纸浆渣烧结灰(PS灰)和水泥固化污泥水力试验研究*

吴 炎 夏 雄 朱春鹏 肖世国

(①常州大学怀德学院 靖江 214500)(②常州大学岩土工程研究所 常州 213164)(③西南交通大学地质工程系 成都 610031)

0 引 言

污泥的含水率高且体积庞大，并含有多种有毒、有害物质，如果不进行有效处理，将会随着雨水等进入水体和土壤并且累积，对环境造成严重的二次污染(Vieira et al.，2014)，借鉴固化剂改良特殊土的特性(常志璐， 2017； 冯巧等， 2017)，开展固化污泥研究具有重要意义。

在国内外许多学者的共同努力下，取得了一系列成果。Kamaluddin et al. (1995)采用水泥作为单一的固化剂，污泥固化后的固结特征与超固结土类似。同时，Themblay et al. (2001)对单纯水泥作为固化剂固化疏浚污泥进行研究，从初始孔隙比、固化剂掺量等方面的改变分析固化体的压缩特性。张俊峰等(2015)则采用改性水泥固化污泥，通过室内试验，从宏观和微观角度对分析水泥固化污泥的机理。相关研究表明(Sun et al.，2014)，仅仅采用水泥固化污泥，固化体的强度增长缓慢，其强度很少能够达到资源化利用或填埋的要求，这也就导致固化体中水泥含量不断增加，增加了固化成本(胡聚豪， 2013)。因此，寻找其他辅助材料与水泥配合则成为当务之急(Xin et al.，2016)。

郑修军等(2008)采用正交试验，寻找各种材料互相组合固化污泥强度的影响规律。李磊等(2005)开展了不同条件下固化污泥的压缩特性研究，探讨了压缩性变化机理。Zhu et al. (2015)采用苯酚作为吸附剂来改性污泥，结果表明吸附效果很好。王鹏等(2015)采用离散短丝纤维加筋技术，着重研究该技术对市政污泥固化后的固结特性的影响，从纤维掺入变化量的改变来分析渗透系数和固结系数的变化。

然而，大多数学者的目光都集中在其强度和压缩性上，对渗透性和浸出液的研究却很少(刘汉龙等， 2016)。另一方面，土的渗透性完全可能影响土体力学性质的一个关键因素，而且污泥固化体的渗透性越低，污染物的溶虑性能也随之降低(张志红等， 2014)，所以降低污泥固化体的渗透系数是控制二次污染产生的重要途径(陈伟， 2012)。因此对固化剂下的污泥渗透性的研究十分必要。

纸浆渣烧结灰(PS灰)是造纸过程中纸浆渣经锅炉焚烧后在炉底产生的灰质材料，是造纸工业产生的固体废弃物。利用PS灰所具有的吸水性和自硬性(朱春鹏等， 2012)，并结合水泥研制廉价有效的新型污泥固化剂配方，能够把造纸产生的废弃物(Rahmat et al.，2016)与污泥相结合，增加资源利用率，降低环境污染，具有较高的研究价值和良好的推广价值。同时结合固化淤泥的力学特性(赖夏蕾等， 2016)和渗透性方面(查甫生等， 2014)的研究成果，对纸浆渣烧结灰(PS灰)和水泥固化污泥的渗透性能进行研究。

1 原料的选用与试样的制备

试验中采用的PS灰来源于山东省青苑纸业有限责任公司，焚烧炉采用临沂锅炉厂生产的LC40-5-1.25型号焚烧锅炉，纸浆渣焚烧较多的采用此型号锅炉。通过工程测试，PS灰的pH值为7.75，呈弱碱性； PS灰的工程吸水率为86.3%，固有吸水率为53.9%。

污泥采用常州市武进区污水处理厂经生化处理过的废弃污泥，通过测试，其物理力学性质如下： 含水率为574.38%、塑限为138.19%、液限为563.22%、有机质含量为66.55%(采用灼失量法)、 平均抗剪强度为1.7ikPa(微型十字板试验)。

试验中水泥采用的是常州产的常红牌普通硅酸盐水泥(标号为425)。试样制备过程如下：先将污泥样放入搅拌机中搅拌，使之成为泥浆，然后按照计算的配合比加入PS灰和水泥，搅拌成均匀的混合浆体，最后将固化体装入三轴试样模具内，在室内自然条件下养护24ih后拆模，然后将拆模后的试样装于自封袋中放入养护箱中养护28id。养护到龄期后，将取出的试样进行渗透和静水淋溶试验。

