污泥-生活垃圾混合填埋體抗剪強度特性研究

王佩 周文淵 閆坤 廖丹

摘要：污泥送入生活垃圾填埋場進行混合填埋是國內外常用的處置途徑之一。混合填埋體強度參數對填埋場穩定性有重要影響，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度試驗，對其強度特性進行研究。結果表明：① 隨著擊實功的增加，混合試樣的抗剪強度整體上逐漸增大，當其密度超過1 050 kg/m3時，混合試樣的內摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現象，其抗剪強度增加幅度很小甚至減小。② 隨著污泥添加量的增加，混合試樣的內摩擦角逐漸減小，凝聚力逐漸增加，但是當污泥添加量超過40%時，其凝聚力反而減小。③ 隨著生化降解的進行，混合試樣抗剪強度整體趨勢在增加，凝聚力和內摩擦角的整體趨勢也在增加。

關 鍵 詞：污泥; 生活垃圾; 垃圾填埋; 抗剪強度; 生活垃圾降解

污泥是污水脫水處理后的沉淀物質，富含微生物、有機物、病原體、重金屬等，若不進行適當的處置，很容易造成大量污染物外泄，對環境產生二次污染[1]。隨著我國城市化進程的加快，污泥產量急劇增加[2]。數據顯示：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到33%，有67%左右的污泥沒有得到無害化處理處置，對生態環境造成威脅。日益嚴重的污泥問題對社會、環境已造成嚴重的影響[3]。

由于填理處置方式具有技術成熟、工藝設備及操作簡單、接納量大等優點，以及受到我國經濟發展水平的限制，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，國內外混合填埋場屢屢發生工程事故。如國內某大型填埋場混合填埋污泥和垃圾時未考慮其特殊性質，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中導致堆體抗剪強度降低[6]。2009 年英國發生填埋場失穩事故，大量垃圾、污泥和滲濾液沖出填埋場排入附近的城市河道，引發了嚴重的區域環境污染[7]。分析失事原因，主要是由于污泥送入垃圾填埋場進行填埋處置缺少理論性、技術性支撐，導致填埋場發生失穩事故，引起環境污染。

目前，國內外對混合填埋體剪切強度特性已經進行了初步研究，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行混合[8]，研究其相關的力學性質，指出混合質量比達到0.7時，其抗壓強度均滿足50 kPa的填埋要求。施建勇對污泥和生活垃圾混合填埋體進行研究[9]，結果表明混入生活垃圾可以有效提高污泥填埋體的強度，混合填埋體的應力應變關系呈現硬化型;混合填埋體的滲透系數相比污泥有了明顯增加。于小娟采用常規三軸儀對污泥和生活垃圾混合填埋體開展固結不排水試驗[10]，結果表明：混入生活垃圾可以有效改善污泥的強度特性;隨著污泥/生活垃圾的質量比逐漸增加，混合填埋體的凝聚力先增加后減小，內摩擦角減小。Reddy的試驗結果證明[11]：隨著降解的進行，填埋體內部的有機質生化降解，導致垃圾土結構重新調整，其強度隨著降解的進行發生變化，在270 d的降解過程中，凝聚力逐漸增加，內摩擦角卻呈現減小的趨勢。陳云敏等通過三軸固結排水試驗研究了不同填埋齡期垃圾原狀土的抗剪強度[12]，結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組成[13-14]、生化降解[15-16]、力學性質等方面有著較大的差異[17-18]，已有關于垃圾土的相關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度特性進行進一步的研究。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個方面進行污泥-生活垃圾混合試樣的強度試驗，對其強度特性進行了研究。

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，其物理指標見表1。從表1中數據可以看出，相比軟土和淤泥，污泥屬于典型的高含水率、高有機質含量的有機廢棄物[19-20]。

城市生活垃圾成分復雜，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]。在分析國內填埋場中垃圾分揀資料的基礎上，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[22-23]。

1.2 試驗方案

《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》要求污泥進入填埋場進行混合填埋處置時，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%;在分析國內填埋場垃圾土含水率的基礎上，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個方面的強度試驗。

（1） 新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功的關系。對新鮮生活垃圾進行重型擊實試驗，每層擊實次數分別為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行直剪試驗。

