污泥-生活垃圾混合填埋體抗剪強(qiáng)度特性研究

王佩 周文淵 閆坤 廖丹

摘要：污泥送入生活垃圾填埋場進(jìn)行混合填埋是國內(nèi)外常用的處置途徑之一。混合填埋體強(qiáng)度參數(shù)對填埋場穩(wěn)定性有重要影響，為此在實驗室開展了不同擊實功、不同污泥添加量以及不同生化降解時間條件下污泥-生活垃圾混合試樣的強(qiáng)度試驗，對其強(qiáng)度特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：① 隨著擊實功的增加，混合試樣的抗剪強(qiáng)度整體上逐漸增大，當(dāng)其密度超過1 050 kg/m3時，混合試樣的內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象，其抗剪強(qiáng)度增加幅度很小甚至減小。② 隨著污泥添加量的增加，混合試樣的內(nèi)摩擦角逐漸減小，凝聚力逐漸增加，但是當(dāng)污泥添加量超過40%時，其凝聚力反而減小。③ 隨著生化降解的進(jìn)行，混合試樣抗剪強(qiáng)度整體趨勢在增加，凝聚力和內(nèi)摩擦角的整體趨勢也在增加。

關(guān) 鍵 詞：污泥; 生活垃圾; 垃圾填埋; 抗剪強(qiáng)度; 生活垃圾降解

污泥是污水脫水處理后的沉淀物質(zhì)，富含微生物、有機(jī)物、病原體、重金屬等，若不進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幹?，很容易造成大量污染物外泄，對環(huán)境產(chǎn)生二次污染[1]。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，污泥產(chǎn)量急劇增加[2]。數(shù)據(jù)顯示：2016年，全國污泥處理能力約為1 300萬t/d，全國污泥處理率僅達(dá)到33%，有67%左右的污泥沒有得到無害化處理處置，對生態(tài)環(huán)境造成威脅。日益嚴(yán)重的污泥問題對社會、環(huán)境已造成嚴(yán)重的影響[3]。

由于填理處置方式具有技術(shù)成熟、工藝設(shè)備及操作簡單、接納量大等優(yōu)點(diǎn)，以及受到我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，我國污泥處置方式主要為送入垃圾填埋場進(jìn)行填埋處置[4-5]，但是對于污泥與生活垃圾混合填埋的研究相對缺乏。近年來，國內(nèi)外混合填埋場屢屢發(fā)生工程事故。如國內(nèi)某大型填埋場混合填埋污泥和垃圾時未考慮其特殊性質(zhì)，造成填埋氣壓和孔隙水壓力過高，污泥受壓擠滲入周邊垃圾和襯墊系統(tǒng)中導(dǎo)致堆體抗剪強(qiáng)度降低[6]。2009 年英國發(fā)生填埋場失穩(wěn)事故，大量垃圾、污泥和滲濾液沖出填埋場排入附近的城市河道，引發(fā)了嚴(yán)重的區(qū)域環(huán)境污染[7]。分析失事原因，主要是由于污泥送入垃圾填埋場進(jìn)行填埋處置缺少理論性、技術(shù)性支撐，導(dǎo)致填埋場發(fā)生失穩(wěn)事故，引起環(huán)境污染。

