污泥摻入生活垃圾后的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

施建勇，王 娟

（河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化水平的不斷提高，我國(guó)生活和工業(yè)污水的年產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)，污水處理后產(chǎn)生的污泥量也在同步增加，污泥是影響環(huán)境的潛在不利因素。污水廠污泥的特點(diǎn)是含水率高、壓縮性高、低強(qiáng)度、低滲透性、脫水困難，而且可能含有污染地下水的各種化學(xué)成分和重金屬，這些都增加了污泥處置的難度。另外受“重水輕泥”的影響，大量污水廠污泥沒(méi)有得到安全、衛(wèi)生的處置，成為污染環(huán)境的一大隱患。

由于污泥的力學(xué)特性較差，單獨(dú)填埋會(huì)出現(xiàn)很多難以處理的環(huán)境和工程問(wèn)題[1－2]；生活垃圾具有強(qiáng)度高、含水率高、孔隙比高和滲透性較好[3－6]；填埋也是生活垃圾主要的處置方法之一；污泥和垃圾能否同場(chǎng)填埋，即混合填埋，相關(guān)的研究工作在國(guó)內(nèi)做得還很少[2]。

在混合填埋場(chǎng)中，當(dāng)污泥與城市生活垃圾混合比例達(dá)到 1:10 時(shí)，填埋垃圾的物理、化學(xué)穩(wěn)定過(guò)程將明顯加快，所以一般污泥的比例應(yīng)≤10 %，在該比例下污泥一般不會(huì)影響填埋體的穩(wěn)定[7]。趙樂(lè)軍等[8]系統(tǒng)分析了污泥的土力學(xué)性質(zhì)對(duì)污泥填埋方式的影響，污泥能否填埋主要取決于兩個(gè)因素：一是污泥本身的土力學(xué)性質(zhì)；二是填埋后對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生的影響。污泥大多具有較高的含水率，因此，進(jìn)行填埋前必須經(jīng)過(guò)脫水工序。據(jù)德國(guó)的資料，當(dāng)脫水后的污泥和垃圾進(jìn)行混合填埋時(shí)，污泥的含固率要求應(yīng)大于35%，抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于25 kPa。一般普通脫水工藝處理后的污泥含水率在80%左右，必須加入添加劑進(jìn)行后續(xù)處理才能進(jìn)行填埋，高干度脫水后的污泥含水率在65%左右，一般可直接填埋，但這增加了技術(shù)成本。Irene等[9]研究表明：相對(duì)于污泥的單獨(dú)填埋，將污泥和其他廢棄物一起進(jìn)行混合填埋在香港也已得到廣泛地應(yīng)用，而且混合填埋具有壓縮性低、沉降小等優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)其滲透系數(shù)較高。在美國(guó)，有污泥單獨(dú)填埋的實(shí)例；污泥單獨(dú)填埋可以用溝填法、平面填埋法或筑堤法，具體方法的選擇還要參考場(chǎng)地的特性和污泥的含水率[10]。

基于污泥和生活垃圾力學(xué)特性有互補(bǔ)的可能，將污泥摻入一定比例的生活垃圾，使其力學(xué)特性得到改善，滿足污泥填埋的穩(wěn)定性要求，是一種可以嘗試的途徑。本文重點(diǎn)探討污泥摻入生活垃圾后的力學(xué)性質(zhì)和填埋邊坡穩(wěn)定分析。

2 污泥與生活垃圾混合后的力學(xué)性質(zhì)

2.1 污泥與垃圾混合后的剪切特性試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)已有垃圾填埋場(chǎng)分揀資料，進(jìn)行人工垃圾土的配制[11]，具體配置材料和含量見(jiàn)表1。

表1 垃圾土成分組成（干重比）Table 1 Composition of MSW(dry unit proportion)

