污泥固化抗壓強度研究

俞梅

（上海傲江生態(tài)環(huán)境科技有限公司，上海200120）

我國當前的污泥安全無害化處置率尚不足30%，國家對污泥處置必要性并沒有特別重視，和水處理和大氣處理相比，污泥處置得到的國家支持力度太小，以至于國內(nèi)生產(chǎn)污泥的企業(yè)亂排亂倒，造成污泥堆積的現(xiàn)象，具有一定的危害性。從全球可持續(xù)發(fā)展的角度來講，我們正面臨著資源緊缺、能源價格上漲、土壤有機質流失以及碳排放量高的現(xiàn)狀，未來從污泥中索要資源和能源亦是大勢所趨。

一般垃圾填埋場污泥含水率高達80%以上，整個垃圾填埋場的環(huán)境并不適宜清挖擾動，清挖難度較大，因此選擇現(xiàn)在選擇原位固化處理技術較多；污泥長時間堆放容易細菌滋生，散發(fā)出惡臭味，若是在下風口，將嚴重的影響下風口周邊的居住環(huán)境；垃圾填埋場中的污泥會經(jīng)過經(jīng)水浸泡、溶解，產(chǎn)生滲濾液，若不做好倒排和阻隔工作，滲濾液將污染周邊的地下水體和地表水；另外填埋場中污泥絕大部分含有重金屬，如果不進行處置，污泥中的重金屬將會遷移至周邊土壤，造成周邊土壤污染。

1 試驗說明

本試驗中污泥是某垃圾填埋場的污泥，由于垃圾填埋場污泥是包含水、泥沙、纖維、動植物殘體及各種絮體、膠體、有機質、微生物、病菌、蟲卵、重金屬及各種無機鹽等的復雜多相體系，體現(xiàn)在巖土工程的物理力學特性是：顆粒極細、飽和、流動狀、有機質含量高和長時間難以固結，強度指標基本為零。一般垃圾填埋場再利用的要求為污泥含水率需≤60%，無側限抗壓強度（kpa）≥50。為了明確該垃圾填埋場污泥固化后抗壓強度和含水率的變化，本文中將取該垃圾填埋場污泥做小試試驗，首先添加不同比例水泥、生石灰，粉煤灰確認含水率和抗壓強度的變化，先選出添加不同比例水泥，生石灰后含水率較低的實驗組，且考慮到藥劑添加適宜的情況下，選出合適的3組試驗，這3 組試驗檢測抗壓強度，其中抗壓強度較大的試驗組，在添加固化劑比例不超過30%的前提下，選出最優(yōu)的固化藥劑添加比例，降低工程成本。

2 試驗材料和設備

2.1 試驗材料

試驗材料包括污泥和固化劑，污泥是某垃圾填埋場污泥，污泥顏色呈灰黑，惡臭味較大，污泥含水率為75%。固化劑成分包括水泥，生石灰，粉煤灰，通過添加不同比例調(diào)配而成。本試驗中材料的組成比例如下：

其中水泥是普通硅酸鹽水泥，主要成分組成是SiO2含量22.27%，Al2O3含量4.75%，F(xiàn)e2O3含量3.91%，CaO 含量64.39%，MgO 含量1.62%；生石灰主要組分CaO 含量93.28%，Al2O3含量0.35%，MgO 含量1.24%；粉煤灰主要組分SiO2含量45.43%，CaO 含量5.76%，Al2O3含量27.43%，MgO 含量2.57%，F(xiàn)e2O3含量4.65%。

2.2 試驗儀器

試樣制備儀器：長寬15cm，高度15cm 的正方體磨具；

含水率：玻璃皿，烘箱，電子天平；

抗壓強度：無側限抗壓強度試驗的儀器設備。

3 試驗步驟

3.1 考慮到這三種固化劑成本及使用效果，首先做添加水泥和石灰正交試驗，水泥添加比例設計為0，5%，10%，15%，20%，石灰添加比例設計為0，2%，4%，6%，8%，根據(jù)不同的藥劑配比，放進烘箱在105℃的溫度下烘4h，檢測出含水率。

3.2 選出含水率低于60%的3 組試驗，再與粉煤灰做正交試驗，添加比例設計為0，3%，5%，7%，10%。養(yǎng)護7d 后送往試驗室做無側限抗壓強度試驗。