目前，國內(nèi)外對混合填埋體剪切強(qiáng)度特性已經(jīng)進(jìn)行了初步研究，但是研究成果還不能滿足實際工程的需要，尤其缺乏考慮生化降解對混合填埋體抗剪強(qiáng)度影響的研究。趙由才等采用礦化垃圾和建筑垃圾分別與污泥進(jìn)行混合[8]，研究其相關(guān)的力學(xué)性質(zhì)，指出混合質(zhì)量比達(dá)到0.7時，其抗壓強(qiáng)度均滿足50 kPa的填埋要求。施建勇對污泥和生活垃圾混合填埋體進(jìn)行研究[9]，結(jié)果表明混入生活垃圾可以有效提高污泥填埋體的強(qiáng)度，混合填埋體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)硬化型;混合填埋體的滲透系數(shù)相比污泥有了明顯增加。于小娟采用常規(guī)三軸儀對污泥和生活垃圾混合填埋體開展固結(jié)不排水試驗[10]，結(jié)果表明：混入生活垃圾可以有效改善污泥的強(qiáng)度特性;隨著污泥/生活垃圾的質(zhì)量比逐漸增加，混合填埋體的凝聚力先增加后減小，內(nèi)摩擦角減小。Reddy的試驗結(jié)果證明[11]：隨著降解的進(jìn)行，填埋體內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)生化降解，導(dǎo)致垃圾土結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，其強(qiáng)度隨著降解的進(jìn)行發(fā)生變化，在270 d的降解過程中，凝聚力逐漸增加，內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)減小的趨勢。陳云敏等通過三軸固結(jié)排水試驗研究了不同填埋齡期垃圾原狀土的抗剪強(qiáng)度[12]，結(jié)果顯示凝聚力隨齡期增加而減小，摩擦角隨齡期增加而增大。

污泥和生活垃圾在物質(zhì)組成[13-14]、生化降解[15-16]、力學(xué)性質(zhì)等方面有著較大的差異[17-18]，已有關(guān)于垃圾土的相關(guān)研究成果并不完全適用于這種混合填埋體。因此，需要對污泥-生活垃圾混合填埋體的強(qiáng)度特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文在實驗室通過從不同擊實功、不同污泥添加量以及不同生化降解時間等3個方面進(jìn)行污泥-生活垃圾混合試樣的強(qiáng)度試驗，對其強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗污泥取自某市污水處理廠的脫水污泥，其物理指標(biāo)見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，相比軟土和淤泥，污泥屬于典型的高含水率、高有機(jī)質(zhì)含量的有機(jī)廢棄物[19-20]。

城市生活垃圾成分復(fù)雜，大體可以包括紙張、玻璃、塑料、橡膠、皮革、紡織品、草木、廚余垃圾、磚石、金屬、泥土等[21]。在分析國內(nèi)填埋場中垃圾分揀資料的基礎(chǔ)上，人工配制試驗所需的新鮮生活垃圾，具體組分及含量見表2[9，13，18]。垃圾組分尺寸控制在30mm以內(nèi)[22-23]。

1.2 試驗方案

《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》要求污泥進(jìn)入填埋場進(jìn)行混合填埋處置時，含水率不超過150%[24]。

本文通過晾曬污泥，將其含水率降低至150%;在分析國內(nèi)填埋場垃圾土含水率的基礎(chǔ)上，將試驗所用的垃圾含水率配制為60%[25-26]。基于此，開展以下3個方面的強(qiáng)度試驗。

（1） 新鮮生活垃圾抗剪強(qiáng)度與擊實功的關(guān)系。對新鮮生活垃圾進(jìn)行重型擊實試驗，每層擊實次數(shù)分別為0次、5次、25次、50次、75次、100次。其中0擊次將試樣分5層裝填于擊實筒，研究擊實功對新鮮生活垃圾密度的影響。在研究新鮮生活垃圾抗剪強(qiáng)度時，本文選取4種密度（試樣密度為濕密度，分別選取750，950，1 050，1 200 kg/m3）新鮮生活垃圾試樣進(jìn)行直剪試驗。

綜合上述試驗，研究新鮮生活垃圾抗剪強(qiáng)度與擊實功的關(guān)系。

（2） 污泥添加量對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強(qiáng)度的影響。在填埋作業(yè)時，會對污泥-生活垃圾混合試樣進(jìn)行分層碾壓，基于此采用重型擊實試驗制備直剪試樣。將污泥和生活垃圾按質(zhì)量比例（0%，12.5%，20%，30%，40%，50%）混合攪拌均勻密封養(yǎng)護(hù)1 d后，進(jìn)行分層擊實，開展抗剪強(qiáng)度試驗（法向應(yīng)力分別為100，200，300，400 kPa），研究不同污泥添加量條件下污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度。