根據(jù)生活垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取樣，試驗(yàn)得到的垃圾樣平均含水率ω=35.1%，密度ρ=1.12 g/cm3，干密度ρd=0.84 g/cm3。一般垃圾填埋工程都會(huì)進(jìn)行碾壓，為此，分別配置不同含水率的垃圾樣，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，通過(guò)得到的擊實(shí)曲線來(lái)求得每個(gè)含水率下的干密度，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的干密度及含水率，選擇最接近的一組，以此模擬現(xiàn)場(chǎng)試樣。分別配制含水率為20%、30%、40%、50%、60%的垃圾樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

選取與現(xiàn)場(chǎng)含水率相當(dāng)?shù)膿魧?shí)曲線上的點(diǎn)：ω=35.1%，得到試樣干密度ρd=0.69 g/cm3。試驗(yàn)所用污泥取自南京市江心洲污水處理廠，控制污泥含固率為 30%；直剪固結(jié)不排水強(qiáng)度參數(shù)為 c =1.05 kPa和φ=3.2°，固結(jié)排水強(qiáng)度參數(shù)為c =10 kPa和φ=8.3°，在 50～250 kPa壓力下的滲透系數(shù)為10-9～10-7cm/s量級(jí)。現(xiàn)有的研究資料沒(méi)有限制污泥的摻入比例[13－14]，一般認(rèn)為，控制污泥摻入比例不超過(guò)10%對(duì)工程沒(méi)有明顯地不利影響；在填埋處置中，與生活垃圾分層鋪填時(shí)污泥的比例可達(dá)15%～25%；在進(jìn)行污泥與垃圾土混合樣的生物降解研究時(shí)，污泥比例可增加到50%。為了研究較大摻入比例對(duì)污泥與生活垃圾混合后的抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)將污泥與垃圾的配制干重比值（即污泥含量）依次取為33.2%、41.5%、49.8%、58.1%、66.4%、74.7%。

圖1 垃圾樣的室內(nèi)擊實(shí)曲線Fig.1 Compaction curve of MSW

本次通過(guò)直剪試驗(yàn)研究垃圾和污泥不同混合比例下的強(qiáng)度特性?？紤]到垃圾分層填埋時(shí)會(huì)進(jìn)行碾壓，直剪試樣制備時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行試樣的初始狀態(tài)控制；不同配合比例的試樣分別控制污泥與垃圾土含水率，在充分混合后進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)功均選取標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)功。直剪試驗(yàn)的垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa。由于實(shí)際填埋過(guò)程比較長(zhǎng)，混合體的滲透系數(shù)在10-6～10-5cm/s之間（請(qǐng)見(jiàn)本文2.2節(jié)滲透試驗(yàn)），可以認(rèn)為，填埋中產(chǎn)生的孔隙水壓力能夠消散，不會(huì)產(chǎn)生大的積聚，試驗(yàn)時(shí)采用固結(jié)快剪。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]，當(dāng)剪切位移超過(guò)4 mm時(shí)，如果強(qiáng)度仍繼續(xù)增加，則繼續(xù)剪切至6 mm，垃圾土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為加工硬化型，因此，試驗(yàn)中位移剪至6 mm時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，污泥與垃圾土混合樣的直剪試驗(yàn)曲線都是呈硬化型的，比較接近于垃圾土的剪切性質(zhì)，按試驗(yàn)位移量達(dá)到6 mm時(shí)選取強(qiáng)度值。將圖2進(jìn)行整理可以得到強(qiáng)度參數(shù)與污泥含量的試驗(yàn)關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)污泥的含量較低，試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角較大，黏聚力較小；隨著污泥含量增加，試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角減小，黏聚力增加；當(dāng)污泥含量超過(guò)某一數(shù)量時(shí)，試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角減小，黏聚力減??；當(dāng)污泥含量較高時(shí)，試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角和黏聚力均小。即當(dāng)污泥含量超過(guò)某一數(shù)量時(shí)，強(qiáng)度特性下降明顯，此時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注填埋邊坡的穩(wěn)定性?；旌象w的強(qiáng)度參數(shù)比沒(méi)有摻入污泥垃圾土的強(qiáng)度參數(shù)低[5－6]，但比污泥的強(qiáng)度參數(shù)高。因此，考慮污泥與垃圾的混合填埋，可極大地提高污泥填埋的安全性和可行性。

