于小娟

摘要：工業(yè)污水和生活污水排放量日益增多，污水處理廠污泥產(chǎn)量日趨加大，污泥填埋關(guān)鍵技術(shù)問題已成為當(dāng)今環(huán)境工程以及環(huán)境巖土工程的熱點(diǎn)問題之一。污泥和垃圾混合填埋在其他國(guó)家已得到應(yīng)用，但由于目前中國(guó)關(guān)于污泥及其城市生活垃圾混合樣的基礎(chǔ)性室內(nèi)試驗(yàn)成果不多，對(duì)污泥與城市垃圾混合樣的工程力學(xué)特性及其混合填埋的適宜比例等不甚了解，從而導(dǎo)致中國(guó)污泥垃圾混合填埋工程事故頻繁發(fā)生。對(duì)不同配比的污泥與城市生活垃圾混合樣進(jìn)行了固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，得出污泥與城市生活垃圾混合樣的工程力學(xué)特性；同時(shí)，用ANSYS數(shù)值模擬方法，對(duì)不同配合比的污泥城市生活垃圾混合填埋邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而對(duì)污泥與城市生活垃圾混合填埋的適宜配合比及其穩(wěn)定安全問題提出理論支撐。

關(guān)鍵詞：污泥；城市生活垃圾；混合填埋；物理與工程力學(xué)特性；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TU4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0080-10

Abstract：With the increase of sludge production of wastewater treatment plants， sludge treatment has become one of the hot topics in environmental engineering and environmental geotechnical engineering. Sludge-municipal solid waste（MSW） mixture landfill has been applied abroad. But the current domestic foundational laboratory test result of MSW mixture sample is not much，there is a lack of understanding on its mechanical properties and the appropriate proportion of mixed landfill. Hence domestic sludge-municipal solid waste（MSW） mixture landfill engineering accidents occur frequently. Consolidation compression experiments， three axis consolidated undrained tests and unconfined compressive strength tests are conducted to disscuss the mechanical properties of different mixing ratio of sludge-municipal solid waste（MSW） mixture. At the same time， ANSYS numerical simulation is operated to analyze the slope stability of landfill with different mixing ratio of sludge-municipal solid waste（MSW） mixture. The theoretical support on the appropriate proportion of mixed landfill and stability security of sludge-municipal solid waste mixture landfill is proposed.

Keywords：sludge； municipal solid waste （MSW）； mixture backfilling； mechanical properties； slope stability

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，工業(yè)污水和生活污水的排放量日益增多，污水處理廠污泥產(chǎn)量急劇增加，據(jù)中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2013 年 2 月公布的數(shù)據(jù)，截止 2012年底，中國(guó)設(shè)市城市、縣累計(jì)建成城鎮(zhèn)污水處理廠共 3 340座，污水處理能力約1.42 億m3/d，假設(shè)污水處理負(fù)荷率為 75%，

每萬(wàn)噸污水產(chǎn)生 6 t含水率為 80%的污泥，則中國(guó)每天將產(chǎn)生含水率 80%的污泥 6.39萬(wàn)t[1]。2010年10月的“京城環(huán)保第一大案”，以及隨后的“深圳污泥坑管涌威脅自然生態(tài)”、“重慶污泥不治污水處理系統(tǒng)將崩潰”等相繼見諸媒體的報(bào)道，揭開了中國(guó)在污泥處理上的嚴(yán)重缺口，污泥處置問題已成為中國(guó)亟待解決的環(huán)境問題。

目前，污泥處置與利用的方式主要有填埋、焚燒、農(nóng)用以及資源化利用等[2]。由于污泥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)、重金屬指標(biāo)難以滿足農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，污泥焚燒存在汞汽化和二噁英污染等問題未能得到有效解決，污泥填埋因其有投資少、容量大、見效快的優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為國(guó)內(nèi)外污泥處置的主要途徑之一。

