垃圾填埋場生態(tài)封場中污泥原位固化研究

張曉雨，周先進(jìn)，曹 俊

(重慶德潤新邦環(huán)境修復(fù)有限公司，重慶 400700)

根據(jù)《中國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2019年底,中國已有生活垃圾無害化處理場(廠)1 183座,其中衛(wèi)生填埋場652座、焚燒廠390座、其他141座。而在未來的10年內(nèi)，將有1 400余座填埋場陸續(xù)被填滿。除此之外，各地還存在著大量小規(guī)模的垃圾堆放點(diǎn)。

污泥進(jìn)入垃圾填埋場填埋一直是中國污泥處置的最主要方式，該方式具有投資少、處置量大、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，目前占 60%[1]。垃圾填埋場污泥池的存在使得填埋場容易引發(fā)如下問題[2]：①污泥填埋的單位面積土地容量低，嚴(yán)重影響填埋場的庫容和使用年限，造成土地資源的嚴(yán)重浪費(fèi)；②污泥含水量極高，并含有高濃度的 BOD5、COD、NH3-N、H2S、重金屬等有毒有害物質(zhì)，增加了垃圾滲濾液的處理量及處理難度；③污泥強(qiáng)度極低，污泥的流變性使得填埋體極易變形和滑坡，嚴(yán)重影響垃圾堆體的穩(wěn)定性[3]；④污泥池造成垃圾填埋場排氣排水不暢，極易堵塞垃圾填埋的氣體、滲濾液收集導(dǎo)排系統(tǒng)；⑤污泥池成為人為的“沼澤地”，周邊生態(tài)環(huán)境惡劣，直接威脅環(huán)境安全和公眾健康，留下嚴(yán)重的安全隱患。

垃圾填埋場存在占地面積大，運(yùn)行管理中環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，目前中國生活垃圾逐步推廣焚燒發(fā)電，在減少土地資源浪費(fèi)的同時(shí)，對(duì)生活垃圾進(jìn)行資源化利用。大量庫容已滿的垃圾填埋場進(jìn)入封場階段，而垃圾填埋場封場過程中，污泥池承載力低，難以滿足封場后土地再利用要求，因此，提高污泥池承載力是中國目前許多城市垃圾填埋場亟需解決的難題。污泥池場地修復(fù)包括原位固化、異位固化、土工管袋脫水、圍封覆蓋等技術(shù)[4]，其中原位固化技術(shù)產(chǎn)生的二次污染較少，工程量較低，具有較好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但由于垃圾填埋場污泥成分較復(fù)雜，往往含有較多垃圾和水分，嚴(yán)重影響固化效果。

本研究針對(duì)西南地區(qū)某大型垃圾填埋場污泥原位固化施工進(jìn)行研究，從固化劑配合比、施工工藝等方面對(duì)污泥原位固化中需要解決的問題進(jìn)行分析，為今后類似垃圾填埋場污泥池治理修復(fù)項(xiàng)目提供工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

1 工程概況及場地條件

本項(xiàng)目污泥固化區(qū)位于西南地區(qū)某大型垃圾填埋場B區(qū)(垃圾填埋場西北側(cè))，B區(qū)共4個(gè)污泥池，本研究針對(duì)1號(hào)污泥池的固化施工進(jìn)行研究(圖1)。1號(hào)污泥池面積約7 714 m2，污泥總量約為52 993.1 m3，需對(duì)污泥池上中下區(qū)域(含水率不同)污泥進(jìn)行固化處理，達(dá)到要求后再進(jìn)行封場處理，主要工作包括污泥原位固化、固化養(yǎng)護(hù)等工程內(nèi)容。

a)污泥池位置

填埋場污泥呈現(xiàn)灰黑色、黑色的流塑狀，表層已結(jié)硬殼，長有雜草，人踩有搖晃感，有腐臭味，填埋年限大于10年。根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，污泥池及周邊有雜填土、污泥、生活垃圾。

a)雜填土?；液稚?、灰色、雜色，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，主要由黏性土、砂土、砂泥巖碎塊、建筑及生活垃圾組成，硬雜物含量20%～40%，粒徑40～1 000 mm，回填年限約15年。

b)淤泥質(zhì)土。黑色、褐色，由生活污水、垃圾等組成。呈流塑狀，有腐臭味，局部含少量砂泥巖小碎石，粒徑3～8 mm，為罐車傾倒堆積形成，傾倒年限約15年。

c)生活垃圾?；液谏?、雜色，主要成分為生活垃圾，塑料袋、布條、污泥等。稍濕，有腐臭味，堆填年限約15年。

污泥池為雜填土經(jīng)過壓實(shí)堆填形成，池深約20～30 m。污泥池表層為污泥，厚度2.02～8.50 m，呈黑色，有腐臭刺鼻氣味，流塑狀，均分布于污泥池的上部。

