FeCl3溶液调理下的污泥固结压缩特性研究

朱瑾彦　李磊　鲁旭　刘帅

摘要：填埋是污泥处置的途径之一，污泥具有高含水量、高有机质等特点，其堆填体极易出现失稳破坏，从而引起工程地质灾害，因此亟需提高污泥堆填体的稳定性。通过对原状污泥和不同浓度下的FeCl3调理污泥开展室内试验，研究污泥的固结前后的含水率、有机质含量、压缩特性、固结特性，为污泥堆填体的沉降及稳定评价提供理论依据。结果表明，FeCl3溶液调理后的污泥固结系数显著提升，污泥的次固结变形量占比达68%。污泥经固结后含水率大幅降低，固结前后有机质降低3% -6%。10%的FeCl3调理污泥的压缩系数变化高达50倍。采用FeCl3调理污泥能够有效对污泥堆填体进行加固。

关键词：污泥；FeCl3溶液；固结；次固结

中图分类号：X705 文献标志码：B

前言

污泥是污水处理过程中产生的废弃物质，含有大量的有机污染物、微生物、病原体以及重金属，处置不当会产生严重的环境问题和工程灾害。

填埋是污泥的处置方式之一，长期堆存的污泥会不断产生沉降，引发工程灾害。为提高污泥堆填体稳定性，在填埋污泥前往往采用固化加固、脱水加固等方法，改善污泥的物理力学性质。由于污泥中存在大量结合水，且污泥中的有机质会逐渐降解，导致污泥中的土体颗粒产生蠕变变形，使污泥产生明显的变形。李铭在对某污泥聚堆场进行固化试验，发现原状污泥中碱基复合固化剂投加比例达15%- 20%时，含水率可降低到35%左右。张晓雨将普通硅酸盐水泥、生石灰和粉煤灰对污泥进行固化，结果表明固化剂的加入使得污泥含水率小于60%，抗剪强度大于25 kPa，无侧限抗压强度大于50 kPa。杨瑞敏研究发现污泥的初始含水率越高，压缩性越大。贺建清利用软土和高有机质泥炭土研究有机质含量对软土次固结特性的影响，发现次固结系数随有机质含量的增加而增加。韩伶敏通过试验发现土的纤维含量越大固结蠕变越明显，次固结系数越大

文章通过进行固结试验，研究污泥在不同浓度的FeCl3调理处理下的压缩特性及固结特性，为污泥堆填体的沉降及稳定评价提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

为研究不同处理方式下污泥的固结特性，此试验共设计2组共计4种试样：

第1组：原状污泥，试样编号记为1-1。取白江苏省南京市江宁区某市政污水处理厂所生产脱水污泥，脱水污泥从螺旋输泥器取出后除去较大的纤维、树叶等，装入到不透光的聚乙烯桶中及时带回实验室，密封、低温保存。

第2组：调理污泥，用浓度为1.5 mol/L的标准FeCl3溶液（江标检测科技有限公司生产）对原状污泥进行化学调理处理。本组共设计三种不同添加量，FeCl3溶液的添加量分别为污泥干基质量的10%、15%、20%，试样编号记为2-1至2-3。

不同污泥试验样品物理性质指标测试结果表明，原状污泥和调理污泥的含水率极高，具有较小的密度；因污泥中有机质含量较高，污泥的比重较小，只有1. 70，明显小于一般粘土2.7左右的比重。污泥经过FeCl3调理后，其比重及有机质含量保持不变，但含水率有略微增加，密度略微降低，初始孔隙比有所增大。

1.2 污泥固结压缩试验

污泥的固结压缩变形试验采用《土工试验方法标准》GB/T 50123 - 2019中的单轴固结仪法进行，试验仪器型号为南京土壤仪器厂所生产的WG单杠杆三联中压固结仪，每个试验类别设置两组试验样品。