與污泥填埋相關(guān)的土工性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)的研究在其它國(guó)家70年代已經(jīng)開始進(jìn)行，主要在污泥用作填埋場(chǎng)覆蓋材料方面有較為深入研究[3-4]。近幾年來(lái)的研究成果研究表明，將城市生活垃圾與污泥進(jìn)行混合，其降解穩(wěn)定過(guò)程比單獨(dú)填埋時(shí)明顯加快。比如，單華倫[5]的研究表明，污泥和生活垃圾進(jìn)行混合填埋可以促進(jìn)垃圾降解和填埋體沉降，對(duì)加速填埋場(chǎng)穩(wěn)定及擴(kuò)大填埋庫(kù)容有利。徐華亭[6]通過(guò)造紙污泥與生活垃圾混合填埋的模擬實(shí)驗(yàn)，提出添加適量的造紙污泥可加速生活垃圾降解過(guò)程，提高垃圾降解效率。吳正松等[7]通過(guò)生活垃圾與污泥一體化處理反應(yīng)器試驗(yàn)后提出，生活垃圾與污泥一體化處理，對(duì)污泥和垃圾的減量及穩(wěn)定效果良好。Kavitha 等 [8] 研究指出，活化污泥可提高城市生活垃圾生物降解能力，促進(jìn)其穩(wěn)定化進(jìn)程。另外，Martin[9]對(duì)垃圾與污泥均勻混合填埋，加速填埋層進(jìn)入穩(wěn)定的甲烷化階段的機(jī)理進(jìn)行了理論分析。Kong 等 [10]對(duì)城市生活垃圾與污泥混合物汽化動(dòng)力學(xué)特性及其活化能和指前因子等參數(shù)進(jìn)行了研究。Fang等 [11] 進(jìn)行了造紙污泥與城市生活垃圾混合的共熱解熱重量分析。Zuhaib等 [12] 對(duì)污泥加速城市生活垃圾進(jìn)入甲烷化階段的最優(yōu)組分比進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。彭晨[1]利用城市生活垃圾堆肥的熱量可作為維持污泥中溫厭氧消化這一特性，對(duì)城市生活垃圾和污水廠污泥一體化反應(yīng)器小件模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果確定污泥的最優(yōu)運(yùn)行投配率為25%。李耕宇[13]進(jìn)行了不同污泥負(fù)荷下常溫厭氧活性污泥對(duì)生活垃圾填埋滲濾液處理效果研究，指出當(dāng)污泥培養(yǎng)溫度為 21 ℃，滲濾液 pH 為 7.6 時(shí)，厭氧反應(yīng)池中污泥負(fù)荷約為 7.83 kgCOD/kgMLSS·d 時(shí)，反應(yīng)器處理效果最佳。另外，朱英等[14]對(duì)填埋物質(zhì)分別為污泥、污泥+牛糞、污泥+鐵刨花以及準(zhǔn)好氧填埋方式的加速穩(wěn)定化過(guò)程進(jìn)行了研究。謝震震等[15]研究表明，污泥和粉煤灰混合填埋比污泥單獨(dú)填埋能夠加大有機(jī)物的降解速率，從而縮短穩(wěn)定化時(shí)間。

盡管以上研究成果表明污泥城市生活垃圾混合填埋可加速污泥穩(wěn)定化進(jìn)程，減少污泥對(duì)垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定的不利影響，但目前的研究成果多數(shù)停留在城市垃圾與污泥混合填埋對(duì)加快填埋場(chǎng)降解與穩(wěn)定過(guò)程有促進(jìn)作用的描述上，中國(guó)具體的工程應(yīng)用鮮有報(bào)道。相比而言，國(guó)外的污泥與城市垃圾混合填埋技術(shù)相對(duì)成熟些[16]。國(guó)外也有將污泥與城市生活垃圾或泥土混合填埋的應(yīng)用：與生活垃圾混合填埋時(shí)，將污泥撒布在城市垃圾上面，混合均勻后鋪放于填埋場(chǎng)內(nèi)，壓實(shí)覆土。污泥與垃圾的混合比為1：4-1：7，中間覆土層厚度0.15～0.3 m，填埋容量為900～7 900 m3/ha[17]。由于中國(guó)的城市垃圾種類比國(guó)外的要復(fù)雜得多，中國(guó)污水處理廠對(duì)污泥固化/穩(wěn)定預(yù)處理的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)費(fèi)投入等與國(guó)外的相差巨大，因而國(guó)外污泥與垃圾混合填埋技術(shù)的具體參數(shù)不適用于中國(guó)國(guó)情。目前，中國(guó)對(duì)于污泥與城市垃圾土混合樣的土力學(xué)性質(zhì)還了解不多，對(duì)污泥與城市垃圾混合樣的抗剪強(qiáng)度（內(nèi)摩擦角、粘聚力）、固結(jié)特性（壓縮指數(shù)、固結(jié)系數(shù)）等工程力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，從而對(duì)混合填埋時(shí)污泥與城市垃圾的適宜混合比例以及填埋的極限容量等問題不甚了解，而中國(guó)鮮有現(xiàn)成的資料可供借鑒，國(guó)外的又不適用于中國(guó)，從而導(dǎo)致中國(guó)污泥被大肆傾倒入MSW填埋場(chǎng)的現(xiàn)象屢見不鮮，填埋場(chǎng)工程安全隱患叢生，工程事故頻繁發(fā)生，不僅造成了慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，也給當(dāng)?shù)貛?lái)了巨大的環(huán)境災(zāi)難。比如，潮州市雞籠山垃圾填埋場(chǎng)的垃圾崩塌滑坡事故、深圳下坪固體廢棄物填埋場(chǎng)污泥坑管涌事故，以及由于污泥傾倒引發(fā)的廣州大王崗垃圾填埋場(chǎng)崩塌事故等。

