紙漿渣燒結(jié)灰(PS灰)和水泥固化污泥水力試驗(yàn)研究*

吳 炎 夏 雄 朱春鵬 肖世國(guó)

(①常州大學(xué)懷德學(xué)院 靖江 214500)(②常州大學(xué)巖土工程研究所 常州 213164)(③西南交通大學(xué)地質(zhì)工程系 成都 610031)

0 引 言

污泥的含水率高且體積龐大，并含有多種有毒、有害物質(zhì)，如果不進(jìn)行有效處理，將會(huì)隨著雨水等進(jìn)入水體和土壤并且累積，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染(Vieira et al.，2014)，借鑒固化劑改良特殊土的特性(常志璐， 2017； 馮巧等， 2017)，開(kāi)展固化污泥研究具有重要意義。

在國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的共同努力下，取得了一系列成果。Kamaluddin et al. (1995)采用水泥作為單一的固化劑，污泥固化后的固結(jié)特征與超固結(jié)土類(lèi)似。同時(shí)，Themblay et al. (2001)對(duì)單純水泥作為固化劑固化疏浚污泥進(jìn)行研究，從初始孔隙比、固化劑摻量等方面的改變分析固化體的壓縮特性。張俊峰等(2015)則采用改性水泥固化污泥，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，從宏觀和微觀角度對(duì)分析水泥固化污泥的機(jī)理。相關(guān)研究表明(Sun et al.，2014)，僅僅采用水泥固化污泥，固化體的強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，其強(qiáng)度很少能夠達(dá)到資源化利用或填埋的要求，這也就導(dǎo)致固化體中水泥含量不斷增加，增加了固化成本(胡聚豪， 2013)。因此，尋找其他輔助材料與水泥配合則成為當(dāng)務(wù)之急(Xin et al.，2016)。

鄭修軍等(2008)采用正交試驗(yàn)，尋找各種材料互相組合固化污泥強(qiáng)度的影響規(guī)律。李磊等(2005)開(kāi)展了不同條件下固化污泥的壓縮特性研究，探討了壓縮性變化機(jī)理。Zhu et al. (2015)采用苯酚作為吸附劑來(lái)改性污泥，結(jié)果表明吸附效果很好。王鵬等(2015)采用離散短絲纖維加筋技術(shù)，著重研究該技術(shù)對(duì)市政污泥固化后的固結(jié)特性的影響，從纖維摻入變化量的改變來(lái)分析滲透系數(shù)和固結(jié)系數(shù)的變化。

然而，大多數(shù)學(xué)者的目光都集中在其強(qiáng)度和壓縮性上，對(duì)滲透性和浸出液的研究卻很少(劉漢龍等， 2016)。另一方面，土的滲透性完全可能影響土體力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，而且污泥固化體的滲透性越低，污染物的溶慮性能也隨之降低(張志紅等， 2014)，所以降低污泥固化體的滲透系數(shù)是控制二次污染產(chǎn)生的重要途徑(陳偉， 2012)。因此對(duì)固化劑下的污泥滲透性的研究十分必要。

紙漿渣燒結(jié)灰(PS灰)是造紙過(guò)程中紙漿渣經(jīng)鍋爐焚燒后在爐底產(chǎn)生的灰質(zhì)材料，是造紙工業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物。利用PS灰所具有的吸水性和自硬性(朱春鵬等， 2012)，并結(jié)合水泥研制廉價(jià)有效的新型污泥固化劑配方，能夠把造紙產(chǎn)生的廢棄物(Rahmat et al.，2016)與污泥相結(jié)合，增加資源利用率，降低環(huán)境污染，具有較高的研究?jī)r(jià)值和良好的推廣價(jià)值。同時(shí)結(jié)合固化淤泥的力學(xué)特性(賴(lài)夏蕾等， 2016)和滲透性方面(查甫生等， 2014)的研究成果，對(duì)紙漿渣燒結(jié)灰(PS灰)和水泥固化污泥的滲透性能進(jìn)行研究。

