垃圾焚燒底灰和石灰固化污水污泥性質(zhì)的試驗(yàn)研究

崔廣強(qiáng)，孫家國

(1.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州350108；2.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建武夷山354300)

垃圾焚燒底灰和石灰固化污水污泥性質(zhì)的試驗(yàn)研究

崔廣強(qiáng)1，孫家國2

(1.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州350108；2.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建武夷山354300)

通過對污水污泥摻加垃圾焚燒底灰和石灰進(jìn)行固化，確定了最小石灰摻加量，測試固化體的液塑限、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、擊實(shí)性和微結(jié)構(gòu)特征，通過研究發(fā)現(xiàn)隨著垃圾焚燒底灰摻量的增大，液塑限及塑性指數(shù)均減小，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)摻量約一半時，28d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)60KPa以上；對于純污泥，其最大干密度為7.9KN/m3，最優(yōu)含水量為66%，隨著垃圾焚燒底灰摻量的增大，最優(yōu)含水量降低，最大干密度增大。最后給出了固化強(qiáng)度的預(yù)測公式，可用于預(yù)測不同齡期和不同摻量時的強(qiáng)度。

垃圾焚燒底灰；污泥；固化；填埋

污水污泥是在水處理過程中形成的泥狀物質(zhì)，含有大量難降解有機(jī)物、病原微生物和寄生蟲卵、重金屬及氮、磷等物質(zhì)，如不妥善處理，會造成嚴(yán)重的二次污染[1-5]。為解決這一問題，國內(nèi)外的研究者先后提出了減量化、資源化和無害化的要求[6-10]，主要從土地利用、填埋及熱處理等三個方面進(jìn)行研究，而目前我國主要以填埋為主，由于污水處理廠脫水后的污泥含水量較高，工程性質(zhì)較差，直接填埋不能符合要求，故需要進(jìn)行固化處理才能用于填埋[11-12]。

目前，不少學(xué)者研究采用多種材料對污水污泥進(jìn)行固化處理，取得了一定的固化效果[13-16]，有的固化需要消耗一定資源[13-15]。同時我國許多垃圾焚燒站產(chǎn)生的大量垃圾焚燒底灰，目前仍做固廢處置，尚未得到有效利用。垃圾焚燒底灰的某些化學(xué)性質(zhì)與水泥中的類似，工程性質(zhì)與粗骨料的類似，然而這些性質(zhì)均沒有得到利用而被直接送到垃圾填埋場進(jìn)行填埋。因此，本文利用垃圾焚燒底灰的化學(xué)性質(zhì)與工程性質(zhì)，與污水污泥混合固化，同時摻加一定量的熟石灰，研究固化后的工程性質(zhì)，為污泥填埋和垃圾焚燒底灰處置提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用的污泥取自福建省泉州市某污水處理廠，為原生污泥，已經(jīng)脫水處理，呈黑灰色，惡臭，其物理性質(zhì)為：pH值位于7.9～8.1之間，含水量高達(dá)223%，其它性質(zhì)指標(biāo)匯總于表1。試驗(yàn)中加入熟石灰，其主要目的是殺死污泥中的微生物，減小惡臭。垃圾焚燒底灰取自泉州市某垃圾焚燒發(fā)電廠，呈現(xiàn)黑褐色，主要由5種不同成分組成，包括建筑垃圾、玻璃、陶瓷碎片、金屬和其它未燃盡的有機(jī)質(zhì)等，其中粗顆粒主要由建筑垃圾、金屬和熔融體組成。在使用前先作預(yù)處理：（1）首先利用磁選設(shè)備將垃圾焚燒底灰中的金屬清除，清除的金屬備回收利用；（2）采用破碎機(jī)將底灰進(jìn)行破碎，使得粒徑均小于1mm；（3）采用有機(jī)氯化物水溶液對篩分的底灰進(jìn)行噴灑消毒和殺菌。試驗(yàn)中所用的熟石灰和垃圾焚燒底灰的性質(zhì)指標(biāo)也匯總于表1。

