(dāng)β-萘系減水劑的添加量大于0.2/(100 g)脫水污泥(含水率80%)時(shí)，隨著β-萘系減水劑的添加污泥的固化強(qiáng)度逐漸下降。確定β-萘系減水劑的最佳添加量為0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)，其對(duì)應(yīng)的7 d、14 d、28 d污泥固化強(qiáng)度分別為0.832 MPa、1.287 MPa和1.502 MPa，相對(duì)于不添加β-萘系減水劑時(shí)污泥固化強(qiáng)度分別有9.6%、19.6%和12.4%的提高，可見(jiàn)β-萘系減水劑的添加使污泥固化強(qiáng)度有一定的提高，最佳添加量為0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)。

3.2 固化劑用量對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響

根據(jù)以上結(jié)果，得出水泥、粉煤灰、氯化鈣、β-萘系減水劑所組成的固化劑中其優(yōu)化比例為20∶15∶0.4∶0.2，在這個(gè)優(yōu)化比例下固化劑的用量對(duì)污泥的固化強(qiáng)度有著重要的影響。因此接著研究了固化劑用量對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響。

固化劑比例按照優(yōu)化比例，養(yǎng)護(hù)方式選擇干式養(yǎng)護(hù)，溫度為25±2℃，以含水率為80%的脫水污泥(簡(jiǎn)稱DSS)計(jì)算，分別測(cè)試了固化劑總量為濕污泥質(zhì)量5%、15%、25%、35%、45%、55%時(shí)的7 d、14 d、28 d固化強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可以明顯看出，在固化劑用量小于45%/DSS時(shí)，污泥固化強(qiáng)度隨固化劑用量的增加而明顯增加；當(dāng)固化劑用量大于45%/DSS時(shí)增加固化劑的用量反而降低了污泥的固化強(qiáng)度。固化劑用量為5%/DSS時(shí)污泥固化塊養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為0.21 MPa、0.42 MPa、0.51 MPa。固化劑用量小于35%/DSS時(shí)，每增加5%的用量固化強(qiáng)度均有25%以上的增幅。使用35%/DSS固化劑時(shí)污泥固化塊養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到為0.81MPa、1.13 MPa、1.46 MPa，相對(duì)于5%/DSS時(shí)有2.85、1.67、1.86倍的提高。但是固化劑用量為45%/DSS相對(duì)35%/DSS時(shí)僅有約3%左右的提高，再加上由于濕污泥中水分有限，高于45%/DSS的用量后固化強(qiáng)度反而下降，因此本課題選擇固化劑用量為35%，即水泥、粉煤灰、氯化鈣、β-萘系減水劑分別為20、15、0.4、0.2 g/100 g DSS。

圖6 不同固化劑用量對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響

3.3 污泥含水率對(duì)固化強(qiáng)度的影響

由于城市污水處理廠所處理污水性質(zhì)不同、污水處理工藝及脫水工藝的不同，污水處理廠的脫水污泥含水率雖然都在80%左右，但也略有不同。水分含量是水泥水化過(guò)程中的重要因素，因此考察了污泥不同含水率對(duì)其固化強(qiáng)度的影響。鑒于脫水污泥的含水率變化范圍較小，污泥含水率變化范圍選定為74%～84%。

固化劑用量為水泥20 g、粉煤灰15 g、氯化鈣0.4 g、β-萘系減水劑0.2 g/(100 g) DSS，采取干式養(yǎng)護(hù)，溫度為25±2℃。污泥含水率對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出，隨著污泥含水率的升高，污泥固化強(qiáng)度有逐漸下降的趨勢(shì)。這主要由于過(guò)多的水分會(huì)影響水泥水化的過(guò)程。在污泥含水率小于80%的時(shí)候，固化強(qiáng)度隨污泥含水率的升高所下降的幅度較大。以養(yǎng)護(hù)28 d的樣品為例，含水率80%的污泥經(jīng)固化處理后強(qiáng)度相比74%的污泥固化強(qiáng)度下降9.9%并不明顯；污泥含水率超過(guò)80%后，污泥含水率的變化對(duì)固化強(qiáng)度的影響變緩。

圖7 污泥含水率對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響

3.4 污泥種類對(duì)固化強(qiáng)度的影響

大多數(shù)城市污水處理廠中初沉污泥與二沉污泥混合后進(jìn)行脫水處理，但是也有部分城市污水處理廠將初沉污泥與二沉污泥分開(kāi)進(jìn)行脫水處理，由于初沉污泥與二沉污泥性質(zhì)不同，因此考察了脫水污泥種類對(duì)固化強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 污泥種類對(duì)污泥固化強(qiáng)度的影響

選擇固化劑用量為水泥20 g、粉煤灰15 g、氯化鈣0.4 g、β-萘系減水劑0.2 g/(100 g)脫水污泥，混合污泥是按照初沉污泥與二沉污泥3∶2比例混合而成。初沉污泥的固化強(qiáng)度較高，二沉污泥的固化強(qiáng)度較低。養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d后的初沉污泥固化塊強(qiáng)度達(dá)到0.85 MPa、1.21 MPa 、1.50 MPa，而二沉污泥固化塊的強(qiáng)度僅為0.79 MPa、1.05 MPa、1.36 MPa，這主要由于二沉污泥中微生物有機(jī)體含量較高，粘度較大，而初沉污泥中無(wú)機(jī)物組分較高，粘度較低造成的。

4 結(jié)論

本文首先確定了固化劑中幾種組分的優(yōu)化用量，并隨后確定出每一種固化劑成分的優(yōu)化添加量，分別為：每100 g城市脫水污泥(含水率80%)中使用20 g水泥、15 g粉煤灰、0.4 g CaCl2、0.2 g β-萘系減水劑。污泥的含水率與污泥種類對(duì)污泥固化強(qiáng)度有一定影響。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，污泥含水率的升高會(huì)導(dǎo)致固化強(qiáng)度下降，初沉污泥的固化強(qiáng)度高于混合污泥和二沉污泥。