鐵鹽調(diào)理聯(lián)合真空預(yù)壓法填埋污泥排水加固試驗(yàn)

武亞軍，鄧清楊，張旭東，李 璟

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444； 2.上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

隨著中國(guó)大中型城市第二產(chǎn)業(yè)和人口規(guī)模的不斷擴(kuò)大，污水處理的副產(chǎn)物市政污泥的產(chǎn)量也隨之大幅增加. 中國(guó)每年產(chǎn)生3 000萬(wàn)～4 000萬(wàn)t城市生活污泥(含水率80%左右)，預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)的市政污泥產(chǎn)量將會(huì)達(dá)到6 000萬(wàn)～9 000萬(wàn)t. 面對(duì)如此龐大的污泥產(chǎn)量，尋找一個(gè)合適的處理處置方式成為當(dāng)務(wù)之急，污泥處理處置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“四化”——減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化[1-2]. 當(dāng)前，中國(guó)主要采用衛(wèi)生填埋的方式處置市政污泥[3]. 隨著污泥產(chǎn)量的不斷增加，國(guó)內(nèi)許多污泥庫(kù)或污泥坑的庫(kù)容已不足，無(wú)法繼續(xù)填埋污泥且由于土地資源緊張一時(shí)又找不到新的填埋場(chǎng)地，污泥庫(kù)區(qū)的排水減容與坑體加固成為目前多數(shù)填埋場(chǎng)亟須解決的問(wèn)題. 現(xiàn)行常用的機(jī)械壓濾脫水方法處理效率低，特別是針對(duì)已經(jīng)填埋的高含水率污泥，難以大規(guī)模開(kāi)展應(yīng)用.

真空預(yù)壓法是一種軟弱地基處理加固的常用方法，具有處理量大、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn). 目前技術(shù)已非常成熟，衍生出一系列新方法如藥劑真空預(yù)壓法、氣壓劈裂真空預(yù)壓法、真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法等[4-6]. 污泥的土力學(xué)性質(zhì)極差，將真空預(yù)壓法直接應(yīng)用到污泥的排水加固處理效果并不明顯[7]. 這主要由污泥本身的特性決定：1)由于污泥中含有大量呈膠狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)物和親水性物質(zhì)，固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)極小，排水固結(jié)特性極差[8]；2)污泥具有由胞外聚合物 (EPS) 與微生物細(xì)胞形成的凝膠狀絮體結(jié)構(gòu)，且EPS中含有大量結(jié)合水，采用常規(guī)真空預(yù)壓法難以排出[9]；3)污泥固體中的大量有機(jī)質(zhì)絮體為柔性結(jié)構(gòu)，在外荷載作用下容易變形而堵塞排水通道.

無(wú)機(jī)混凝劑由于其具有壓縮雙電層、電中和、網(wǎng)鋪卷掃作用，已被廣泛應(yīng)用于城市污水及工業(yè)廢水處理，鐵鹽由于還具有較強(qiáng)水解能力的特點(diǎn)應(yīng)用更為廣泛，目前，一些學(xué)者已將其應(yīng)用到剩余污泥和脫水污泥的研究中. 姚萌等[10]采用FeCl3和CaO為調(diào)理劑，比較了調(diào)理前后剩余污泥的比阻、污泥粒度及胞外聚合物的變化，對(duì)調(diào)理的作用機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)分析；牛美青等[11]采用無(wú)機(jī)和有機(jī)混凝劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)測(cè)定污泥比阻、Zeta 電位及污泥上清液中大分子有機(jī)物含量，研究了不同混凝劑及其投加量對(duì)污泥脫水性能的影響；王曉萌等[12]以鋁鹽、鐵鹽、鈦鹽混凝劑為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定表征污泥脫水性能的指標(biāo)，系統(tǒng)比較了它們對(duì)污泥的調(diào)理性能.