綜合上述試驗，研究新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功的關系。

（2） 污泥添加量對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強度的影響。在填埋作業時，會對污泥-生活垃圾混合試樣進行分層碾壓，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量比例（0%，12.5%，20%，30%，40%，50%）混合攪拌均勻密封養護1 d后，進行分層擊實，開展抗剪強度試驗（法向應力分別為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度。

（3） 生化降解對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強度的影響。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度特性，選擇污泥和生活垃圾的質量比為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行直接剪切試驗，測定不同降解時間時混合試樣的抗剪強度。

強度試驗采用ZJ型應變控制式直剪儀，根據GB/T50123-1999《土工試驗方法標準》，當剪切位移超過4 mm后仍然沒有出現峰值，此時，剪切試驗繼續進行，將剪切位移量達到6 mm時的剪應力選取為抗剪強度值。

2 試驗結果分析

2.1 新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功關系

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

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

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

2.2 混合試樣抗剪強度與污泥添加量關系

由2.1節試驗結果，在進行新鮮污泥-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行快剪試驗，試驗結果如圖3所示。將圖3進行整理可以得到內摩擦角、凝聚力與污泥添加量的關系，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力-應變曲線為硬化型曲線;純垃圾的凝聚力c較小，內摩擦角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，污泥添加量達到40%時，c值增加最大，而純污泥相當于污泥添加量無窮大時的污泥-生活垃圾混合試樣，其內摩擦角φ值僅有2.5°，凝聚力c值也僅有5.16 kPa，所以，當污泥添加量過大時，污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力c值反而會逐漸減小。② 當法向應力為400 kPa時，純垃圾的剪應力達到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力明顯降低;純垃圾的內摩擦角φ為23.8°，污泥添加量為50%的混合試樣的內摩擦角φ為20.1°，可以發現隨著污泥的混入，污泥-生活垃圾混合試樣的內摩擦角φ明顯減小。因此，將污泥送入垃圾填埋場中進行填埋處理時，需要重點關注填埋邊坡的穩定性問題。

2.3 混合試樣抗剪強度與生化降解時間關系

隨著降解的進行，易降解有機質在微生物的作用下逐漸降解，產生水、CO2和甲烷等，導致混合試樣的有機質含量逐漸降低，無機物含量增加[14]。無機物中含有大量纖維狀物質，其強度明顯大于有機物的強度，所以，隨著降解的進行，污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度逐漸增大[12]。

根據試驗結果，污泥-生活垃圾混合試樣在不同降解時間下的抗剪強度包線如圖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度隨法向應力增加呈線性增大的趨勢，符合摩爾-庫倫定律，其抗剪強度參數與降解時間的關系如圖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，凝聚力和內摩擦角整體上逐漸增大。但是，也可以發現，降解時間為30 d時，其抗剪強度、凝聚力和內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，將室內配置好的污泥和生活垃圾混合均勻后養護1 d，即對其進行直剪試驗。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充分混合，紙類、塑料、廢布料等纖維狀物質被充分軟化，其抗剪強度下降。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，表明其抗剪強度、凝聚力和內摩擦角隨著降解的進行逐漸增大。

當降解時間由30 d增加到180 d時，內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，內摩擦角由20.1°增大到22.4°。

3 結 論

（1） 隨著擊實功的增加，生活垃圾的抗剪強度整體上逐漸增大，當每層擊實次數達到50次、密度超過1 050 kg/m3時，生活垃圾的內摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現象，其抗剪強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力-應變曲線為硬化型;隨著污泥添加量的增加，污泥-生活垃圾混合試樣的內摩擦角逐漸減小，凝聚力逐漸增加，但是當污泥添加量超過40%時，其凝聚力反而減小。

（3） 在整體趨勢上，隨著有機質降解時間的延長，污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力和內摩擦角整體上逐漸增大。其中，在降解初期，抗剪強度參數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被水充分軟化，其抗剪強度下降。

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

參考文獻：

[1] 張燦，陳虹，余憶玄，等.我國沿海地區城鎮污水處理廠污泥重金屬污染狀況及其處置分析[J].環境科學，2013，34（4）：1345-1350.