圖2 不同污泥含量時(shí)的剪應(yīng)力-位移關(guān)系圖Fig.2 Shear stress-displacement curves under different sludge contents

圖3 強(qiáng)度參數(shù)與污泥含量的試驗(yàn)關(guān)系Fig.3 Relationships between strength parameters and sludge content

2.2 污泥與垃圾混合后的滲透特性試驗(yàn)

為了防止試樣與儀器壁間的滲漏，采用柔性壁滲透試驗(yàn)方法進(jìn)行污泥與垃圾混合樣的滲透試驗(yàn)。滲透試樣的高度為80 mm，直徑為39.1 mm，體積為96 000 mm3，分5層擊實(shí)。試樣的制備與直剪試驗(yàn)相同，即采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)共6組，污泥與垃圾土的干重比值依次為 0%、8.3%、24.9%、41.5%、58.1%、74.7%。制樣時(shí)，污泥與垃圾按一定比例混合后，分5層制樣，將試樣安裝到柔性壁滲透儀上，先施加較小的滲水壓力進(jìn)行反壓飽和，至同一時(shí)間間隔內(nèi)固結(jié)排水管流出的水量不再變化為止。然后施加周圍壓力，從50 kPa開(kāi)始，依次增加為100、150、200、250 kPa。每級(jí)壓力下固結(jié)完成后，施加滲透水壓進(jìn)行滲透試驗(yàn)。根據(jù)某一時(shí)間間隔及對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)排水管中讀數(shù)的變化，根據(jù)式（1）求得在此固結(jié)壓力下試樣的滲透系數(shù)k(m/s)：

式中：ΔT為滲流歷時(shí)（min）；Q為ΔT時(shí)間間隔的總滲流量（mm3）；H為試樣固結(jié)完成后的總軸向高度（mm）；ΔP為滲透水壓力差， Δ P=P2- P1（1 kPa相當(dāng)于102 mm水頭）；A為滲流流經(jīng)的平均過(guò)流斷面（mm2），A=（96 000-ΔV）/H；ΔV為固結(jié)完時(shí)試樣的體積變化量，即固結(jié)排水量（mm3）。

圖4所示為在不同配比條件下，滲透系數(shù)隨圍壓變化而變化的曲線，明顯看出，圍壓越高，滲透系數(shù)越小，且在污泥含量較低時(shí)，這種現(xiàn)象越明顯。隨著污泥含量的增加，試樣的滲透系數(shù)明顯減小，圍壓越低，這種現(xiàn)象越明顯。圍壓越高、污泥含量越高，則滲透系數(shù)越小。污泥摻量為 24.9%時(shí)滲透系數(shù)比純垃圾的滲透系數(shù)下降約 1/2，污泥摻量為41.5%時(shí)滲透系數(shù)比純垃圾的滲透系數(shù)下降約2/3，垃圾土與污泥混合后沒(méi)有明顯劣化垃圾土的滲透特性。在污泥含量較高時(shí)（本次試驗(yàn)74.7%以上），污泥和垃圾土的混合體滲透系數(shù)與污泥接近；污泥含量不高時(shí)（本次試驗(yàn)58.1%以下），與污泥的滲透系數(shù)相比，摻入垃圾土提高滲透系數(shù)1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，明顯改善了污泥的滲透特性。從滲透特性分析，污泥與垃圾土混合也是合理可行的。

圖4 滲透系數(shù)隨圍壓變化曲線Fig.4 Curves of permeability coefficient versus confined pressure

3 污泥與垃圾混填的邊坡穩(wěn)定分析

某垃圾填埋場(chǎng)填埋過(guò)程的典型斷面圖如圖5所示。邊坡坡角最小為14.4°，最大為17.67°，平均坡角約為10°。共分為6個(gè)階段進(jìn)行填埋。