以上都是針對(duì)改善剩余污泥或者新鮮脫水污泥的脫水性能或指標(biāo)展開(kāi)的研究，針對(duì)填埋污泥的深度脫水減容與真空排水加固研究較少. 僅有小部分學(xué)者對(duì)此展開(kāi)過(guò)研究，Lin等[13]對(duì)填埋庫(kù)污泥采用FeCl3化學(xué)調(diào)理聯(lián)合真空預(yù)壓法進(jìn)行了真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討了該方法在污泥庫(kù)減量化方面的可行性. 武亞軍等[14]對(duì)新鮮脫水污泥的真空固結(jié)特性展開(kāi)了研究，提出了基于藥劑調(diào)質(zhì)的真空預(yù)壓法，以新鮮脫水污泥為研究對(duì)象，采用FeCl3和CaO作為調(diào)理劑，研究了調(diào)質(zhì)污泥的真空固結(jié)特性，雖取得了較好的效果，但試驗(yàn)規(guī)模小且未采用實(shí)際真空預(yù)壓中廣泛使用的塑料排水板，仍與實(shí)際工況有較大差別.長(zhǎng)期填埋污泥經(jīng)過(guò)若干年的降解，各方面性質(zhì)相對(duì)新鮮脫水污泥也已發(fā)生較大的變化，故需要對(duì)填埋污泥的調(diào)理藥劑和真空排水加固特性展開(kāi)詳細(xì)的研究. 經(jīng)藥劑調(diào)理改性后，污泥的土力學(xué)性質(zhì)如何變化，在真空負(fù)壓下污泥的真空排水固結(jié)效果、污泥強(qiáng)度能否達(dá)到填埋標(biāo)準(zhǔn)，排水板是否會(huì)發(fā)生淤堵是亟須研究的問(wèn)題. 基于以上問(wèn)題，選用常用的鐵鹽——三氯化鐵(FeCl3)來(lái)調(diào)理污泥，污泥用量每桶達(dá)150 kg，并采用塑料排水板進(jìn)行排水固結(jié)，研究藥劑調(diào)理后土工性質(zhì)的變化，在真空荷載作用下污泥的排水固結(jié)規(guī)律以及孔隙分布規(guī)律，探究鐵鹽聯(lián)合真空預(yù)壓法處理污泥的可行性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)提供一定的參考.

1 藥劑真空預(yù)壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)污泥與化學(xué)藥劑

試驗(yàn)填埋污泥取自上海某污泥填埋坑，填埋時(shí)間在8 a以上；試驗(yàn)中采用的藥劑FeCl3為工業(yè)級(jí)無(wú)水FeCl3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%. 藥劑添加時(shí)先稱(chēng)好質(zhì)量，再配置成水溶液，按照藥劑占污泥干基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行添加. 本文的含水率為水的質(zhì)量與污泥總質(zhì)量之比.

1.2 試驗(yàn)器材

燒杯、量筒、滴定管、密封膠、電子天平(精度0.01 g)、玻璃棒、模型桶(如圖1所示)、空氣壓縮機(jī)、真空轉(zhuǎn)換閥、真空表、集水瓶、直尺、細(xì)管、烘箱、塑料排水板(等效孔徑為75 μm，如圖2所示)、塑料扁平接頭(如圖3所示)、密封膜、土工布等.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯?/p>

圖2 普通分離式排水板

圖3 塑料扁平接頭

1.3 加藥調(diào)理改性

取150 kg污泥，將占污泥干基20%約7.5 kg的三氯化鐵(FeCl3)溶入22.5 kg水中，配成0.33 kg/L的三氯化鐵溶液.配置溶液的過(guò)程中，放熱十分明顯，6 min內(nèi)水溫從20.3 ℃上升到68.5 ℃，相當(dāng)于釋放了4.55×106J熱量. 將溶液分兩次加入模型桶對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理改性，每次攪拌15 min以上，快攪慢攪交替進(jìn)行，攪拌過(guò)程中反應(yīng)十分劇烈，體積急劇膨脹產(chǎn)生大量氣泡和白煙，并劇烈放熱，加藥后污泥狀態(tài)如圖4所示，加藥后的污泥溫度變化如圖5所示.

圖4 加藥時(shí)污泥狀態(tài)

圖5 加藥后污泥的溫度變化曲線

1.4 真空預(yù)壓試驗(yàn)方案

實(shí)際工程中，真空預(yù)壓法處理高含水率淤泥等超軟土常采用塑料排水板進(jìn)行徑向固結(jié)排水. 為了貼近實(shí)際，采用塑料排水板進(jìn)行徑向真空固結(jié)試驗(yàn)，探究經(jīng)FeCl3調(diào)理后長(zhǎng)期填埋污泥的真空排水加固效果，驗(yàn)證藥劑真空預(yù)壓法處理長(zhǎng)期填埋污泥在實(shí)際工程中的可行性. 本次試驗(yàn)污泥用量為150 kg，試驗(yàn)組FeCl3摻量為污泥干基的20%(該添加比例是由以真空抽濾為基礎(chǔ)的比阻試驗(yàn)確定的[15])，比阻是衡量污泥脫水性能的綜合指標(biāo)，且比阻值與固結(jié)系數(shù)呈負(fù)相關(guān)[13].另設(shè)置一個(gè)空白對(duì)照組，污泥用量相同不添加任何藥劑.