[2] 薛飛，王佩，李磊，等.污泥固化土強度特性研究[J].人民長江，2018，49（17） ：81-86.

[3] 易進翔.污泥-生活垃圾混合填埋體生化降解下的強度演化及填埋場的穩定性研究[D].南京：河海大學，2017.

[4] 趙樂軍，戴樹桂，辜顯華.污泥填埋技術應用進展[J].中國給水排水，2004，20（4） ：27-30.

[5] 李磊，徐菲，周靈君，等.固化污泥壓縮特性研究[J].巖土工程學報，2015（1）：171-176.

[6] 詹良通，羅小勇，管仁秋，等.某垃圾填埋場污泥坑外涌及其引發下游堆體失穩機理[J].巖土工程學報，2013，35 （7）：1189-1196.

[7] 楊春寶.填埋場變形與穩定離心模型試驗研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[8] 趙由才，張華，黃仁華，等.不同改性劑改善污泥土工性質的比較研究[J].環境污染與防治，2010，32（1）：35-39.

[9] 施建勇，王娟.污泥摻入生活垃圾后的力學特性試驗研究[J].巖土力學，2012，33（11）：13-17.

[10] 于小娟.污泥與城市生活垃圾混填的力學特性及穩定性[J].土木建筑與環境工程，2016，38（3）：80-89.

[11] Reddy K R，Gangathulasi J，Parakalla N S，el al.Compressibility and shear strength of municipal solid waste under short-term leachate recirculation operations[J].Waste Management & Research，2009，27（6）：578-587.

[12] 陳云敏，林偉岸，詹良通，等.城市生活垃圾抗剪強度與填埋齡期關系的試驗研究[J].土木工程學報，2009，42（3）：111-117.

[13] Li X L，Shi J Y.Stress-strain behaviour and shear strength of Municipal Solid Waste （MSW）[J].Journal of Civil Engineering，2016，20（5）：1747-1758.

[14] O’Kelly B C.Geotechnical properties of municipal sewage sludge[J].Geotechnical and Geological Engineering，2006，24（4）：833.

[15] 胡亞東.有機質降解規律及對垃圾土變形影響的研究[D].南京：河海大學，2006.

[16] 李磊，朱偉，吉順健，等.微生物對固化/穩定化污泥長期強度的影響研究[J].巖土工程學報，2008，30（12）：1778-1782.

[17] O’Kelly B C.Effect of biodegradation on the consolidation properties of a dewatered municipal sewage sludge[J].Waste Management，2008，28（8）：1395-1405.

[18] 張振營，嚴立俊，吳大志.城市新鮮垃圾抗剪強度參數模型研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（9）：1938-1944.

[19] 劉松玉，韓文君，章定文，等.劈裂真空法加固軟土地基試驗研究[J].巖土工程學報，2012，34（4）：591-599.

[20] 鮑樹峰，婁炎，董志良，等.新近吹填淤泥地基真空固結失效原因分析及對策[J].巖土工程學報，2014，36（7）：591-599.

[21] 錢學德，郭志平，施建勇，等，現代衛生填埋場的設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[22] Yuan P B，Kavazanjian E J，Chen W W，et al.Compositional effects on the dynamic properties of municipal solid waste[J].Waste Management，2011，31（12）：2380-2390.

[23] Fei X C，Zekkos，D Raskin L.An experimental setup for simultaneous physical， geotechnical， and biochemical characterization of municipal solid waste undergoing biodegradation in the laboratory[J].ASTM Geotechnical Testing Journal，2014，37（1）：1-12.

[24] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質：GB/T23485-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[25] 張振營，嚴立俊.城市新鮮生活垃圾變形與強度的關聯特性[J].浙江大學學報（工學版），2014，48（11）：1962-1967.

[26] 劉曉東，施建勇，高海.降解對垃圾土壓縮回彈特性的影響[J].深圳大學學報（理工版），2011，28（6）：535-540.

[27] 旦增頓珠，介玉新，魏弋峰，等.垃圾土的強度特性試驗研究[J].清華大學學報（自然科學版），2006（9）：1538-1541.

（編輯：鄭 毅）