1 原料的選用與試樣的制備

試驗(yàn)中采用的PS灰來(lái)源于山東省青苑紙業(yè)有限責(zé)任公司，焚燒爐采用臨沂鍋爐廠生產(chǎn)的LC40-5-1.25型號(hào)焚燒鍋爐，紙漿渣焚燒較多的采用此型號(hào)鍋爐。通過(guò)工程測(cè)試，PS灰的pH值為7.75，呈弱堿性； PS灰的工程吸水率為86.3%，固有吸水率為53.9%。

污泥采用常州市武進(jìn)區(qū)污水處理廠經(jīng)生化處理過(guò)的廢棄污泥，通過(guò)測(cè)試，其物理力學(xué)性質(zhì)如下： 含水率為574.38%、塑限為138.19%、液限為563.22%、有機(jī)質(zhì)含量為66.55%(采用灼失量法)、 平均抗剪強(qiáng)度為1.7ikPa(微型十字板試驗(yàn))。

試驗(yàn)中水泥采用的是常州產(chǎn)的常紅牌普通硅酸鹽水泥(標(biāo)號(hào)為425)。試樣制備過(guò)程如下：先將污泥樣放入攪拌機(jī)中攪拌，使之成為泥漿，然后按照計(jì)算的配合比加入PS灰和水泥，攪拌成均勻的混合漿體，最后將固化體裝入三軸試樣模具內(nèi)，在室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)24ih后拆模，然后將拆模后的試樣裝于自封袋中放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28id。養(yǎng)護(hù)到齡期后，將取出的試樣進(jìn)行滲透和靜水淋溶試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用多因素分析法，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(GB/T50123—1999)以及《土壤固化外加劑》(CJT486-2015)，考慮不同PS灰含量與水泥含量對(duì)污泥的固化效果。

將取紙漿渣燒結(jié)灰含量(與污泥質(zhì)量的比值)為10%、15%、20%和25%簡(jiǎn)化為PS灰配合比，水泥含量(與污泥質(zhì)量的比值)為8%、12%、16%和20%簡(jiǎn)化為水泥配合比。

2 固化污泥的基本工程特性試驗(yàn)

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)中分別控制PS灰和水泥的含量，采用PS灰配合比和水泥配合比，并在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28id后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。通過(guò)響應(yīng)面分析，污泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PS灰含量、水泥含量的關(guān)系擬合表達(dá)式如下：

z=-9.570+0.106x+1.154y-0.152x2-

0.005y2+0.068xy

R2=0.95

(1)

式中，x為紙漿渣燒結(jié)灰的摻入含量(%)；y為水泥的摻入含量(%)；z為固化污泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(kPa)。

圖 1 固化污泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig. 1 Unconfined compression strength of solidified sludge

從圖 1中可知，固化污泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PS灰和水泥含量呈“階梯形”分布，且當(dāng)水泥和PS灰含量最少時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低。即當(dāng)紙漿渣燒結(jié)灰摻入含量為20%、水泥摻入含量為20%時(shí)，固化污泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值40.0ikPa。

2.2 滲透試驗(yàn)

本試驗(yàn)通過(guò)控制PS灰配合比和水泥配合比對(duì)污泥進(jìn)行固化滲透試驗(yàn)，采用PS灰配合比與水泥配合比。污泥固化土的滲透系數(shù)與紙漿渣燒結(jié)灰含量、水泥含量的關(guān)系見(jiàn)圖 2。

圖 2 固化污泥滲透系數(shù)與水泥摻入含量的關(guān)系Fig. 2 Relationship between infiltration coefficient of solidified sludge and cement content

由此可知，摻入PS灰會(huì)較大程度地降低固化污泥土的滲透系數(shù)。而且，當(dāng)水泥含量較高時(shí)，剛開(kāi)始加入PS灰，固化污泥土的滲透系數(shù)降低較快，之后再加入PS灰，滲透系數(shù)降低速度會(huì)減緩，甚至?xí)霈F(xiàn)增加。