真空預(yù)壓試驗(yàn)裝置由模型桶、密封膜、排水管、集水瓶、空壓機(jī)組成，桶高約98 cm，桶體直徑約58 cm，排水板與塑料扁平接頭連接從密封膜中心穿孔通過(guò)軟管連接到集水瓶，集水瓶另一端再與真空源相連，達(dá)到氣液分離的目的，如圖6所示.密封膜鋪設(shè)于污泥上表面，兩者之間鋪設(shè)一層土工布，為保證較好的密封效果，密封膜四周塞入污泥與模型桶間，向下深入約25 cm，排水板與真空源之間采用塑料扁平接頭、集水瓶、排水管進(jìn)行連接. 排水板一端接入扁平接頭，再通過(guò)排水管接入集水瓶，集水瓶與空壓機(jī)通過(guò)細(xì)管、快速插接頭和真空轉(zhuǎn)換閥進(jìn)行連接，部分接頭處用絕緣膠帶和玻璃膠加密，形成一個(gè)穩(wěn)定的真空排水系統(tǒng). 采用等效孔徑為75 μm的普通分離式排水板，每個(gè)桶放置1根排水板位于試樣的正中心.為了防止試驗(yàn)初期真空荷載過(guò)大致使大量細(xì)小顆粒往排水板遷移造成排水板濾膜淤堵，試驗(yàn)采用分級(jí)施加真空荷載的加載方式，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)真空荷載，初級(jí)荷載為40 kPa，待加載時(shí)間持續(xù)24 h后，將荷載增加至80 kPa，直至試驗(yàn)結(jié)束. 試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)排水量、沉降量和真空度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)徑向收縮導(dǎo)致的漏氣采用泥封處理. 試驗(yàn)完成后對(duì)模型桶內(nèi)污泥進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、密度測(cè)試、壓汞試驗(yàn)等，試驗(yàn)點(diǎn)及取樣點(diǎn)見(jiàn)圖7.

圖6 真空預(yù)壓試驗(yàn)裝置示意

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)和取樣點(diǎn)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加藥調(diào)理改性前后性質(zhì)變化

FeCl3溶液與原始污泥發(fā)生了劇烈反應(yīng)，顏色由黑變黃，污泥反應(yīng)前后的性質(zhì)發(fā)生了一些變化，如表1所示.

表1 原狀和調(diào)理污泥基本性質(zhì)

由于FeCl3是以溶液的形式加入的，含水率略微有所變化；由于FeCl3的混凝作用以及Fe(OH)3的網(wǎng)捕卷掃作用，污泥的比重有所增加；由于Fe3+的水解作用以及較強(qiáng)的氧化作用，有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所減少；由于Fe3+的強(qiáng)水解反應(yīng)，pH減小到4.1，減小了45%. FeCl3溶液與污泥發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生了大量氣體，體積膨脹，產(chǎn)生的氣體并不能完全從污泥中排出，而是積存在污泥內(nèi)部，導(dǎo)致污泥中孔隙變多，孔隙比增大. 由于FeCl3的加入導(dǎo)致pH減小，溫度升高，污泥膠體結(jié)構(gòu)被破壞，胞內(nèi)水被釋放，污泥的黏度明顯減小，滲透系數(shù)增大，滲透性提高. Fe3+的加入壓縮了污泥膠粒雙電層中的擴(kuò)散層，中和了部分污泥膠粒表面的負(fù)電荷，降低了污泥膠粒間靜電斥力和ζ電位，膠粒之間開(kāi)始發(fā)生凝聚，污泥穩(wěn)定的絮狀膠體結(jié)構(gòu)因失穩(wěn)而破壞，顆粒開(kāi)始凝聚和絮凝，固液分離發(fā)生，脫水性能提高.

