楊家寬，楊 曉，李亞林，張 銘，李 野，何 姝

（1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430074；2.宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司，廣東深圳，518057）

脫水污泥強(qiáng)度過低（抗壓強(qiáng)度小于10 k Pa），不能滿足填埋強(qiáng)度要求，即使通過自然風(fēng)干或人工強(qiáng)化使污泥的含水率降至64%以下可以滿足填埋強(qiáng)度要求，但其持水能力仍較強(qiáng)、滲透性能低的實(shí)質(zhì)沒有改變，降雨后污泥填埋作業(yè)的問題仍然存在[1]。

為了使機(jī)械脫水污泥達(dá)到填埋場的要求，固化處理是常用的方法。現(xiàn)有污泥固化研究一般是以含水率為70%～85%的高分子絮凝脫水泥餅作為研究對(duì)象，外加水泥、粉煤灰、石灰等無機(jī)材料作為固化劑[2－7]。由于泥餅含水率高，固化劑加入后攪拌過程中污泥很容易團(tuán)塊化，導(dǎo)致固化劑分散不均而降低固化效果。粉煤灰、石灰等無機(jī)材料本身可以作為污泥脫水的物理調(diào)理劑，起骨架構(gòu)建體作用，可改善污泥的可壓縮性問題，提高污泥的脫水性能[8－10]。

本文以污水處理廠原污泥為研究對(duì)象，將石灰、粉煤灰作為骨架構(gòu)建體進(jìn)行污泥脫水試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)所得脫水泥餅的固化土工性能進(jìn)行測(cè)試，以期為基于骨架構(gòu)建體的污泥脫水及固化填埋的一體化技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

擬脫水污泥樣品取自武漢市龍王嘴污水處理廠初沉池和二沉池排出的混合污泥，其基本特性如表1所示。粉煤灰為取自河南平頂山姚孟電廠的一級(jí)粉煤灰，含水率為1.69%，組成成分如表2所示。生石灰為建筑石灰，有效氧化鈣含量為60%。

表1 混合污泥的基本特性Table 1 Characteristics of raw sewage sludge

表2 粉煤灰的組成成分（wB／%）Table 2 Characteristics of raw fly ash

1.2 試樣制備

取200 m L污泥，按表3所示配比加入由生石灰和粉煤灰復(fù)配而成的無機(jī)調(diào)理劑，置于攪拌機(jī)中，先快速（200 r／min）攪拌15 s，再慢速（50 r／min）攪拌15 min，制成污泥混合液備用。

表3 試驗(yàn)配比方案Table 3 Scheme of experimental ratio

1.3 污泥真空抽濾脫水及比阻測(cè)定

取100 m L污泥混合液，在前期實(shí)驗(yàn)[11]的基礎(chǔ)上，采用等量聯(lián)合投加的實(shí)驗(yàn)方案（見表3），用自制試驗(yàn)裝置進(jìn)行真空抽濾脫水及比阻測(cè)試。根據(jù)卡門公式[12]計(jì)算污泥比阻。

1.4 土工性能測(cè)試及樣品分析

取一定量污泥混合液，在自制板框壓濾脫水試驗(yàn)裝置上進(jìn)行恒壓壓濾脫水，壓力保持在0.4 MPa。

對(duì)3種不同配比（T4、T5、T6）板框脫水的泥餅進(jìn)行土工性能測(cè)試。按照土工試驗(yàn)規(guī)程，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得不同配比泥餅的最佳含水率和最大干密度。試驗(yàn)方法均參照GB／T 50123—1999。

固化體樣品經(jīng)過強(qiáng)度測(cè)試后，經(jīng)無水乙醇浸泡24 h，終止水化后于40℃下干燥。采用荷蘭帕納科公司的X’Pert PRO型X射線衍射（XRD）儀進(jìn)行物相分析；采用荷蘭FEI公司Sirion200型場發(fā)射電鏡（SEM）進(jìn)行形貌分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)理劑投加量對(duì)污泥比阻的影響

污泥調(diào)理－真空抽濾脫水試驗(yàn)中，污泥比阻的變化如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著調(diào)理劑投加量的增加，污泥比阻逐漸減??；當(dāng)粉煤灰和生石灰投加量均為30 g／L時(shí)，污泥比阻從原污泥的109s2／g降至107s2／g；當(dāng)粉煤灰和生石灰的投加量均大于30 g／L時(shí)，污泥比阻隨其投加量的增加變化趨勢(shì)不明顯。

圖1 粉煤灰（生石灰）投加量對(duì)污泥比阻的影響Fig.1 Effects of dosages of fly ash／lime on specific resistance to filtration（SRF）

2.2 調(diào)理劑投加量對(duì)污泥含水率的影響

板框壓濾脫水后污泥泥餅的含水率如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著調(diào)理劑投加量的增加，泥餅含水率幾乎呈直線下降，當(dāng)粉煤灰和生石灰投加量均為50 g／L時(shí)，泥餅含水率可降至45%。

另外，隨著調(diào)理劑投加量的增加，泥餅存在增容問題，當(dāng)粉煤灰和生石灰投加量均為50 g／L時(shí)，泥餅增容比達(dá)到1.62，因此可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化復(fù)合調(diào)理劑配比，進(jìn)一步減少調(diào)理劑的投加量。

圖2 粉煤灰（生石灰）投加量對(duì)脫水泥餅含水率的影響Fig.2 Effects of dosages of fly ash／lime on water content of dewatered sludge