试验采用多因素分析法，依据国家标准规范(GB/T50123—1999)以及《土壤固化外加剂》(CJT486-2015)，考虑不同PS灰含量与水泥含量对污泥的固化效果。

将取纸浆渣烧结灰含量(与污泥质量的比值)为10%、15%、20%和25%简化为PS灰配合比，水泥含量(与污泥质量的比值)为8%、12%、16%和20%简化为水泥配合比。

2 固化污泥的基本工程特性试验

2.1 无侧限抗压强度试验

试验中分别控制PS灰和水泥的含量，采用PS灰配合比和水泥配合比，并在养护箱内养护28id后进行无侧限抗压强度试验。通过响应面分析，污泥固化土的无侧限抗压强度与PS灰含量、水泥含量的关系拟合表达式如下：

z=-9.570+0.106x+1.154y-0.152x2-

0.005y2+0.068xy

R2=0.95

(1)

式中，x为纸浆渣烧结灰的掺入含量(%)；y为水泥的掺入含量(%)；z为固化污泥的无侧限抗压强度(kPa)。

图 1 固化污泥无侧限抗压强度Fig. 1 Unconfined compression strength of solidified sludge

从图 1中可知，固化污泥的无侧限抗压强度与PS灰和水泥含量呈“阶梯形”分布，且当水泥和PS灰含量最少时，无侧限抗压强度最低。即当纸浆渣烧结灰掺入含量为20%、水泥掺入含量为20%时，固化污泥无侧限抗压强度达最大值40.0ikPa。

2.2 渗透试验

本试验通过控制PS灰配合比和水泥配合比对污泥进行固化渗透试验，采用PS灰配合比与水泥配合比。污泥固化土的渗透系数与纸浆渣烧结灰含量、水泥含量的关系见图 2。

图 2 固化污泥渗透系数与水泥掺入含量的关系Fig. 2 Relationship between infiltration coefficient of solidified sludge and cement content

由此可知，掺入PS灰会较大程度地降低固化污泥土的渗透系数。而且，当水泥含量较高时，刚开始加入PS灰，固化污泥土的渗透系数降低较快，之后再加入PS灰，渗透系数降低速度会减缓，甚至会出现增加。

从图 2中可得出，同时掺入水泥和PS灰相比于单一掺入水泥固化污泥，渗透系数变化较大，固化效果较明显，但固化体的渗透系数并非随着PS灰和水泥的掺入量增加而下降。因此，将固化体中掺入的PS灰和水泥含量与其渗透系数绘制三维曲面(图 3)，并进行响应面分析，拟合表达式如下：

z=6.757-0.201x-0.186y-

0.002x2+0.003xy

R2=0.95

(2)

图 3 固化污泥渗透系数与水泥和PS灰掺入量的关系Fig. 3 Relationship among infiltration coefficient of solidified sludge and cement content and PS ash content

用PS灰和水泥含量表示的固化污泥渗透系数的等值线图(图 4)。

图 4 固化污泥的等值线图Fig. 4 Contour chart of solidified sludge

2.3 静水淋溶试验

试验通过半消法和纯水法对PS灰中的离子含量进行了测定，测出出液重金属离子的浓度

当采用浸取液为pH=7的去离子水，对固化污泥的浸出液进行重金属离子测定。

2.3.1 Cd离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

固化污泥浸出液中Cd离子的浓度与掺入的水泥含量和PS灰含量的关系，如图5所示。

图 5 掺入不同水泥和PS灰与浸出液Cd离子浓度的关系图Fig. 5 The relationship among Cd ions concentration in leaching solution and cement content and PS ash content

由上图可知当水泥掺入量较低，即掺入量在8%～12%时，随着PS灰含量增加，浸出液基本检测不到Cd离子； 但当水泥掺入量在12%～16%时，掺入适量的PS灰，会使固化污泥中较多Cd离子浸出，达到研究区域的最大值。此外，Cd离子的含量先增大后降低但远低于污水综合排放标准，高于生活饮用水卫生标准。

2.3.2 Cu离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

固化污泥浸出液中Cu离子的浓度与掺入的水泥含量和PS灰含量的关系(图6)。

图 6 掺入不同水泥和PS灰与浸出液Cu离子浓度的关系图Fig. 6 The relationship among Cu ions concentration in leaching solution and cement content and PS ash content

