污泥固化抗压强度研究

俞梅

（上海傲江生态环境科技有限公司，上海200120）

我国当前的污泥安全无害化处置率尚不足30%，国家对污泥处置必要性并没有特别重视，和水处理和大气处理相比，污泥处置得到的国家支持力度太小，以至于国内生产污泥的企业乱排乱倒，造成污泥堆积的现象，具有一定的危害性。从全球可持续发展的角度来讲，我们正面临着资源紧缺、能源价格上涨、土壤有机质流失以及碳排放量高的现状，未来从污泥中索要资源和能源亦是大势所趋。

一般垃圾填埋场污泥含水率高达80%以上，整个垃圾填埋场的环境并不适宜清挖扰动，清挖难度较大，因此选择现在选择原位固化处理技术较多；污泥长时间堆放容易细菌滋生，散发出恶臭味，若是在下风口，将严重的影响下风口周边的居住环境；垃圾填埋场中的污泥会经过经水浸泡、溶解，产生渗滤液，若不做好倒排和阻隔工作，渗滤液将污染周边的地下水体和地表水；另外填埋场中污泥绝大部分含有重金属，如果不进行处置，污泥中的重金属将会迁移至周边土壤，造成周边土壤污染。

1 试验说明

本试验中污泥是某垃圾填埋场的污泥，由于垃圾填埋场污泥是包含水、泥沙、纤维、动植物残体及各种絮体、胶体、有机质、微生物、病菌、虫卵、重金属及各种无机盐等的复杂多相体系，体现在岩土工程的物理力学特性是：颗粒极细、饱和、流动状、有机质含量高和长时间难以固结，强度指标基本为零。一般垃圾填埋场再利用的要求为污泥含水率需≤60%，无侧限抗压强度（kpa）≥50。为了明确该垃圾填埋场污泥固化后抗压强度和含水率的变化，本文中将取该垃圾填埋场污泥做小试试验，首先添加不同比例水泥、生石灰，粉煤灰确认含水率和抗压强度的变化，先选出添加不同比例水泥，生石灰后含水率较低的实验组，且考虑到药剂添加适宜的情况下，选出合适的3组试验，这3 组试验检测抗压强度，其中抗压强度较大的试验组，在添加固化剂比例不超过30%的前提下，选出最优的固化药剂添加比例，降低工程成本。

2 试验材料和设备

2.1 试验材料

试验材料包括污泥和固化剂，污泥是某垃圾填埋场污泥，污泥颜色呈灰黑，恶臭味较大，污泥含水率为75%。固化剂成分包括水泥，生石灰，粉煤灰，通过添加不同比例调配而成。本试验中材料的组成比例如下：

其中水泥是普通硅酸盐水泥，主要成分组成是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%；生石灰主要组分CaO 含量93.28%，Al2O3含量0.35%，MgO 含量1.24%；粉煤灰主要组分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 试验仪器

试样制备仪器：长宽15cm，高度15cm 的正方体磨具；

含水率：玻璃皿，烘箱，电子天平；

抗压强度：无侧限抗压强度试验的仪器设备。

3 试验步骤

3.1 考虑到这三种固化剂成本及使用效果，首先做添加水泥和石灰正交试验，水泥添加比例设计为0，5%，10%，15%，20%，石灰添加比例设计为0，2%，4%，6%，8%，根据不同的药剂配比，放进烘箱在105℃的温度下烘4h，检测出含水率。

3.2 选出含水率低于60%的3 组试验，再与粉煤灰做正交试验，添加比例设计为0，3%，5%，7%，10%。养护7d 后送往试验室做无侧限抗压强度试验。

4 试验结果分析

4.1 含水率试验结果分析

选出含水率低于60%的3 组试验：H-10，H-16，H-21 含水率分别为41.37%，47.38%，51.13%。H-10 试验组水泥10%，生石灰8%；H-16 试验组水泥15%，生石灰4%；H-21 试验组水泥20%，生石灰2%。