試驗(yàn)中，采用不同摻量的熟石灰和垃圾焚燒底灰分別固化污泥，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）測試固化體不同固化齡期的工程性質(zhì)。試驗(yàn)前首先確定最小熟石灰摻量，根據(jù)Sung等（2002），石灰與污泥混合后的pH高達(dá)12時，才能有效地殺死細(xì)菌，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，判別石灰的最小摻量，不同摻量的石灰與污泥混合后的pH值匯總于表2，可以看出，隨著石灰摻量的增大，混合后的污泥的pH也增大，當(dāng)石灰摻量為6%時，不能滿足要求，因此基于pH值試驗(yàn)結(jié)果，最低的熟石灰含量為8%。

表1 污泥和所用固化材料的性質(zhì)

表2 不同固化齡期的pH值

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 液塑性指標(biāo)

使用錐式液限儀測定固化體的液限，首先將一定量的石灰（摻量為8%，為石灰質(zhì)量占濕污泥質(zhì)量的比例）、焚燒底灰和污泥混合后裝入試驗(yàn)所用的土杯，靜置2小時后測試其液限；使用搓條法測試固化體的塑限，測試結(jié)果繪制于圖1中，可以看出隨著垃圾焚燒底灰摻量的增大，液塑限逐漸減小，塑性指數(shù)逐漸減小；當(dāng)垃圾焚燒底灰摻量為20%增大到80%時，塑限指數(shù)為9降低為1，若將固化體視為土體，根據(jù)固化體的粒徑和塑限指數(shù)，固化體屬于粉土。

圖1 固化體的液塑限

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為了研究不同垃圾焚燒底灰摻量對固化強(qiáng)度的影響，采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測試不同固化齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)前，首先制備試樣，先將所取的污泥與一定量的垃圾焚燒底灰充分混合攪拌，然后倒入試樣模中，試樣模呈圓柱形，直徑為5cm，高度為12.5cm；用塑料袋密封固化體并置于水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間為28d，分別測試不同固化齡期為3、7、14、21、28d時的工程性質(zhì)。

當(dāng)垃圾焚燒底灰摻量不同時，不同養(yǎng)護(hù)時間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果繪制于圖2中，固化后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)隨垃圾焚燒底灰的摻量增加和固化齡期的增長而增大，強(qiáng)度的增長主要有二：一是垃圾焚燒底灰和污泥中無機(jī)成分中的少量活性氧化硅和氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣晶體；二是氫氧化鈣晶化產(chǎn)生膠凝作用，也可使固化污泥強(qiáng)度得到提高。當(dāng)摻量約一半時，28d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)60KPa以上。

圖2 不同齡期和摻量固化后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

為了獲得固化體最大的密實(shí)度，提高其強(qiáng)度，對固化體進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)前，首先將固化材料與污泥進(jìn)行混合，并靜置2小時后進(jìn)行，污泥的高含水量可以通過摻加熟石灰和垃圾焚燒底灰，使其降低。不同摻量的固化材料固化后的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。可以看出，對于純污泥，其最大干密度為7.9KN/m3，最優(yōu)含水量為66%；隨著熟石灰和垃圾焚燒底灰摻量的增大，最優(yōu)含水量逐漸降低，達(dá)到的最大干密度逐漸增大。當(dāng)?shù)谆覔搅窟_(dá)80%時，最大干密度可達(dá)到9.7KN/m3，最優(yōu)含水量為38%。

圖3 不同摻量固化材料的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.4 微結(jié)構(gòu)特征

為研究固化體的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水化產(chǎn)物的形態(tài)及分布情況，進(jìn)行電鏡掃描（SEM），儀器為Philips XL-30型掃描電鏡。固化齡期對微結(jié)構(gòu)有影響，其中石灰摻量為8%，垃圾焚燒底灰摻量為40%，固化7d和28d的電鏡掃描結(jié)果見圖4所示，圖中，白色代表土顆粒，黑色代表孔隙，可以看出，固化齡期越長，孔隙越小。固化污泥的顆粒孔隙小、密實(shí)度高就表明其強(qiáng)度高、滲透系數(shù)小。隨著時間，石灰中的Ca(OH)2與土顆粒表面、垃圾焚燒底灰和污泥中無機(jī)成分中的少量活性氧化硅和氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣晶體。生產(chǎn)的晶體將污泥和固化材料顆粒之間的孔隙填充，并將顆粒緊緊連接成一體，相應(yīng)強(qiáng)度得以提高。