2.2 排水量

真空預(yù)壓過(guò)程中排水量與排水速率隨時(shí)間變化如圖8，9所示. 由圖8可以看出，原狀污泥排水曲線十分平緩，736 h最終排水量只有5 650 mL，平均每小時(shí)排水量不足8 mL，由此可見(jiàn)真空預(yù)壓法對(duì)原狀污泥進(jìn)行深度脫水的效果十分有限. 經(jīng)藥劑調(diào)質(zhì)的污泥脫水性能得到了明顯提高，經(jīng)FeCl3調(diào)理后的污泥深度脫水性能顯著提升，24 h排水量達(dá)到4 500 mL，是原狀污泥排水量的7.5倍. 調(diào)理污泥排水曲線24 h附近存在突變，這是由于24 h后進(jìn)行了真空荷載調(diào)整. 真空荷載的增加造成排水速率突增，導(dǎo)致下一個(gè)計(jì)數(shù)期排水量增加較多，反映到排水曲線上顯示為突變. 經(jīng)過(guò)736 h的真空預(yù)壓，調(diào)理污泥一共排水約50 L，相當(dāng)于每噸污泥脫水0.33 m3.

圖8 排水量隨時(shí)間變化曲線

從圖9可以看出，經(jīng)FeCl3調(diào)理的污泥排水速率不穩(wěn)定，上下波動(dòng)較大，這可能與真空度波動(dòng)和污泥本身復(fù)雜的化學(xué)成分有關(guān)；調(diào)理污泥排水速率明顯大于原狀污泥，調(diào)理污泥前24 h的平均排水速率達(dá)到180 mL/h以上，原狀污泥僅為20～30 mL/h，調(diào)理后是調(diào)理前的6倍以上. 調(diào)理污泥排水速率在24 h突增，這是因?yàn)檎婵斩葟?0 kPa調(diào)整到80 kPa. 24～400 h排水速率約為100 mL/h，400 h后排水速率降至約45 mL/h，說(shuō)明FeCl3的加入雖能大大改善污泥滲透性，但并不能在污泥內(nèi)部形成較強(qiáng)的骨架，隨著排水固結(jié)程度的加深，孔隙比明顯減小，導(dǎo)致排水通道堵塞較多，因此，可進(jìn)一步添加新的藥劑構(gòu)建具有較高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的排水通道來(lái)增加其滲透性.

圖9 排水速率隨時(shí)間變化曲線

2.3 含水率

2.3.1 平均含水率

假定排水過(guò)程中固體小顆粒沒(méi)有損失，根據(jù)排水量反算得到試驗(yàn)過(guò)程中的含水率變化，這里是指整桶污泥的平均含水率，如圖10所示. 可以看出，原狀污泥含水率在抽真空過(guò)程中變化很小，24 h下降了不到0.2%，736 h下降了0.9%，這與排水量小有直接關(guān)系；經(jīng)FeCl3調(diào)理的污泥在前24 h下降了0.6%，在736 h內(nèi)一共下降了9.3%，含水率最終降為66.6%，脫水效果較好，可進(jìn)一步優(yōu)化藥劑配方和試驗(yàn)參數(shù)來(lái)提升效果. 平均含水率的變化規(guī)律與排水量的規(guī)律相一致.

圖10 平均含水率隨時(shí)間變化曲線

2.3.2 含水率分布規(guī)律

為了研究真空預(yù)壓后污泥含水率的分布規(guī)律，分別在不同深度沿垂直排水板面方向取樣測(cè)定其含水率，結(jié)果如圖11所示. 可以看出，深度越深，含水率越高，同一深度下，距離排水板越遠(yuǎn)，含水率越高，這可能與真空度遞減有關(guān)，真空度沿半徑方向和深度方向逐步衰減[16]；觀察圖11(b)可知，在表層，距離板1和25 cm兩個(gè)位置處含水率差值為2.1%，在深度30 cm處，距板1和25 cm兩位置處，含水率相差6%，這表明深度越深，沿著徑向含水率分布差別越大，即含水率分布越不均勻；污泥表層含水率在57.1%～60.7%，深度30 cm處為60.7%～66.7%，Lin等[13]真空現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的表層含水率分布范圍為58.3%～63.1%，深度30 cm處為63.6%～70.6%，表層含水率二者相當(dāng)接近且含水率沿徑向和深度方向增加的規(guī)律一致，隨著深度的加深，Lin等的含水率急劇增加至78.8%以上，與表層差距較大，整體性不如本次試驗(yàn)，這與坑體較深、中下部污泥與藥劑混合不均、排水板彎折等因素有關(guān).