為解決上述問題，進(jìn)行了污泥及其城市生活垃圾混合樣室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)性研究工作，獲取了污泥與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學(xué)性質(zhì)等土性參數(shù)，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質(zhì)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)污泥與城市垃圾混合樣的變形、強(qiáng)度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，從而對(duì)混合填埋時(shí)污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究。最后，用數(shù)值模擬方法對(duì)不同配合比的污泥城市生活垃圾混合邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1 污泥與城市生活垃圾混合樣的工程

力學(xué)特性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

1.1 污泥物理性質(zhì)指標(biāo)及城市生活垃圾樣制備

實(shí)驗(yàn)中的污泥取自鹽城市城東污水處理廠，污泥的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)鹽城市區(qū)城市生活垃圾的現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)得垃圾樣平均含水率ω=49.92%，ρ=1.69 g/cm3，ρd=1.13 g/cm3。

實(shí)驗(yàn)中的城市生活垃圾，根據(jù)鹽城市區(qū)城市生活垃圾的分揀資料，進(jìn)行了人工配制，城市生活垃圾各組分如表2所示。根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）中對(duì)試驗(yàn)材料尺寸規(guī)定，將廢紙，木材，塑料等材料用剪刀剪碎，并控制其尺寸在試樣尺寸的1/5～1/10，測(cè)定各種材料初始含水率，結(jié)果列于表3。

根據(jù)表2和表3中的資料配制垃圾土。

在現(xiàn)場(chǎng)，垃圾填埋工程都要進(jìn)行碾壓，機(jī)械碾壓所達(dá)到的壓實(shí)程度以及通過(guò)碾壓所獲得的密實(shí)度是實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)時(shí)所面臨的兩個(gè)重要問題，為此，分別配置不同含水率的垃圾樣，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，含水率越高，干密度越大，曲線無(wú)顯著下降，造成這一現(xiàn)象的原因是垃圾土與正常土體性質(zhì)上的差異。城市固體廢棄物（MSW）以其特殊的物理、力學(xué)及工程特性而顯著有別于無(wú)機(jī)土，雖然其高壓縮性與泥炭和有機(jī)質(zhì)土有相似之處，但其變形機(jī)制以及生物降解特性與現(xiàn)有天然土體有本質(zhì)的差別。

1.2 污泥與城市生活垃圾混合樣固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)研究

將填埋場(chǎng)準(zhǔn)入污泥（含水率小于60%）與城市生活垃圾樣按照不同配比混合進(jìn)行固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)，固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)共分5組，純污泥以及污泥與城市垃圾混合樣，污泥與垃圾濕重百分比分別為10%、20%、30%、40%，每組兩個(gè)平行樣。純污泥及其污泥垃圾混合樣加荷等級(jí)分別為100、200、300 kPa。

污泥及其與城市生活垃圾混合樣的壓縮模量，壓縮系數(shù)及次固結(jié)系數(shù)分別見表4～8。

從表4～8可知，污泥的次固結(jié)系數(shù)大，主固結(jié)壓縮變形后表現(xiàn)有較大的蠕變特性；污泥與城市生活垃圾混合后，其次固結(jié)系數(shù)大為減小，污泥的蠕變特性得到較大改善。

圖4顯示，污泥垃圾混合樣的次固結(jié)系數(shù)均遠(yuǎn)小于純污泥的次固結(jié)系數(shù)；隨著污泥濕重百分比的增加，混合樣的次固結(jié)系數(shù)普遍增大。

以上固結(jié)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，污泥與城市生活垃圾混合，可較好地改善污泥的固結(jié)壓縮特性，但要控制污泥的填入量，污泥含量增大，混合樣的壓縮性會(huì)增大；污泥與城市生活垃圾混合，可較大地減小純污泥的次固結(jié)系數(shù)，污泥與垃圾濕重百分比較小時(shí)，次固結(jié)系數(shù)小，表明合宜比例的污泥與垃圾混合，可較大地改良污泥的流變特性。

1.3 污泥與城市生活垃圾混合樣強(qiáng)度特性實(shí)驗(yàn)研究

在三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，污泥與城市垃圾混合樣中污泥與垃圾濕重百分比分別為10%、20%、30%、40%、50%，其中污泥含水率為60%。