（3） 生化降解對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強(qiáng)度的影響。為了測試不同生化降解下污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度特性，選擇污泥和生活垃圾的質(zhì)量比為12.5%，20%，30%，40%混合攪拌均勻。將配置好的污泥-生活垃圾混合試樣分層裝入塑料桶內(nèi)并密封，模擬填埋場的生化降解試驗，試驗周期180 d。然后在不同降解時間取出試樣進(jìn)行直接剪切試驗，測定不同降解時間時混合試樣的抗剪強(qiáng)度。

強(qiáng)度試驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀，根據(jù)GB/T50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)剪切位移超過4 mm后仍然沒有出現(xiàn)峰值，此時，剪切試驗繼續(xù)進(jìn)行，將剪切位移量達(dá)到6 mm時的剪應(yīng)力選取為抗剪強(qiáng)度值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 新鮮生活垃圾抗剪強(qiáng)度與擊實功關(guān)系

將不同密度條件下新鮮生活垃圾的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系繪制成如圖1所示。將新鮮生活垃圾的密度與每層擊實次數(shù)的關(guān)系繪制如圖2所示。

由圖1～2可知，隨著擊實次數(shù)增加，新鮮生活垃圾的密度逐漸增大，其抗剪強(qiáng)度包線的位置逐漸上移;在整體上，隨著擊實次數(shù)的增加，生活垃圾試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大。這是由于擊實功的增加導(dǎo)致生活垃圾的密實度增大，試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大[27]。

當(dāng)每層擊實次數(shù)為50次時，試樣的密度達(dá)到1 050 kg/m3，隨著擊實次數(shù)繼續(xù)增加，新鮮生活垃圾試樣密度繼續(xù)增大，其內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象，抗剪強(qiáng)度增加幅度很小甚至減小。這是由于當(dāng)擊實功達(dá)到一定值時，隨著擊實功繼續(xù)增加，在制樣過程中容易導(dǎo)致紙類、塑料等沿水平排列，不能很好地發(fā)揮加筋作用[27];另外，塑料表面比較光滑，摩擦系數(shù)較小，導(dǎo)致生活垃圾的抗剪強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定甚至可能減小[26]。

2.2 混合試樣抗剪強(qiáng)度與污泥添加量關(guān)系

由2.1節(jié)試驗結(jié)果，在進(jìn)行新鮮污泥-生活垃圾混合試樣填埋制樣時，每層重型擊實50次控制試樣密度;對不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合試樣進(jìn)行快剪試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。將圖3進(jìn)行整理可以得到內(nèi)摩擦角、凝聚力與污泥添加量的關(guān)系，如圖4所示。

從圖3～4可以看出：① 污泥與生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型曲線;純垃圾的凝聚力c較小，內(nèi)摩擦角φ較大;隨著污泥添加量逐漸增加，試驗得到的φ值逐漸減小;而隨著污泥添加量的增加，c值卻逐漸增加，在本次試驗中，污泥添加量達(dá)到40%時，c值增加最大，而純污泥相當(dāng)于污泥添加量無窮大時的污泥-生活垃圾混合試樣，其內(nèi)摩擦角φ值僅有2.5°，凝聚力c值也僅有5.16 kPa，所以，當(dāng)污泥添加量過大時，污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力c值反而會逐漸減小。② 當(dāng)法向應(yīng)力為400 kPa時，純垃圾的剪應(yīng)力達(dá)到180.1 kPa，污泥添加量為50%的污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力為159.4 kPa，隨著污泥的混入，污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力明顯降低;純垃圾的內(nèi)摩擦角φ為23.8°，污泥添加量為50%的混合試樣的內(nèi)摩擦角φ為20.1°，可以發(fā)現(xiàn)隨著污泥的混入，污泥-生活垃圾混合試樣的內(nèi)摩擦角φ明顯減小。因此，將污泥送入垃圾填埋場中進(jìn)行填埋處理時，需要重點(diǎn)關(guān)注填埋邊坡的穩(wěn)定性問題。