4 試驗結果分析

4.1 含水率試驗結果分析

選出含水率低于60%的3 組試驗：H-10，H-16，H-21 含水率分別為41.37%，47.38%，51.13%。H-10 試驗組水泥10%，生石灰8%；H-16 試驗組水泥15%，生石灰4%；H-21 試驗組水泥20%，生石灰2%。

上述試驗中污泥的含水率隨著石灰得添加，含水率降低。是因為污泥中的水分主要包括自由水，吸著水和細胞結合水。自由水：存在與固體顆?？紫吨械乃郑话阍诨旌蠑嚢柽^程中被固化材料吸收結合，在壓縮、擠壓情況下會析出。吸著水：在固體顆粒表面以水膜的形式存在，難以擠壓壓縮出來。細胞結合水：在固體顆粒的團粒中或者細胞膜中結合的水分，在強烈擾動下會析出成為自由水。為了減去污泥中的自由水，一般是添加生石灰，生石灰中的氧化鈣成分與污泥中的水分發(fā)生水化反應，產(chǎn)生大量的熱，可以使使污泥內(nèi)部溫度可升高，促進污泥中自由水的蒸發(fā)速度的同時，還使得污泥中微生物細胞中的水蒸汽壓力不斷增加，直至破壞細胞結構，釋放吸著水。但并不是生石灰加的越多越好，還要考慮到污泥固化成本以及污泥固化的抗壓強度。因此選出含水率降到60%以下，且藥劑水泥和石灰藥劑一起添加比例為20%左右的3 組試驗，進一步確定最佳的粉煤灰的投加量。

4.2 抗壓強度試驗結果分析

以上3 組試驗與粉煤灰做正交試驗，探究每組粉煤灰添加量0，3%，5%，7%，10%后污泥的抗壓強度的變化。由下圖可以看出，抗壓強度隨著粉煤灰的投加而增大，H-21 組不加粉煤灰，抗壓強度已經(jīng)大于50kpa，而H-16 組合H-10 組粉煤灰投加量分別大于5%和10%的時候，抗壓強度才開始大于50kpa。根據(jù)水泥，生石灰和粉煤灰的市場價，H-10 組所有添加量組單價都低于其他組，結合現(xiàn)場工程實際成本考慮，選擇最低的藥劑成本且由能符合工程要求的藥劑添加比例，可選擇H-10 組中粉煤灰添加量為7%時，抗壓強度達到60kpa，且藥劑單價為80 元/噸泥。最終的最優(yōu)的固化藥劑添加比例為水泥添加10%，生石灰添加8%，粉煤灰添加7%。該藥劑添加比例可運用在垃圾填埋場的污泥的固化處理中，能以最低處理成本固化污泥。

圖1

5 污泥固化機理分析

固化藥劑成分主要有生石灰，水泥和粉煤灰，生石灰和污泥中的水分發(fā)生水化反應，結合水分并產(chǎn)生熱量致使污泥中的水分蒸發(fā)，可降低污泥中一部分自由水，其中鈣離子可以和土顆粒反應形成結晶產(chǎn)生硬化；石灰與土中的碳酸和空氣中的二氧化碳發(fā)生反應生成固化碳酸鈣，而這些碳酸鈣不會溶于水，能夠增強污泥的強度。水泥是一種無機膠凝材料，會與污泥中的水發(fā)生水化反應，使污泥有了一定的硬度，并且將污泥中的重金屬包裹住形成膠粒，降低重金屬的遷移性和活性，達到一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。粉煤灰固化機理與水泥固化機理相似，都是發(fā)生水化發(fā)應，然后膠結土顆粒。若使用單一組分固化劑處理污泥，殺菌，降水，以及提高抗壓強度和抗剪強度這四種結果并不能同時達到。因此將用這三種藥劑復配成固化劑，可以達到各種處置目的，使消納污泥場地能再次被利用。

6 結論

通過上述實驗得出，該垃圾填埋場物污泥固化所需的最優(yōu)的固化藥劑添加比例為水泥添加10%，生石灰添加8%，粉煤灰添加7%，污泥固化后的抗壓強度能達到60kap，含水率為41.37%。該藥劑添加比例能以最低處理成本固化污泥，最終所用固化藥劑單價為80 元/噸泥。該垃圾填埋場的污泥原位固化處理合格后，可再次被利用，進行覆蓋綠植做觀賞場地，或者做二次垃圾的消納場地，降低垃圾填埋場污泥對水體，大氣以及周邊環(huán)境的污染風險。