由于污泥具有高含水率、高压缩性的特性，如果使用常规固结试验中12.5 kPa的初级荷载时，在加压前期过程中，由于荷载过大非常容易导致污泥从侧壁缝隙挤出，从而导致试验失败，为此需要减小初级荷载大小。原状污泥与FeC13调理污泥荷载等级按照3.125 kPa、6.25 kPa、12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa六个等级加载，在施加每级荷载后，按照6s、15 s、1 min、2 min 15 s、4 min、6 min 15 s、9min、12 min15 s、16 min、20 min 15 s、25 min、30 min 15 s、36 min、42 min 15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h对百分表进行读数并记录。

2 结果与讨论

2.1 固结前后基本物理性质变化

2.1.1 含水率

如图1所示，不同污泥试样固结前后含水率变化图。从图中可以看出，不同类型的污泥经过固结后，含水率均得到大幅降低，污泥含水率的降低率均超过63%，最高可达68%，但固结后仍具有较高含水率。固结前FeCl3调理污泥的含水率高于原状污泥，而固结后低于原状污泥，这表明在污泥中加入FeCl3调理剂能够促进污泥在固结过程的排水，并且这种促进效果与FeCl3调理剂的掺量有明显关系，掺量越大其促进效果越明显。对于饱和土体，土体的固结压缩过程是孔隙水的排除过程，通常土体的压缩体积与其排出水分的体积相关，固结过程中排出的水分越多，其固结变形量越大。从污泥经过固结排水后含水率显著降低可以推断，污泥的固结变形量会非常明显，FeCl3的加入能增大污泥的变形量。

2.1.2 有机质含量

有机质含量越高，污泥的吸水性越好，因此有机质含量的降低可以促进污泥中水分的排出。对不同类型污泥试样固结后进行有机质含量测试，结果如图2所示。由该图可以得出，不同类型的污泥经过固结压缩后，其有机质含量均会降低，减小幅度约为30% - 6%。原状污泥降低率最低，只有3%左右；FeCl3调理污泥有机质降低率在4.5%- 6%。固结前后有机质发生明显的变化，说明污泥在固结过程中，其内部有机质会发生降解，部分有机质随水分排出。污泥经过FeCl3调理后，有机质降低率得到提升，且FeCl3溶液的掺量越高污泥有机质降低率越大。

2.2 化学调理对污泥压缩特性影响

2.2.1 污泥变形量与排水量关系

根据太沙基固结理论，对于一般饱和土体的固结排水，土颗粒和孔隙水的压缩量极可忽略不计，因此可认为土体的体积压缩量等于排出的水量。如图3所示，污泥固结变形量与排水量之间的关系，由图可以看出污泥在固结压缩过程中，固结变形量大于排出水的体积，这表明污泥的压缩变形非常明显。通过计算，原状污泥自身颗粒的压缩变形量占到总变形量的6. 35%；FeCl3调理污泥自身颗粒的压缩变形量占总变形量有所增加，分别为6. 42%、6.61%、6.79%，且随着调理剂掺量的增加而增加。原状污泥由于自身松散的絮体结构和高有机质含量，压缩性较强，污泥经过FeCl3调理后，自身结构遭到一定破坏，使得颗粒压缩变形增强。

2.2.2 污泥压缩变形规律

污泥在每级荷载下变形量非常明显，并且最终变形量均很大，不同类型的污泥在固结应力作用下差异很大。

原状污泥在各级荷载作用下变形量依次为：2. 903mm、2.137 mm、2.275 mm、2.031 mm、1. 829 mm、1.370 mm，在每级荷载的作用下变形均非常明显，试验结束时总变形量达到12. 545 mm，整个应变量达到62. 73%。观察其每级荷载下变形曲线，可以发现在固结前期，变形速率较大，且随着时间发展逐渐减缓；随着荷载的增加，原状污泥的变形时间曲线基本一致，在荷载施加48 h后，每天的变形量基本相同，并且变形速率较快，随着荷载的增加而减缓；当荷载增加到100 kPa时，后期应变速率有较为明显减缓，污泥变形已基本完成。FeCl3调理污泥在施加初级荷载3. 125 kPa时，形变量非常大，能够达到6 mm左右，占到整个压缩变形过程的50%左右，相较于原状污泥的形变量高出一倍左右，后期变形速率有明显减小，但变形速率与原状污泥相比略快。FeCl3调理污泥的最终变形量相较原状污泥有所增加，调理剂添加量为10%时，变形量增加很小，仅增加0. 095 mm，而添加量达到15%、20%时，变形量增加比较明显，分别能够增加0. 745 mm、0. 697 mm，最终的应变量增加5.7%左右。