從圖 2中可得出，同時(shí)摻入水泥和PS灰相比于單一摻入水泥固化污泥，滲透系數(shù)變化較大，固化效果較明顯，但固化體的滲透系數(shù)并非隨著PS灰和水泥的摻入量增加而下降。因此，將固化體中摻入的PS灰和水泥含量與其滲透系數(shù)繪制三維曲面(圖 3)，并進(jìn)行響應(yīng)面分析，擬合表達(dá)式如下：

z=6.757-0.201x-0.186y-

0.002x2+0.003xy

R2=0.95

(2)

圖 3 固化污泥滲透系數(shù)與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系Fig. 3 Relationship among infiltration coefficient of solidified sludge and cement content and PS ash content

用PS灰和水泥含量表示的固化污泥滲透系數(shù)的等值線圖(圖 4)。

圖 4 固化污泥的等值線圖Fig. 4 Contour chart of solidified sludge

2.3 靜水淋溶試驗(yàn)

試驗(yàn)通過(guò)半消法和純水法對(duì)PS灰中的離子含量進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)出出液重金屬離子的濃度

當(dāng)采用浸取液為pH=7的去離子水，對(duì)固化污泥的浸出液進(jìn)行重金屬離子測(cè)定。

2.3.1 Cd離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

固化污泥浸出液中Cd離子的濃度與摻入的水泥含量和PS灰含量的關(guān)系，如圖5所示。

圖 5 摻入不同水泥和PS灰與浸出液Cd離子濃度的關(guān)系圖Fig. 5 The relationship among Cd ions concentration in leaching solution and cement content and PS ash content

由上圖可知當(dāng)水泥摻入量較低，即摻入量在8%～12%時(shí)，隨著PS灰含量增加，浸出液基本檢測(cè)不到Cd離子； 但當(dāng)水泥摻入量在12%～16%時(shí)，摻入適量的PS灰，會(huì)使固化污泥中較多Cd離子浸出，達(dá)到研究區(qū)域的最大值。此外，Cd離子的含量先增大后降低但遠(yuǎn)低于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 Cu離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

固化污泥浸出液中Cu離子的濃度與摻入的水泥含量和PS灰含量的關(guān)系(圖6)。

圖 6 摻入不同水泥和PS灰與浸出液Cu離子濃度的關(guān)系圖Fig. 6 The relationship among Cu ions concentration in leaching solution and cement content and PS ash content

由圖6可知當(dāng)水泥摻入量低于16%時(shí)，隨著水泥含量的減少、PS灰含量的增加，浸出液中Cu離子不斷降低； 當(dāng)水泥摻入量高于16%時(shí)，隨著水泥含量的增加、PS灰含量的增加，浸出液中Cu離子不斷降低； 水泥摻入量在12%～16%、PS灰摻入量在10%～17.5%時(shí)候，會(huì)使固化污泥中浸出的Cu離子濃度迅速增加，達(dá)到研究區(qū)域的最大值。此外，固化污泥浸出液中Cu的含量低于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)，但是高于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)含量。

2.3.3 Pb離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

由表 1、 表 2及表3看出，污泥以及樣品浸出液中的Pb的含量全為負(fù)值，說(shuō)明浸出液中Pb的含量低于監(jiān)測(cè)儀器的精度，可以認(rèn)為浸出液中不含有Pb離子。

表 1 半消法測(cè)定金屬離子Table 1 Determine metal ions by semi digestion

表 2 純水法測(cè)定金屬離子Table 2 Determine metal ions by pure water method

2.3.4 Zn離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

由表 3看出，固化污泥樣品浸出液中Zn的離子大部分為負(fù)值，也就是說(shuō)在浸出液中基本不含有Zn離子。只有當(dāng)摻入的紙漿渣燒結(jié)灰和水泥較低時(shí)，浸出液中存在Zn離子，并且隨著摻入量的增加，浸出液中Zn離子濃度迅速降低。而從表 1中可以看出，純水法測(cè)定污泥中Zn離子濃度最大達(dá)到了1.442img·L-1，采用水泥和PS灰固化后，效果非常顯著。