上述试验中污泥的含水率随着石灰得添加，含水率降低。是因为污泥中的水分主要包括自由水，吸着水和细胞结合水。自由水：存在与固体颗粒孔隙中的水分，一般在混合搅拌过程中被固化材料吸收结合，在压缩、挤压情况下会析出。吸着水：在固体颗粒表面以水膜的形式存在，难以挤压压缩出来。细胞结合水：在固体颗粒的团粒中或者细胞膜中结合的水分，在强烈扰动下会析出成为自由水。为了减去污泥中的自由水，一般是添加生石灰，生石灰中的氧化钙成分与污泥中的水分发生水化反应，产生大量的热，可以使使污泥内部温度可升高，促进污泥中自由水的蒸发速度的同时，还使得污泥中微生物细胞中的水蒸汽压力不断增加，直至破坏细胞结构，释放吸着水。但并不是生石灰加的越多越好，还要考虑到污泥固化成本以及污泥固化的抗压强度。因此选出含水率降到60%以下，且药剂水泥和石灰药剂一起添加比例为20%左右的3 组试验，进一步确定最佳的粉煤灰的投加量。

4.2 抗压强度试验结果分析

以上3 组试验与粉煤灰做正交试验，探究每组粉煤灰添加量0，3%，5%，7%，10%后污泥的抗压强度的变化。由下图可以看出，抗压强度随着粉煤灰的投加而增大，H-21 组不加粉煤灰，抗压强度已经大于50kpa，而H-16 组合H-10 组粉煤灰投加量分别大于5%和10%的时候，抗压强度才开始大于50kpa。根据水泥，生石灰和粉煤灰的市场价，H-10 组所有添加量组单价都低于其他组，结合现场工程实际成本考虑，选择最低的药剂成本且由能符合工程要求的药剂添加比例，可选择H-10 组中粉煤灰添加量为7%时，抗压强度达到60kpa，且药剂单价为80 元/吨泥。最终的最优的固化药剂添加比例为水泥添加10%，生石灰添加8%，粉煤灰添加7%。该药剂添加比例可运用在垃圾填埋场的污泥的固化处理中，能以最低处理成本固化污泥。

图1

5 污泥固化机理分析

固化药剂成分主要有生石灰，水泥和粉煤灰，生石灰和污泥中的水分发生水化反应，结合水分并产生热量致使污泥中的水分蒸发，可降低污泥中一部分自由水，其中钙离子可以和土颗粒反应形成结晶产生硬化；石灰与土中的碳酸和空气中的二氧化碳发生反应生成固化碳酸钙，而这些碳酸钙不会溶于水，能够增强污泥的强度。水泥是一种无机胶凝材料，会与污泥中的水发生水化反应，使污泥有了一定的硬度，并且将污泥中的重金属包裹住形成胶粒，降低重金属的迁移性和活性，达到一个比较稳定的状态。粉煤灰固化机理与水泥固化机理相似，都是发生水化发应，然后胶结土颗粒。若使用单一组分固化剂处理污泥，杀菌，降水，以及提高抗压强度和抗剪强度这四种结果并不能同时达到。因此将用这三种药剂复配成固化剂，可以达到各种处置目的，使消纳污泥场地能再次被利用。

6 结论

通过上述实验得出，该垃圾填埋场物污泥固化所需的最优的固化药剂添加比例为水泥添加10%，生石灰添加8%，粉煤灰添加7%，污泥固化后的抗压强度能达到60kap，含水率为41.37%。该药剂添加比例能以最低处理成本固化污泥，最终所用固化药剂单价为80 元/吨泥。该垃圾填埋场的污泥原位固化处理合格后，可再次被利用，进行覆盖绿植做观赏场地，或者做二次垃圾的消纳场地，降低垃圾填埋场污泥对水体，大气以及周边环境的污染风险。