2.4 累計(jì)沉降量和減容比

試驗(yàn)過(guò)程中在某條垂直排水板的直徑上選取8個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行污泥沉降記錄，將8個(gè)點(diǎn)位沉降值的平均值作為污泥的累計(jì)沉降值，得到原狀污泥和調(diào)理污泥的累計(jì)沉降曲線如圖12所示. 可以看出，原狀污泥在24 h內(nèi)的沉降值基本達(dá)到了穩(wěn)定，沉降量約1 cm，這與原狀污泥滲透系數(shù)極低、排水量少有關(guān)；FeCl3調(diào)理污泥在24 h內(nèi)約沉降了4.5 cm，是原狀污泥的2.25倍. 調(diào)理污泥24 h后沉降量突增，這是由于24 h后的真空荷載調(diào)整，導(dǎo)致排水量在下一個(gè)計(jì)數(shù)期相比24 h之前增加較多所致. 經(jīng)過(guò)736 h的真空預(yù)壓，調(diào)理污泥一共沉降了約17.4 cm，占其初始高度的24.8%.

圖11 含水率分布

圖12 累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化曲線

圖13為某條垂直排水板面直徑上8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度變化. 可以看出，在真空排水固結(jié)過(guò)程中，污泥表面沉降并不均勻，而是兩邊比中間沉降多，呈上凸?fàn)罨蚬靶? 這可能與排水板和污泥沉降不同步以及排水板處形成的土樁有關(guān)，真空預(yù)壓過(guò)程中排水板因?yàn)樾☆w粒的水平移動(dòng)和豎向移動(dòng)被土體緊密包圍[17]，并在板處形成強(qiáng)度較高的土樁，難以隨污泥一起下降，取出排水板時(shí)排水板上端在污泥表層之上也印證了這一點(diǎn).另外土樁的形成也影響了沉降速率，土樁強(qiáng)度高，壓縮性低，沉降速率比遠(yuǎn)離土樁處慢，逐漸形成了圖14的形狀.

圖13 污泥高度變化曲線

圖14 排水板處的土樁

在真空預(yù)壓過(guò)程中，原狀污泥僅發(fā)生豎向沉降，調(diào)理污泥有豎向沉降和徑向收縮，無(wú)法直接通過(guò)沉降量計(jì)算體積改變量，故采用密度法. 為了盡可能準(zhǔn)確測(cè)定整個(gè)試樣的平均密度，采用環(huán)刀在圖7所示位置從上往下間隔均勻地取3個(gè)試樣，取3個(gè)試樣的平均密度. 按照質(zhì)量與密度的關(guān)系算出調(diào)理污泥真空預(yù)壓后的體積，計(jì)算出減容比(減小的體積與原體積之比)，調(diào)理污泥為1號(hào)，原狀污泥為2號(hào)，結(jié)果如表2所示.可以看出，2號(hào)的減容比很小，為4.6%，1號(hào)相對(duì)調(diào)質(zhì)污泥(加藥后真空預(yù)壓前)減容36.2%，相對(duì)原狀污泥(加藥前)減容為28.8%，減容效果較好. 減容比與排水量呈正相關(guān)，1號(hào)和2號(hào)的減容比的比值約為排水量比值的0.7倍；體積變化量與Lin等[13]真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的47.5%有一定差別，這主要與初始含水率不同有關(guān)，本文污泥初始含水率為75%，明顯低于Lin等的89.6%.

表2 試驗(yàn)結(jié)束后減容比

2.5 污泥強(qiáng)度

為研究真空預(yù)壓結(jié)束后不同深度、距排水板不同距離位置處污泥強(qiáng)度，對(duì)15，30 cm深度，距排水板3，13，24 cm處的污泥分別進(jìn)行了原狀污泥和重塑污泥的十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，具體結(jié)果如表3所示.可以看出，深度15 cm處原狀污泥十字板抗剪強(qiáng)度平均為1.1 kPa，F(xiàn)eCl3調(diào)理污泥的抗剪強(qiáng)度最大達(dá)18.9 kPa，平均為11.7 kPa；隨著排水固結(jié)過(guò)程的不斷深入，孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，強(qiáng)度逐漸增大；沿徑向距排水板越遠(yuǎn)，污泥強(qiáng)度越低，深度越深，強(qiáng)度越低，排水板處污泥強(qiáng)度最高，這與含水率分布規(guī)律一致；此外，強(qiáng)度越高，靈敏度越高，結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，受擾動(dòng)影響越大.