表 3 浸取液pH=7時(shí)固化污泥中的金屬離子含量(單位：mg·L-1)Table 3 Content of metal ions in solidified sludge with pH=7 of leaching solution(unit： mg·L-1)

2.3.5 Fe離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

圖 7 不同含灰量的Fe的含量Fig. 7 Content of Fe ions with different contents of ash

固化污泥浸出液中Fe離子濃度隨水泥和PS灰摻入量的變化見(jiàn)圖 7所示，可知當(dāng)水泥摻入量較低時(shí)，浸出液中Fe離子隨著PS灰含量的增加，其濃度迅速降低； 當(dāng)水泥摻入量高于10%、PS灰含量高于17.5%時(shí)，隨著水泥含量的增加、PS灰含量的增加，浸出液中Fe離子濃度降低的很緩慢。此外，固化污泥浸出液中Fe離子的含量低于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)含量。

2.3.6 Mn離子濃度與水泥和PS灰摻入量的關(guān)系

圖 8 不同含灰量的Mn的含量Fig. 8 Content of Mn ions with different contents of ash

固化污泥浸出液中Mn離子濃度隨水泥和PS灰摻入量的變化見(jiàn)圖8所示，可知當(dāng)水泥摻入量較低，PS灰摻入量在12%～15%時(shí)，浸出液中Mn離子濃度存在著最大值點(diǎn)，即圖中三維圖存在一個(gè)頂點(diǎn)； 當(dāng)水泥摻入量較高、PS灰含量也較高時(shí)，三維圖在此區(qū)域內(nèi)也存在一個(gè)頂點(diǎn)，但濃度最低點(diǎn)存在于水泥含量為12%～15%處，而此時(shí)PS灰含量最高。此外，固化污泥浸出液中Mn離子的含量高于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)含量，遠(yuǎn)低于污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，PS灰和水泥的摻入對(duì)浸出液中金屬離子的含量有顯著影響，能夠較好固化其中的重金屬離子。PS灰對(duì)Cd離子的影響最為顯著，其他重金屬離子的含量受PS灰和水泥摻入量的共同作用。

同時(shí)，結(jié)合圖 2、圖 5、圖 6、圖 7和圖 8可發(fā)現(xiàn)，浸出液中離子濃度的極小值都位于PS灰含量為25%處，同時(shí)該處的固化污泥的滲透性皆較小。

3 結(jié) 論

(1)固化污泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與PS灰和水泥含量呈“階梯形”分布，當(dāng)紙漿渣燒結(jié)灰參入含量為20%、水泥摻入含量為20%時(shí)，固化污泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值40.0ikPa。

(2)當(dāng)水泥和PS灰的含量較少時(shí)，隨著水泥和PS灰的含量增加，固化污泥的滲透系數(shù)降低。而且，當(dāng)水泥含量較高時(shí)，剛開(kāi)始加入PS灰，固化污泥土的滲透系數(shù)降低較快，之后再加入PS灰，滲透系數(shù)降低速度會(huì)減緩。

(3)同時(shí)摻入水泥和PS灰相比于單一摻入水泥固化污泥，滲透系數(shù)變化較大，但固化體的滲透系數(shù)并非隨著PS灰和水泥的摻入量增加而下降，響應(yīng)面分析的擬合表達(dá)式為：

z=6.757-0.201x-0.186y-0.002x2+0.003xy。

(4)PS灰含量一定時(shí)，水泥含量增加，使得樣品中的有些金屬離子被水泥固化，金屬離子含量的整體趨勢(shì)逐漸下降； Cu離子和Cd離子的最大固化效果皆在水泥含量為12%以下，而其他離子則相反，且浸出液中離子濃度隨PS灰含量的增加而降低。