2.2.3 污泥压缩指数与压缩系数

不同污泥试样的孔隙比e与固结应力p的对数之间具有明显的线性关系，符合式（1）：

e= - Cclgp+e0 式（1）

式（1）中，e0-土体的初始孔隙比；Cc-土体的压缩指数。

根据公式可以得知，原状污泥的压缩指数最大，达到3. 263；经过FeCl3调理后污泥的压缩指数分别为2. 252、2.429、2.427，下降了1/4 - 1/3。土体压缩指数越大，表明土体的压缩性越高，根据相关标准划分规定，土体压缩指示值大于0.4时，一般属于高压缩性土，能发现原状污泥及调理污泥的压缩指数均显著大于0.4，这表明不论是原状污泥还是调理污泥均具有极高的压缩性。

压缩系数av是表征土压缩性的重要指标之一，av越大则土的压缩性越高。试验得到不同污泥试样的压缩系数，不论是原状污泥还是FeCl3调理污泥，压缩系数均很大。对于原状污泥，在初级荷载作用下，原状污泥的压缩系数达到465. 12 MPa-1，随着荷载的不断增加，污泥压缩系数变化范围达到13倍左右，每级荷载下污泥的压缩系数与上一级相比基本呈减半降低．其中荷载为6. 25 kPa时，压缩系数变化较为不同，降低量仅为1/4左右。对于调理污泥，在初级荷载作用下，污泥压缩系数相较原状污泥得到成倍增加，达到1 000 MPa-1左右，随着荷载增加，污泥压缩系数迅速降低，在0 -6. 25 kPa区间内降低最为明显，降低幅度达到3 -3.6倍。对于调理剂掺量对污泥压缩系数的影响，随着掺量的增加，压缩系数降低越显著，这与掺量增加导致污泥初始孔隙比增加有关，其中掺量为10%的污泥压缩系数变化范围最高，达到50倍左右，其余两组调理污泥压缩系数的变化范围为35倍左右。

2.3 化学调理对污泥固结特性影响

2.3.1 污泥固结系数

土体固结是指在外荷载作用下土体会产生一定的超孔隙水压力，土体中的孔隙水随着时间发展不断排出，超孔隙水压力逐渐消散，使得外荷载转化为土体的有效应力的过程。土体固结通常采用固结系数Cv表述，其反映了土体孔隙水压力消散的快慢程度，是估算土体沉降变形速率的重要指标，是影响土体固结时间、固结度的主要因素，固结系数越大，表明土体的固结速度越快。如图4所示，不同污泥试样的固结系数与固结应力的关系图，可以看出，污泥在固结过程中，固结系数随着固结应力的增加，先减小后增大。原状污泥和FeCl3调理污泥的固结系数数值均很小，基本处于10 -6 cm/s。对于原状污泥，在初级固结应力下污泥的固结系数最高为4. 96×10 -6 cm/s，在固结应力3.125 - 12.5 kPa时，固结系数随应力增加而减小，并降低至1. 99×10 -6cm2/s，后随应力增加逐渐增大，最终升高到4. 38×10 -6cm2/s，整个固结过程中固结系数变化范围不大。对于调理污泥，在施加初级荷载3. 125 kPa时，污泥经过调理后固结系数能够得到提升，且随着调理剂掺量的增加而增加，掺量20%下能够增大到10. 42×10-6cm/s，与原状污泥不同的是，调剂污泥的固结系数在6.25 kPa时就降到最小，降低至2. 18 -3.70×10 -6cm2/s，与原状污泥的固结系数基本相同；后面随固结应力增加而增大，最终能够增大到7. 58 -9.99×10 - cm2/s，与初级荷载时的固结系数差别不大，且不同调理剂掺量下，污泥的固结系数增加趋势有所差异，比如15%、20%掺量下污泥的固结系数增加趋势为先快后缓，而10%掺量下增加趋势为均匀增大。