表3 不同位置處原狀和重塑污泥強(qiáng)度

污泥強(qiáng)度呈現(xiàn)上述規(guī)律可能是因?yàn)檎婵諌毫ρ貜较蚝蜕疃确较虻膿p失，導(dǎo)致不同位置處排水固結(jié)程度不同.且由圖13，14可知，以排水板為中心形成了土樁，土樁一般呈倒錐形[18]，是由較細(xì)顆粒在滲透力作用下向排水板移動(dòng)并聚集形成，土樁的強(qiáng)度一般較周?chē)馏w偏大[17]，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，土體強(qiáng)度呈現(xiàn)出以排水板為中心向四周逐漸減小，且隨著深度逐漸減小的規(guī)律.

2.6 孔隙分布特征

為研究真空預(yù)壓后的孔隙大小以及孔徑分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)束后在污泥表層垂直排水板面方向距板1，5，13，22 cm位置處取樣，采用液氮冷凍真空干燥升華法對(duì)試樣處理后，采用壓汞儀(如圖15所示)進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)(mercury intrusion porosimetry,簡(jiǎn)稱(chēng) MIP).壓汞試驗(yàn)的原理是：通過(guò)壓汞儀施加一定的汞壓力，克服汞的表面張力，從而使汞被壓入試樣孔隙中，所壓進(jìn)汞的體積即為孔隙體積. 由于2號(hào)含水率過(guò)高、強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法取出成形試樣，只對(duì)1號(hào)的孔隙分布特征進(jìn)行研究.

圖15 壓汞儀

2.6.1 孔隙率與累計(jì)孔體積

距排水板不同距離的孔隙指標(biāo)和累計(jì)入汞量與孔徑關(guān)系如表4和圖16所示.由表4可知，沿徑向孔隙比最小為0.5，最大為1.2，平均為0.85，試驗(yàn)結(jié)束后的孔隙比相比試驗(yàn)前下降了82.4% 以上，表明在真空預(yù)壓過(guò)程中，隨著孔隙水的不斷排出，孔隙體積顯著縮小，孔隙比的顯著減小也從側(cè)面解釋了在真空預(yù)壓中后期排水速率減慢的原因；從距板1 cm到5 cm處，4 cm的跨度，孔隙率增加了11.7%，孔隙比增加了0.33，從距板5 cm到22 cm處，17 cm的跨度，孔隙率增加了8.9%，孔隙比增加了0.36，表明距離排水板越遠(yuǎn)，其孔隙率和孔隙比越大，且距板越近，孔隙變化越明顯.由圖16可知，距板越遠(yuǎn)，累計(jì)入汞量越大，即孔隙體積越大，4個(gè)試樣的累計(jì)孔隙體積差距較小，最大差值僅為0.17 mL/g；4個(gè)試樣的孔徑均集中在200～100 000 nm，沿徑向孔隙的主要分布范圍差別不大.

表4 不同位置處的孔隙率與孔隙比

圖16 累計(jì)入汞量與孔徑關(guān)系曲線

2.6.2 孔徑分布規(guī)律

孔徑分布密度曲線如圖17所示. 可以看出，4個(gè)試樣的孔徑分布密度峰值對(duì)應(yīng)孔徑在6 000 nm附近，距排水板距離不同，孔徑分布密度曲線峰值并未發(fā)生移動(dòng). 觀察曲線的左半部分可得，距離排水板越遠(yuǎn)，孔徑分布范圍越廣且微孔越多；10～500 nm的孔徑，距板越遠(yuǎn)反而越多.

圖17 孔徑分布密度曲線

為進(jìn)一步研究孔徑分布的規(guī)律，定量描述大中小孔徑相對(duì)百分比的變化情況，需要對(duì)孔徑進(jìn)行分類(lèi). 然而，目前對(duì)于軟黏土孔徑劃分的具體界限值沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn). Shear等[19]根據(jù)原狀和重塑的飽和灰色軟弱沖擊性黏土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，將粘土內(nèi)的孔隙分為以下4種，并定量地給出各類(lèi)孔隙的界定標(biāo)準(zhǔn)，如表5所示.