圖4 不同固化齡期時的固化體微結(jié)構(gòu)特征

3 強(qiáng)度關(guān)系

為了使得污泥滿足填埋要求，固化材料摻量要大于某一值和固化齡期要足夠長時間，為了預(yù)測固化體強(qiáng)度，分析影響強(qiáng)度的主要因素并建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。目前對于取齡期為多長時間的固化強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度，仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，若取28d的固化強(qiáng)度作為填埋設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則可表示為：

式中，α和β分別為垃圾焚燒底灰的摻量和石灰摻量（%）；ω為污泥含水量（%）。

垃圾焚燒底灰的摻量和石灰摻量越大，固化齡期越長，污泥含水量越小，則固化強(qiáng)度越大，相反則越小。因此對于目前常用的帶式脫水機(jī)脫水后的污泥，當(dāng)石灰摻量為8%時，14d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與垃圾焚燒底灰摻量的關(guān)系為：

28d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與垃圾焚燒底灰摻量的關(guān)系為：

德國資料指出，脫水后的污泥與垃圾混合填埋時，要求污泥含固率≥35%、抗剪強(qiáng)度>25KPa。以此抗剪強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，加固后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要大于50 KPa[17]。對于試驗(yàn)中的固化污泥，若固化齡期取為28d時，垃圾焚燒底灰摻量只要20%時就能滿足要求，若要養(yǎng)護(hù)齡期較短，相應(yīng)的垃圾焚燒底灰摻量就需提高。由于污泥的低滲透性，固化反應(yīng)較慢，28d養(yǎng)護(hù)齡期確實(shí)較長，可能會導(dǎo)致現(xiàn)場污泥堆積體積巨大的問題，可通過三種方法予以解決：（1）增大場地面積，消納較大體積的污泥；（2）提高垃圾焚燒底灰摻量，如提高到40%時，養(yǎng)護(hù)15d即可達(dá)到填埋要求；（3）添加早強(qiáng)劑，提高固化污泥的早期強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

隨著垃圾焚燒底灰摻量的增大，液塑限逐漸減小，塑性指數(shù)逐漸減小；當(dāng)垃圾焚燒底灰摻量為20%增大到80%時，塑限指數(shù)為9降低為1，若將固化體視為土體，根據(jù)固化體的粒徑和塑限指數(shù)，固化體屬于粉土。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)隨垃圾焚燒底灰的摻量增加和固化齡期的增長而增大，當(dāng)摻量約一半時，28 d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)60 KPa以上。對于純污泥，其最大干密度為7.9 KN/m3，最優(yōu)含水量為66%；隨著熟石灰和垃圾焚燒底灰摻量的增大，最優(yōu)含水量逐漸降低，達(dá)到的最大干密度逐漸增大。試驗(yàn)所得的固化污泥強(qiáng)度預(yù)測公式，可用于預(yù)測不同齡期的污泥固化強(qiáng)度。

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（責(zé)任編輯：華偉平）

Test Study on the Properties of Sewage Sludge Solidified by Waste Incineration Bottom Ash and Lime

CUI Guangqiang，SUN Jiaguo
（1.College of Engineering,Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108; 2.College of Civil Engineering,Wuyi University,Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

Test on properties of the sewage sludge solidified by waste incineration bottom ash(WIBA)and lime with different amount was performed,the minimum amount of lime to add in was determined,and the liquid limit,plastic limit,unconfined compressive strength, compaction properties and micro-structural features were measured.Some conclusions were gotten:(1)the liquid limit,plastic limit would decrease,however the unconfined compressive strength would increase as the amount of WIBA increased,when the amount was about a half,the unconfined compressive strength would be over 60kPa;(2)For pure sludge,the maximum dry density was 7.9 kN/m3,optimum water content was 66%;(3)With the amount of WIBA increased,the optimum water content decreased and maximum dry density increased.Finally,the formulas to predict the strength were put forward,and could be used to calculate the strength with different WIBA amount and solidification age.

waste incineration bottom ash;sludge;solidification;landfill

X705

A

1674－2109(2016)09－0057－04

2016-03-17

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J01172）,福建江夏學(xué)院青年科研人才培育基金項(xiàng)目（JXZ2015004）。

崔廣強(qiáng)（1980-），男，漢族，講師，主要從事巖土工程的教學(xué)與研究。