2.3 混合試樣抗剪強(qiáng)度與生化降解時間關(guān)系

隨著降解的進(jìn)行，易降解有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下逐漸降解，產(chǎn)生水、CO2和甲烷等，導(dǎo)致混合試樣的有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，無機(jī)物含量增加[14]。無機(jī)物中含有大量纖維狀物質(zhì)，其強(qiáng)度明顯大于有機(jī)物的強(qiáng)度，所以，隨著降解的進(jìn)行，污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸增大[12]。

根據(jù)試驗結(jié)果，污泥-生活垃圾混合試樣在不同降解時間下的抗剪強(qiáng)度包線如圖5所示。由圖5可以看出：不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增加呈線性增大的趨勢，符合摩爾-庫倫定律，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)與降解時間的關(guān)系如圖6所示。從圖5及圖6可以看出，整體上隨著降解時間的延長，凝聚力和內(nèi)摩擦角整體上逐漸增大。但是，也可以發(fā)現(xiàn)，降解時間為30 d時，其抗剪強(qiáng)度、凝聚力和內(nèi)摩擦角都明顯小于降解初期（降解時間0 d時）。其原因是在本次試驗中，將室內(nèi)配置好的污泥和生活垃圾混合均勻后養(yǎng)護(hù)1 d，即對其進(jìn)行直剪試驗。在降解初期，隨著降解時間的延長，混合試樣中的水與其他物質(zhì)充分混合，紙類、塑料、廢布料等纖維狀物質(zhì)被充分軟化，其抗剪強(qiáng)度下降。由圖5可以明顯看出：30 d時污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度包線所在的位置在0 d時的下面，其斜率也較小;30 d后，隨著降解時間的延長，抗剪強(qiáng)度包線的斜率逐漸增大，且其位置也逐漸抬升，表明其抗剪強(qiáng)度、凝聚力和內(nèi)摩擦角隨著降解的進(jìn)行逐漸增大。

當(dāng)降解時間由30 d增加到180 d時，內(nèi)摩擦角和凝聚力都有不同程度的增加。如圖6所示，污泥添加量為12.5%的污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力由11.69 kPa增大到13.98 kPa，內(nèi)摩擦角由18.9°增大到23.4°;污泥添加量為20%時，凝聚力由12.72 kPa增大到14.38 kPa，內(nèi)摩擦角由19.8°增大到23.9°;污泥添加量為30%時，凝聚力由13.9 kPa增大到20.62 kPa，內(nèi)摩擦角由20.6°增大到23.3°;污泥添加量為40%時，凝聚力由15.8 kPa增大到21.88 kPa，內(nèi)摩擦角由20.1°增大到22.4°。

3 結(jié) 論

（1） 隨著擊實功的增加，生活垃圾的抗剪強(qiáng)度整體上逐漸增大，當(dāng)每層擊實次數(shù)達(dá)到50次、密度超過1 050 kg/m3時，生活垃圾的內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象，其抗剪強(qiáng)度增加幅度很小甚至有減小的趨勢。

（2） 污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型;隨著污泥添加量的增加，污泥-生活垃圾混合試樣的內(nèi)摩擦角逐漸減小，凝聚力逐漸增加，但是當(dāng)污泥添加量超過40%時，其凝聚力反而減小。

（3） 在整體趨勢上，隨著有機(jī)質(zhì)降解時間的延長，污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力和內(nèi)摩擦角整體上逐漸增大。其中，在降解初期，抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ均減小，其原因是由于紙類、塑料、廢布料等纖維狀物質(zhì)被水充分軟化，其抗剪強(qiáng)度下降。

（4）本文采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀研究污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強(qiáng)度，由于生活垃圾的不均勻性和復(fù)雜性，下一步將通過提高剪切試驗盒的尺寸開展大型直剪試驗。

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（編輯：鄭 毅）