三軸固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9所示。實(shí)驗(yàn)可得到污泥與垃圾混合樣強(qiáng)度參數(shù)與污泥含量的關(guān)系，如圖5、6所示。

從表9可知，污泥與城市垃圾混合后，混合樣的粘聚力和摩擦角均要大于純污泥的，表明污泥與城市垃圾混合，可較好改善污泥的抗剪強(qiáng)度。表9及圖5、6顯示，混合樣的粘聚力隨著污泥含量的增加而增加，但當(dāng)污泥含量超過(guò)某一數(shù)量（本實(shí)驗(yàn)為40%）時(shí)，混合樣粘聚力又將較大幅度降低，而混合樣內(nèi)摩擦角隨著污泥含量的增加而減小，表明污泥含量較高時(shí)，混合樣的粘聚力和摩擦角均較小，其強(qiáng)度較低。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行解讀：城市垃圾中，摻入污泥時(shí)，污泥會(huì)包附在垃圾土的顆粒表面，形似類似的“膜”，隨著污泥含量的增大，這層“膜”會(huì)越來(lái)越完整，污泥在垃圾混合樣中所發(fā)揮的作用將越來(lái)越大。有機(jī)質(zhì)的黏性性質(zhì)大約只有粘性土的幾分之一，污泥含量越高，混合樣中的有機(jī)質(zhì)含量就越大，從而導(dǎo)致高污泥含量混合樣的粘聚力相比低污泥含量的混合樣必將大為降低。另外，污泥中的有機(jī)質(zhì)在混合樣的土顆粒之間會(huì)起到 “潤(rùn)滑劑”的作用，因此，隨著污泥含量的增大，有機(jī)質(zhì)增多，此潤(rùn)滑作用將越顯著，從而混合樣的摩擦角將隨著污泥含量的增加而降低。三軸固結(jié)不排水主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7的主應(yīng)力差與軸向變形曲線可以看出，在試驗(yàn)的應(yīng)變范圍內(nèi)混合試樣并沒有出現(xiàn)明顯的破壞面，且應(yīng)力應(yīng)變曲線為加工硬化形，主應(yīng)力差隨著軸向變形的增大而持續(xù)變大，在試驗(yàn)范圍內(nèi)未出現(xiàn)峰值，其應(yīng)力應(yīng)變曲線接近于垃圾土的性質(zhì)。

上述圖表顯示，隨著污泥含量的增加，混合樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，但增加到一定值后，隨著污泥含量的進(jìn)一步增加，其qu值會(huì)顯著降低。解讀：污泥填入城市生活垃圾，污泥含量不高時(shí)，隨著污泥含量的增加，流動(dòng)性較強(qiáng)的污泥細(xì)顆粒能更好地填充垃圾土顆粒之間的空隙，促進(jìn)各組分間能更緊密排列，從而使混合樣粘聚力增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；但隨著污泥含量的增大，污泥在混合樣中的作用將漸趨呈主導(dǎo)，污泥的“膜”作用及其有機(jī)質(zhì)的潤(rùn)滑作用將越趨增大，從而導(dǎo)致其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著下降。

2 污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)

值模擬分析

污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬，坡角為15.5°，邊坡形狀及計(jì)算模型如圖9所示。彈性模量E=15 MPa，泊松比0.3。計(jì)算范圍取坡腳向左延伸40 m，深度取坡腳以下30 m，模型總寬280 m。左、右邊界僅約束水平位移，底部邊界約束水平和豎直位移。網(wǎng)絡(luò)劃分見圖10所示。Plane42單元，分成1 139個(gè)單元，1 233個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型按平面應(yīng)變考慮。

由上述的數(shù)字模擬分析結(jié)果可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當(dāng)污泥含量增大到50%時(shí)，其安全系數(shù)會(huì)激劇下降。因此，污泥與垃圾混合填埋時(shí)，一定要控制污泥的摻入量，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。

3 結(jié) 論

1）通過(guò)污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的壓縮及強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)，獲取了污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質(zhì)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）對(duì)污泥與城市垃圾混合樣的變形、強(qiáng)度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與分析，從而對(duì)混合填埋時(shí)污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究：合宜比例的污泥與垃圾混合，可較好地改善污泥的流變特性和強(qiáng)度。

3）通過(guò)污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬分析可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當(dāng)污泥含量增大到50%時(shí)，其安全系數(shù)會(huì)驟然下降。因此，污泥與垃圾混合填埋的實(shí)際工程，一定要結(jié)合混合樣的固結(jié)壓縮特性、強(qiáng)度特性試驗(yàn)和邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，控制污泥的適宜摻入比例，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。

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（編輯 胡 玲）