由图6可知当水泥掺入量低于16%时，随着水泥含量的减少、PS灰含量的增加，浸出液中Cu离子不断降低； 当水泥掺入量高于16%时，随着水泥含量的增加、PS灰含量的增加，浸出液中Cu离子不断降低； 水泥掺入量在12%～16%、PS灰掺入量在10%～17.5%时候，会使固化污泥中浸出的Cu离子浓度迅速增加，达到研究区域的最大值。此外，固化污泥浸出液中Cu的含量低于污水综合排放标准，但是高于生活饮用水标准含量。

2.3.3 Pb离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

由表 1、 表 2及表3看出，污泥以及样品浸出液中的Pb的含量全为负值，说明浸出液中Pb的含量低于监测仪器的精度，可以认为浸出液中不含有Pb离子。

表 1 半消法测定金属离子Table 1 Determine metal ions by semi digestion

表 2 纯水法测定金属离子Table 2 Determine metal ions by pure water method

2.3.4 Zn离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

由表 3看出，固化污泥样品浸出液中Zn的离子大部分为负值，也就是说在浸出液中基本不含有Zn离子。只有当掺入的纸浆渣烧结灰和水泥较低时，浸出液中存在Zn离子，并且随着掺入量的增加，浸出液中Zn离子浓度迅速降低。而从表 1中可以看出，纯水法测定污泥中Zn离子浓度最大达到了1.442img·L-1，采用水泥和PS灰固化后，效果非常显著。

表 3 浸取液pH=7时固化污泥中的金属离子含量(单位：mg·L-1)Table 3 Content of metal ions in solidified sludge with pH=7 of leaching solution(unit： mg·L-1)

2.3.5 Fe离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

图 7 不同含灰量的Fe的含量Fig. 7 Content of Fe ions with different contents of ash

固化污泥浸出液中Fe离子浓度随水泥和PS灰掺入量的变化见图 7所示，可知当水泥掺入量较低时，浸出液中Fe离子随着PS灰含量的增加，其浓度迅速降低； 当水泥掺入量高于10%、PS灰含量高于17.5%时，随着水泥含量的增加、PS灰含量的增加，浸出液中Fe离子浓度降低的很缓慢。此外，固化污泥浸出液中Fe离子的含量低于生活饮用水标准含量。

2.3.6 Mn离子浓度与水泥和PS灰掺入量的关系

图 8 不同含灰量的Mn的含量Fig. 8 Content of Mn ions with different contents of ash

固化污泥浸出液中Mn离子浓度随水泥和PS灰掺入量的变化见图8所示，可知当水泥掺入量较低，PS灰掺入量在12%～15%时，浸出液中Mn离子浓度存在着最大值点，即图中三维图存在一个顶点； 当水泥掺入量较高、PS灰含量也较高时，三维图在此区域内也存在一个顶点，但浓度最低点存在于水泥含量为12%～15%处，而此时PS灰含量最高。此外，固化污泥浸出液中Mn离子的含量高于生活饮用水标准含量，远低于污水综合排放标准。

试验结果表明，PS灰和水泥的掺入对浸出液中金属离子的含量有显著影响，能够较好固化其中的重金属离子。PS灰对Cd离子的影响最为显著，其他重金属离子的含量受PS灰和水泥掺入量的共同作用。

同时，结合图 2、图 5、图 6、图 7和图 8可发现，浸出液中离子浓度的极小值都位于PS灰含量为25%处，同时该处的固化污泥的渗透性皆较小。

3 结 论

(1)固化污泥的无侧限抗压强度与PS灰和水泥含量呈“阶梯形”分布，当纸浆渣烧结灰参入含量为20%、水泥掺入含量为20%时，固化污泥无侧限抗压强度达最大值40.0ikPa。

(2)当水泥和PS灰的含量较少时，随着水泥和PS灰的含量增加，固化污泥的渗透系数降低。而且，当水泥含量较高时，刚开始加入PS灰，固化污泥土的渗透系数降低较快，之后再加入PS灰，渗透系数降低速度会减缓。

(3)同时掺入水泥和PS灰相比于单一掺入水泥固化污泥，渗透系数变化较大，但固化体的渗透系数并非随着PS灰和水泥的掺入量增加而下降，响应面分析的拟合表达式为：

z=6.757-0.201x-0.186y-0.002x2+0.003xy。

(4)PS灰含量一定时，水泥含量增加，使得样品中的有些金属离子被水泥固化，金属离子含量的整体趋势逐渐下降； Cu离子和Cd离子的最大固化效果皆在水泥含量为12%以下，而其他离子则相反，且浸出液中离子浓度随PS灰含量的增加而降低。