2.3.2 污泥次固结系数

由污泥固结系数与固结应力曲线可以发现，原状污泥和调理污泥的固结系数均很小，表明其固结完成时间很长，在固结过程中存在明显的流变特性，经过长时间固结能够产生显著的变形。土体的固结变形包含主次固结变形两个阶段，污泥具有明显的次固结变形。试验表明，污泥的次固结变形量占比非常大，位于32%- 68%。污泥的次固结变形占比基本随着固结应力的增大而逐渐降低，其中FeCl3调理污泥>原状污泥。调理污泥随着FeCl3掺量的增加，污泥的次固结变形量占比增大。

不同污泥试样在不同荷载作用下的次固结系数如图5所示，由图可知，次固结系数均随着固结应力的增大而减小，同时不同类型污泥的次固结系数变化有明显差异。原状污泥在低荷载（3. 125-25 kPa）作用下时，污泥的次固结系数较大，能够达到0.5以上，在初级荷载作用时甚至能够达到1.0左右；随着荷载的增加，次固结系数逐步减小，最终减小至0. 16左右。FeCl3调理污泥次固结系数变化特征可划分为两个阶段：在低荷载（3. 125 -25 kPa）作用下时，掺量越大污泥的次固结系数越小；在初级荷载下污泥的次固结系数相较原状污泥有所增大，分别能够达到1.3、1.2、1.1左右，这是由于污泥经过FeCl3调理后，污泥的初始孔隙比增大，一部分结合水污泥中转换为自由水，掺量越大调理越充分，使得荷载作用前期产生更显著的变形，后期变形量减小；随着荷载增加，污泥的次固结系数迅速减小，降低趋势显著快于原状污泥，到25 kPa时三种调理污泥的次固结系数较为接近，大小为0. 27 -0. 34，如20%掺量下污泥的次固结系数仅为原状污泥的一半。当荷载超过25 kPa时，不同掺量的污泥试样变化趋势有所区别：10%掺量下污泥的次固结变化趋势与原状污泥较为接近，污泥的次固结系数缓慢减小，最后减小至与原状污泥一致，只是减小的量与原状污泥相比较小；当掺量为15%、20%时，污泥的次固结系数减小并不明显，稳定在0.2 -0.3，基本不受荷载影响。该阶段下污泥的次固结系数大小与掺量基本呈正相关，即掺量越大次固结系数越大，到最后一级荷载时三种污泥的次固结系数大小差异明显，比如20%掺量下污泥的次固结系数能够高出10%掺量0.1左右。

3 结论

通过固结压缩试验对不同浓度FeCl3调理污泥进行了固结前后的含水率、有机质含量、压缩特性、固结特性的研究，可以发现，FeCl3调理污泥在经过固结压缩后，含水率明显低于原状污泥，且渗量越大，降低越明显。在固结过程中污泥的有机质含量会减小3%-6%，且渗量越大，有机质降低越多。原状污泥的压缩系数随荷载增加，变化范围在13倍左右，10% FeCl3调理污泥变化范围高达50倍左右，15%和20% FeCl3调理污泥变化范围为35倍左右。污泥的固结系数基本随固结应力的增加，先减小后增大，原状污泥和FeCl3调理污泥的固结系数基本处于10-6 cm2/s。污泥在固结过程中，次固结系数非常大，最高可达1.3，表明污泥具有明显的流变特性。

基金项目：南京市建设行业科技计划项目（Ks2134）