表5 孔隙類(lèi)型劃分

本次試驗(yàn)的對(duì)象是調(diào)理改性污泥，由于沒(méi)有污泥孔徑的統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Shear的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合污泥的微觀孔徑特性，將孔徑劃分為4類(lèi). 根據(jù)表5的劃分方法，做出孔隙體積百分比分布曲線，如圖18所示. 可以看出，4類(lèi)孔隙小孔占比最高，最高可達(dá)65.13%，其次是中孔，大孔最少，孔隙分布主要以小孔和中孔為主，即以團(tuán)粒內(nèi)孔隙和顆粒間孔隙為主. 沿徑向小孔和中孔合占的比例從92.92%下降到79.35%，說(shuō)明距離排水板越遠(yuǎn)，孔隙分布越均勻. 距離排水板越近，小孔占比越多，中孔占比差別不大，這可能是由于距離排水板越近，真空吸力越大，顆粒之間排列更緊密，小孔隙越多. 距排水板越遠(yuǎn)，微孔占比逐漸增加，大孔占比逐漸減少，這可能是由于距排水板越近，小顆粒流失越多，導(dǎo)致微孔數(shù)量下降且大孔數(shù)量比遠(yuǎn)處略高.

圖18 孔隙體積百分比分布曲線

3 討 論

本次試驗(yàn)采用高98 cm，直徑58 cm的圓柱型模型桶進(jìn)行徑向真空固結(jié)模型試驗(yàn)，污泥處理深度為70 cm，攪拌較均勻，排水板未發(fā)生明顯彎折，處理結(jié)果較為理想，結(jié)論對(duì)于處理淺層泥坑較為適用.然而工程實(shí)際中，真空預(yù)壓原位處理的深度常在數(shù)米到數(shù)十米，規(guī)模和深度的不同會(huì)造成結(jié)果的差異.從以下3點(diǎn)對(duì)可能涉及的問(wèn)題展開(kāi)討論：1)現(xiàn)場(chǎng)使用的排水板長(zhǎng)達(dá)數(shù)米以上，其內(nèi)部的井阻效應(yīng)會(huì)被明顯放大，影響正常排水造成處理效果的下降.2)坑體較深時(shí)污泥與藥劑均勻混合較困難，導(dǎo)致藥劑濃度分布不均，造成反應(yīng)不充分，同樣影響處理效果.3)處理深度較深時(shí)，排水板易發(fā)生Z型或S型等不同形式的彎折現(xiàn)象，真空度向下傳遞更為困難[20]，下部真空度的顯著下降造成污泥排水困難.

以上問(wèn)題使得真空預(yù)壓原位處理效果以及處理的整體性顯著降低，含水率、體積變化量、污泥強(qiáng)度等結(jié)果將與本次試驗(yàn)產(chǎn)生較大差別.

4 結(jié) 論

1)原狀污泥顆粒細(xì)小且滲透系數(shù)極低，在真空預(yù)壓過(guò)程中易在排水板濾膜上形成致密泥層堵塞排水通道，故原狀污泥采用真空預(yù)壓進(jìn)行排水加固的效果十分有限.

2)經(jīng)FeCl3調(diào)理后污泥，性質(zhì)發(fā)生較大變化，排水速率大幅提升. FeCl3的加入能大大改善污泥滲透性且不易發(fā)生淤堵，但未能在污泥內(nèi)部形成較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)，后期排水速率下降明顯.

3)原狀污泥的抗剪強(qiáng)度極低，在1.1 kPa左右，調(diào)理污泥抗剪強(qiáng)度最大達(dá)18.9 kPa，接近25 kPa的填埋標(biāo)準(zhǔn)；真空預(yù)壓后的含水率和抗剪強(qiáng)度分布不均，沿徑向和深度方向含水率逐漸增大，抗剪強(qiáng)度逐漸減小.

4)調(diào)理污泥真空預(yù)壓后，孔徑主要分布在200～100 000 nm，孔徑分布密度峰值對(duì)應(yīng)孔徑在6 000 nm左右；4類(lèi)孔隙小孔占比最高，其次是中孔，且離排水板越近，大孔越多，微孔越少.

5)調(diào)理污泥平均含水率降至66.6%，體積相對(duì)原狀污泥減小了28.8%，表明鐵鹽聯(lián)合真空預(yù)壓對(duì)污泥進(jìn)行加固是一種有效的方法，可優(yōu)化藥劑組合和真空預(yù)壓工藝參數(shù)來(lái)進(jìn)一步提升效果，以期盡早應(yīng)用于工程實(shí)踐.