2 污泥原位固化方案

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

污泥固化后含水率、pH、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等執(zhí)行設(shè)計(jì)指標(biāo)[5]，本研究以該指標(biāo)作為固化劑處理效果的判別標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值見表1。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 原狀污泥物理性狀調(diào)查

原狀污泥物理性狀調(diào)查勘測點(diǎn)采用網(wǎng)格布置，間距約15～20 m，共布設(shè)勘探孔18個(gè)，編號(hào)為ZY1—18，勘測剖面12條，布點(diǎn)見圖2。取樣后對(duì)污泥池原狀污泥進(jìn)行檢測，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖2 原狀污泥采樣分布

表2 原狀污泥物理性狀

2.3 污泥固化劑選擇

固化劑為普通硅酸鹽水泥、生石灰和粉煤灰按一定配比組成的混合物，試驗(yàn)配比見表3。

表3 固化劑配比 %

2.4 主要設(shè)備

污泥固化施工主要設(shè)備見表4。

表4 主要設(shè)備一覽

2.5 污泥固化原理

污泥原位固化主要是通過固化劑(水泥粉劑及其輔料)輸送設(shè)備及污泥攪拌設(shè)備，將固化劑輸送到污泥內(nèi)，通過一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，改變污泥形態(tài)，使其成為類似土壤等膠接強(qiáng)度較大的固體，封鎖污泥中的有毒有害物質(zhì)，提高場地的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度，滿足填埋場封場施工需求。污泥固化施工過程示意見圖3。

圖3 污泥原位固化工作原理

2.6 污泥原位固化流程

污泥原位固化施工，首先對(duì)污泥池進(jìn)行預(yù)處理。排除污泥池表層積水，因勢利導(dǎo)修建集水池，匯集污泥中過飽和水分及雨水，排出污泥池，同時(shí)將表層垃圾及雜物清理后運(yùn)至垃圾填埋區(qū)。經(jīng)預(yù)處理后，通過強(qiáng)力攪拌設(shè)備噴射投加藥劑，邊加藥劑邊攪拌，使固化劑與污泥充分混合。固化藥劑按照配合比分批按次序投加，攪拌過程中根據(jù)投加深度及污泥組成，控制攪拌時(shí)間和藥劑投加量(圖4)。

圖4 污泥固化工藝流程

3 結(jié)果與分析

現(xiàn)場取樣采用鉆孔取樣，使用100型鉆機(jī)采用無水回旋鉆進(jìn)，鉆探開孔直徑110 mm，終孔孔徑91 mm，回次進(jìn)尺小于1.0 m。于1.0、3.0、5.0 m采取擾動(dòng)土樣，及時(shí)封裝，填寫樣品標(biāo)簽，5種固化劑配比分別用于5個(gè)不同的區(qū)域，1號(hào)區(qū)域(1號(hào)配比)1、3、5 m深度取得的土樣依次命名為1-1號(hào)、1-2號(hào)、1-3號(hào)，其他區(qū)域以此類推。采樣完成后妥善保存，送往擁有檢測資質(zhì)的檢測公司進(jìn)行檢測(圖5、6)。

圖5 取樣點(diǎn)位平面分布

圖6 鉆探取樣

3.1 pH試驗(yàn)結(jié)果

1—5號(hào)不同深度處土樣酸堿度試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 pH檢測結(jié)果柱狀圖

由圖7可以看出，用5種固化劑處理后污泥的pH均符合污泥pH設(shè)計(jì)要求(pH<10)。

比較5個(gè)區(qū)域固化后污泥的pH發(fā)現(xiàn)，1、2號(hào)區(qū)域pH接近，3、5號(hào)區(qū)域pH稍低，4號(hào)區(qū)域堿性最強(qiáng)。對(duì)應(yīng)5種固化劑的組分，1、2號(hào)2種固化劑成分相同，1號(hào)僅較2號(hào)水泥含量低6%，水泥主要由硅酸鹽、少量氫氧化鈣等組成，硅酸鹽水解也是呈堿性，氫氧化鈣含量較少，故對(duì)處理后污泥酸堿度影響較小。生石灰屬于堿性氧化物，溶于水后生成強(qiáng)堿氫氧化鈣，3、5號(hào)點(diǎn)固化劑成分為水泥和粉煤灰，雖然粉煤灰中含有Na2O、FeO、CaO、MgO、Na2O等堿性氧化物遇水生成堿性產(chǎn)物，但因其含量較少，固化后酸堿度整體滿足設(shè)計(jì)要求。

