污泥固化抗壓強度研究

俞梅

（上海傲江生態環境科技有限公司，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，以至于國內生產污泥的企業亂排亂倒，造成污泥堆積的現象，具有一定的危害性。從全球可持續發展的角度來講，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境并不適宜清挖擾動，清挖難度較大，因此選擇現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境；垃圾填埋場中的污泥會經過經水浸泡、溶解，產生滲濾液，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%，Fe2O3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%，Fe2O3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：存在與固體顆粒孔隙中的水分，一般在混合攪拌過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生水化反應，產生大量的熱，可以使使污泥內部溫度可升高，促進污泥中自由水的蒸發速度的同時，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生水化反應，結合水分并產生熱量致使污泥中的水分蒸發，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生硬化；石灰與土中的碳酸和空氣中的二氧化碳發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，達到一個比較穩定的狀態。粉煤灰固化機理與水泥固化機理相似，都是發生水化發應，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，大氣以及周邊環境的污染風險。