計(jì)算整個(gè)邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)，將6個(gè)階段填埋的垃圾體看成一個(gè)整體，計(jì)算時(shí)認(rèn)為原地面坡體是穩(wěn)定的。利用試驗(yàn)得到的不同污泥摻入比例下混合后的強(qiáng)度參數(shù)和圓弧滑動(dòng)法，可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

圖5 垃圾填埋場(chǎng)填埋過(guò)程的典型斷面圖Fig.5 Typical section of MSW landfill

考慮到污泥摻入生活垃圾后的滲透系數(shù)在10-6～10-5cm/s之間，在強(qiáng)降雨影響下垃圾體中的淋濾液不能很快下降，其水位位于填埋體的頂面，再考慮填埋工程中的降解產(chǎn)氣影響[11]，這是垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析最危險(xiǎn)的工況。經(jīng)計(jì)算[15]，降解產(chǎn)氣的氣壓等值線如圖6所示，計(jì)算得到的最大孔隙氣應(yīng)力為32 kPa。

圖6 降解產(chǎn)氣的氣壓等值線圖（單位：kPa）Fig.6 Pore air pressure contours from degradation (unit: kPa)

在計(jì)算時(shí)，滑動(dòng)圓弧上的淋濾液壓力按水柱高度計(jì)算，氣壓通過(guò)等值線圖內(nèi)插得到。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到填埋邊坡在不同污泥摻入比例最危險(xiǎn)工況下的安全系數(shù)見(jiàn)表2。滑動(dòng)圓弧位置圖見(jiàn)圖7。

表2 不同污泥混合比例邊坡穩(wěn)定安全計(jì)算結(jié)果Table 2 Safe factors with different sludge contents

圖7 考慮淋濾液水位和孔隙氣應(yīng)力滑弧位置圖Fig.7 Failure surfaces considering leachate level and pore air pressure

由表2可見(jiàn)，隨著污泥摻量的增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)先增大后降低。從強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果得到黏聚力有隨污泥摻量增加先增大后減小的規(guī)律，黏聚力在垃圾填埋場(chǎng)邊坡安全系數(shù)計(jì)算中的影響比較大。因此，應(yīng)根據(jù)污泥與垃圾混合后的強(qiáng)度特性試驗(yàn)，結(jié)合邊坡穩(wěn)定計(jì)算，確定符合工程安全需要的摻入例，不只是單純控制污泥的摻入比例。表2結(jié)果顯示，考慮降解產(chǎn)生孔隙氣應(yīng)力的影響，邊坡安全系數(shù)下降約15%～20%。因此，在進(jìn)行垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)進(jìn)行考慮降解產(chǎn)氣計(jì)算條件的復(fù)核，防止出現(xiàn)冒進(jìn)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 論

（1）污泥與垃圾土混合后，直剪試驗(yàn)的應(yīng)力-位移曲線與生活垃圾的試驗(yàn)曲線類似，是硬化型的；強(qiáng)度參數(shù)比垃圾土的強(qiáng)度參數(shù)要低，比污泥的強(qiáng)度參數(shù)有很大提高，很好地改善了污泥的強(qiáng)度特性；黏聚力有隨污泥摻量增加先增大后減小的規(guī)律，內(nèi)摩擦角隨污泥摻量增加降低。

（2）污泥摻入垃圾土后，滲透系數(shù)與垃圾土的滲透系數(shù)相當(dāng)，沒(méi)有劣化垃圾土的滲透特性；在污泥摻入比較低時(shí)很好地改善了污泥的滲透特性，污泥與垃圾混合樣的滲透系數(shù)比污泥的滲透系數(shù)有顯著提高。

（3）隨著污泥摻量的增加，計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)隨污泥摻量增加先提高后降低；在實(shí)際工程中，單純控制污泥摻入比例是不合理的，應(yīng)結(jié)合污泥與垃圾土混合體的強(qiáng)度特性試驗(yàn)和邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，確定符合工程安全需要的摻入比例。

（4）考慮降解產(chǎn)氣影響，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)會(huì)降低約15%～20%，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。

[1]KOENING A, KAY J N, WAN I M. Physical properties of dewatered wastewater sludge for landfilling[J]. Water Science Technology, 1996, 34(3－4): 533－540.