此外，1、2號(hào)試樣深度在1～5 m范圍內(nèi)的pH變化幅度較3、4、5號(hào)大。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)果的成因可能與施工設(shè)備的作業(yè)方式有關(guān)。由于初期施工作業(yè)缺少相關(guān)的施工參數(shù)，對(duì)不同深度的垃圾土進(jìn)行摻料拌和時(shí)，保持出料口的壓強(qiáng)不變，導(dǎo)致在處理3、5 m深度時(shí)固化劑摻入量少，相應(yīng)的堿性小。

施工組技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，這一問題可能會(huì)導(dǎo)致原位固化拌和不均勻的情況，及時(shí)對(duì)施工方法進(jìn)行調(diào)整。在不同固化深度調(diào)整攪拌頭停留時(shí)間，隨著深度增加攪拌頭停留時(shí)間延長，并且提高出料口的壓強(qiáng)，在后續(xù)的施工中成效顯著。從3、4、5號(hào)3個(gè)區(qū)域的pH檢測結(jié)果來看，處理后土體不同深度的pH變幅不超過0.3。

3.2 含水率試驗(yàn)結(jié)果

1—5號(hào)不同深度處土樣含水率試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 土樣含水率試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖8可知，5種固化劑處理后污泥含水率均符合本項(xiàng)目污泥含水率設(shè)計(jì)限值(小于60%)的要求。

1號(hào)比2號(hào)區(qū)域使用的固化劑粉煤灰和水泥含量低，含有生石灰，且固化劑比例小，對(duì)比處理后垃圾土含水率，1號(hào)比2號(hào)區(qū)域含水率稍高。因此，建議使用固化劑配比稍高的2號(hào)固化劑。

3、4號(hào)2種固化劑所占比例基本相同，3號(hào)固化劑中水泥與粉煤灰比例接近3∶1，4號(hào)固化劑只含有水泥一種成分，粉煤灰是一種輕質(zhì)多孔材料，可以吸收大量的水分，有效降低含水率，所以3號(hào)垃圾土經(jīng)處理后含水率低于4號(hào)垃圾土中的含水率。建議在含水率高的區(qū)域，提高粉煤灰的摻入量。

3、5號(hào)區(qū)域使用的固化劑成分、比例基本相同，而對(duì)應(yīng)的齡期不同。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，使用固化劑處理9 d后含水率較處理3 d后土體中含水率有所上升，推測可能是因?yàn)橹性囋囼?yàn)只選取小范圍區(qū)域進(jìn)行固化處理，相鄰的兩區(qū)域之間未設(shè)置隔斷，在處理后垃圾土中的水分遷移受局部區(qū)域含水率的影響。由高含水率區(qū)域向低含水率區(qū)域移動(dòng)，最終達(dá)到平衡轉(zhuǎn)態(tài)，故3號(hào)區(qū)域垃圾土含水率較5號(hào)區(qū)域有所上升是由處理后含水率分布不均造成的。

3.3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1—5號(hào)不同深度處土樣抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖9、10。

圖9 土樣抗剪強(qiáng)度柱狀圖

根據(jù)圖9可知，所檢測試樣的直剪實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度(黏聚力)符合本項(xiàng)目污泥直剪實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度(黏聚力)設(shè)計(jì)限值(C>25 kPa)的要求。

分析圖10可知，5號(hào)區(qū)域處理后垃圾土抗剪強(qiáng)度較4號(hào)區(qū)域高出近26%，對(duì)應(yīng)的4號(hào)固化劑和5號(hào)固化劑摻量比例相同，但4號(hào)固化劑只含水泥一種成分，5號(hào)固化劑中的粉煤灰對(duì)于水泥發(fā)揮固化作用起到了一定的促進(jìn)作用。