2.3 調(diào)理劑投加量對(duì)脫水泥餅土工性能的影響

脫水泥餅干密度與含水率的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3中即可獲得最佳含水率和最大干密度參數(shù)，按照該參數(shù)條件制樣，進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)定以及7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)定，得到脫水泥餅的土工性能測(cè)試結(jié)果，如表4所示。從表4中可以看出，隨著調(diào)理劑投加量的變化，樣品最大干密度和最佳含水率變化不明顯；泥餅的滲透系數(shù)很小，數(shù)量級(jí)均為10－7cm／s；隨著調(diào)理劑投加量的增加，滲透系數(shù)略有減小。

圖3 脫水泥餅干密度與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Effects of water content on dry density of dewatered sludge

表4 脫水泥餅土工性能Table 4 Physical properties of different dewatered sludge specimens

由表4中還可看出，脫水泥餅固化體試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在100 k Pa以上，且隨著調(diào)理劑投加量的增加有明顯增大的趨勢(shì)，其可滿足填埋要求，即無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于50 k Pa[13]。因此，利用石灰和粉煤灰作為骨架構(gòu)建體進(jìn)行污泥脫水，并同時(shí)充當(dāng)固化劑對(duì)污泥進(jìn)行固化處理的固化填埋一體化技術(shù)是可行的。

3 固化體強(qiáng)度增長機(jī)理分析

污泥泥餅固化體強(qiáng)度的增長一方面是由于其含水量的減少使土顆粒之間的結(jié)合水膜變薄，使粉煤灰和石灰可以均勻分散在脫水泥餅中，改善了污泥自然干化時(shí)水份的揮發(fā)性，在20℃左右的室溫條件下，自然存放1周，泥餅的含水率能夠從初始含水率65%左右降至45%以下，有利于其強(qiáng)度的形成；另一方面是因?yàn)闊o機(jī)調(diào)理劑中粉煤灰和石灰等充當(dāng)了固化材料，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與石灰在強(qiáng)堿性條件下與水作用，能夠發(fā)生類似火山灰的水化反應(yīng)，生成C－S－H凝膠等水化產(chǎn)物，起到類似水泥固化的效果。其水化反應(yīng)可以用下列方程式[14]表示：

圖4所示為T4配方所制脫水泥餅及其固化樣品的XRD圖譜。由圖4中可見，T4配方所制脫水泥餅中主要含有SiO2、CaCO3和Ca（OH）2，而固化養(yǎng)護(hù)7 d后，其Ca（OH）2衍射峰基本消失，可能是Ca（OH）2與體系中的活性SiO2、Al2O3反應(yīng)，生成了非晶態(tài)的C－S－H凝膠。

對(duì)T4配方所制泥餅固化體樣品進(jìn)行SEM表征，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，樣品中存在纖維狀的C－S－H相，粉煤灰顆粒被凝膠包裹，從而增加了密實(shí)性，提高了固化體強(qiáng)度。

圖4 脫水泥餅及固化試樣T4的XRD圖譜Fig.4 XRD spectra of dewatered sludge and solidified sample T4

圖5 固化試樣T4的SEM圖譜Fig.5 SEM spectrum of solidified sample T4

4 結(jié)論

（1）在污泥中添加粉煤灰和生石灰作為無機(jī)復(fù)合調(diào)理劑，可起到骨架構(gòu)建體作用，能夠?qū)⒃勰嗟谋茸鑿?09s2／g降至107s2／g，有效改善污泥脫水性能。

（2）脫水泥餅在不再添加水泥等其他固化劑條件下，其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均在100 k Pa以上，顯示出較好的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（3）基于骨架構(gòu)建體的污泥脫水與固化填埋一體化技術(shù)具有一定的的可行性。

[1] 趙由才，張華，黃仁華，等.不同改性劑改善污泥土工性質(zhì)的比較研究[J].環(huán)境污染與防治，2010（1）：35－39.

[2] 朱偉，林城，李磊，等.以膨潤土為輔助添加劑固化／穩(wěn)定化污泥的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（5）：1 020－1 025.

[3] 朱偉，李磊，張春雷，等.疏浚泥固化處理的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005（4）：87－89.

[4] 曹永華，閆澍旺，趙樂軍.固化污泥的工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)特征[J].巖土力學(xué)，2006（5）：740－744.

[5] 曹永華，閆澍旺，楊昌民.污泥固化的試驗(yàn)研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（2）：199－203.

[6] Dalibor Kuchar，Vratislav Bednarik，Milan Vondruska，et al.Long－term prevention of organics dissolution from wastewater sludge treated with coal fly ash[J].Journal of Environmental Engineering and Science，2006，5（5）：429－436.

[7] 李淑展，施周，謝敏.脫水污泥／固化酶／高嶺土制作垃圾填埋場防滲材料[J].中國給水排水，2008，24（15）：24－27.

[8] Yin J H.Properties and behaviors of raw sludge mixed with PFA and lime[J].Geotechnical Testing Journal，2001，24（3）：299－307.

[9] Zall J，Galil N，Rehbum M.Skeleton builders for conditioning oily sludge[J].Water Pollution Control Federation，1987，59：699－706.

[10] Benítez J，Rodriguez A，Suarez A.Optimization technique for sewage sludge conditioning with polymer and skeleton builders[J].Water Research，1994，28：2 067－2 073.

[11] 楊斌，楊家寬，唐毅，等.粉煤灰和石灰對(duì)生活污水污泥脫水影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30（4）：98－99.

[12] 金儒霖，劉永齡.污泥處置[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982：153－159.

[13] 姚剛.德國的污泥利用和處置（II）[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2000，13（2）：24－26.

[14] 袁潤章.膠凝材料學(xué)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2005：156－166.