[2]張華, 范建軍, 趙由才. 基于填埋處置的污水廠脫水污泥土工性質(zhì)研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008,36(3): 361－365.ZHANG Hua, FAN Jian-jun, ZHAO You-cai,Geotechnical characterization of dewatered sewage sludge for landfilling[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2008, 36(3): 361－365.

[3]陳云敏, 王立忠, 胡亞元, 等. 城市固體垃圾填埋場(chǎng)邊坡穩(wěn)定分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2000, 33(3): 92－97.CHEN Yun-min, WANG Li-zhong, HU Ya-yuan, et al.Stability analysis of a solid waste landfill slope[J]. China Civil Engineering Journal, 2000, 33(3): 92－97.

[4]張丙印, 介玉新. 垃圾土的強(qiáng)度變形特性[J]. 工程力學(xué),2006, 22(增刊 2): 14－22.ZHANG Bing-yin, JIE YU-xin. Strength and deformation characteristics of municipal solid waste[J]. Engineering Mechanics, 2006, 22(Supp.2): 14－22.

[5]SHI Jian-yong, QIAN Xue-de, ZHU Jun-gao, et al.Application of shear strength of solid waste and multilayer liner in landfills[C]//Proceedings of International Symposium on Geoenvironmental Engineering. Hangzhou: Springer, 2009: 286－294.

[6]施建勇, 朱俊高, 劉榮, 等. 垃圾土強(qiáng)度特性試驗(yàn)與雙線強(qiáng)度包線研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(10): 1499－1504.SHI Jian-yong, ZHU Jun-gao, LIU Rong, et al. Tests on shear strength behavior and envelop of double lines of municipal solid waste[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(10): 1499－1504.

[7]楊朝暉, 楊霞. 污水處理廠的污泥處置[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 1995, (3): 40－42.YANG Chao-hui, YANG Xia. Sludge settlement of sewage treatment plants[J]. Enviromental Science and Technology, 1995, (3): 40－42.

[8]趙樂(lè)軍, 戴樹桂, 辜顯華. 污泥填埋技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)給水排水, 2004, 20(4): 27－30.ZHAO Le-jun, DAI Shu-gui, GU Xian-hua. Advantage of sludge landfill technology[J]. China Water &Wastewater, 2004, 20(4): 27－30.

[9]IRENE M C L, ZHOU W W, LEE K M. Geotechnical characterization of dewatered sewage sludge for landfill disposal[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2002,39(5): 1139－1149.

[10]JACK A B, WILLAM J R. Sludge and its ultimate disposal[M]. Woburn: Ann Arbor Science Publishers Inc.,1988.

[11]劉曉東, 施建勇, 胡亞?wèn)|. 考慮城市固體廢棄物(MSW)生化降解的力–氣耦合一維沉降模型及計(jì)算[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(5): 693－699.LIU Xiao-dong, SHI Jian-yong, HU Ya-dong. Coupled mechanical-gas settlement model and calculation for MSW by considering biodegradation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(5): 693－699.

[12]南京水利科學(xué)研究院. SL237－1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 1999.

[13]朱英, 張華, 趙由才. 污泥循環(huán)衛(wèi)生填埋技術(shù)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2010.

[14]單華倫. 污泥和生活垃圾混合填埋及淋濾液回灌對(duì)填埋體穩(wěn)定化影響[D]. 南京: 河海大學(xué), 2007.

[15]王娟. 污泥與垃圾土混填的工程特性與應(yīng)用研究[D].南京: 河海大學(xué), 2011.