圖10 土樣抗剪強(qiáng)度平均值柱狀圖

對(duì)比3號(hào)和5號(hào)區(qū)域處理后土體的抗剪強(qiáng)度還可以發(fā)現(xiàn)，從處理后第3天至第9天，土體的抗剪強(qiáng)度并非持續(xù)增長。這可能是試驗(yàn)區(qū)域中的雜質(zhì)不均勻和原狀土含水率的差別造成的。3號(hào)區(qū)域雜質(zhì)含量在15.55%～25.71%之間，較為均勻；而5號(hào)區(qū)域雜質(zhì)含量在5.61%～35.86%之間，且上部和底部雜質(zhì)含量均較低，分別為6.02%和5.61%。因此，可見雜質(zhì)含量越低，原位固化效果越好。

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)各個(gè)點(diǎn)位的3～6 m深度的固化土抗剪強(qiáng)度總體低于1 m深度處的固化土抗剪強(qiáng)度，綜合含水率分析結(jié)果，認(rèn)為3～6 m處的污泥含水率較高，固化效果不如表層土體。在實(shí)際處理時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注3～6 m的固化效果，例如在3～6 m處投放藥劑時(shí)增加攪拌時(shí)間和次數(shù)，增加攪拌時(shí)間和次數(shù)和讓藥劑更均勻地拌合到土壤中，同時(shí)攪拌機(jī)械還會(huì)對(duì)污泥中的雜質(zhì)產(chǎn)生一定的撕拉和切削作用，破碎雜質(zhì)降低固化土的不均勻性，提高固化效果。

圖10顯示5號(hào)試驗(yàn)區(qū)的樣品平均抗剪強(qiáng)度最高，固化效果最好，建議施工時(shí)優(yōu)先考慮5號(hào)固化劑。

3.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

1—5號(hào)不同深度處土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖11、12。

圖11 土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱狀圖

圖12 土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值柱狀圖

根據(jù)土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，所檢測試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本符合本項(xiàng)目污泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值(50 kPa)的要求，且5號(hào)試驗(yàn)區(qū)的樣品平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，固化效果最好，建議大面積施工時(shí)優(yōu)先考慮5號(hào)固化劑。

1—5號(hào)5個(gè)區(qū)域處理后土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度按照均值排序?yàn)椋?號(hào)>2號(hào)>1號(hào)>3號(hào)>4號(hào)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)1—3號(hào)區(qū)域的3 m深度的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體低于1 m深度處的固化土抗剪強(qiáng)度，綜合雜質(zhì)含量分析結(jié)果，認(rèn)為3 m處的污泥雜質(zhì)含量較多，固化效果不如表層土體，在3 m處深度投放藥劑時(shí)需增加攪拌時(shí)間和次數(shù)，從而使藥劑更均勻地拌合到土壤中。

4 結(jié)論

本研究根據(jù)垃圾填埋場污泥池現(xiàn)場工況，結(jié)合污泥性狀，推薦5組污泥原位固化劑配比，分區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)處理后的垃圾土進(jìn)行鉆孔采樣，進(jìn)行pH、含水率、抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)的檢測根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，得到如下結(jié)論。

a)污泥經(jīng)5種固化劑處理后，垃圾土的酸堿性、含水率、抗剪強(qiáng)度(黏聚力)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)均符合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，及pH 5～10，含水率小于60%，抗剪強(qiáng)度大于25 kPa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于50 kPa。

b)5號(hào)固化劑的平均無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值和直剪實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度(黏聚力)最高，在大面積施工時(shí)優(yōu)先考慮5號(hào)固化劑配比，即固化劑中普通硅酸鹽投加量19.3%，粉煤灰投加量6.43%，固化劑投機(jī)比例為25.73%。現(xiàn)場施工時(shí)，考慮到污泥成分復(fù)雜，為了保證固化效果減少返工浪費(fèi)，加藥量不低于25%。

c)垃圾土的處理效果除了受到固化劑種類、固化劑配比的影響還受到施工工藝、污泥中雜質(zhì)種類及含量和含水率的影響。垃圾土中的雜質(zhì)含量直接影響固化劑的拌和效果，造成處理后垃圾土各項(xiàng)指標(biāo)波動(dòng)較大。

d)從固化后垃圾土在不同深度的性狀分析，隨著深度增加，固化劑有效投加量降低、均勻性變差，分布在中下層垃圾土的性能指標(biāo)較上層差，在施工實(shí)踐中需在深層攪拌過程中增加攪拌時(shí)間和攪拌次數(shù)，使固化劑與污泥充分混合。