Processing math: 50%

暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性

陈广, 武亚军, 林哲鑫. 暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
引用本文: 陈广, 武亚军, 林哲鑫. 暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
CHEN Guang, WU Yajun, LIN Zhexin. Compression and consolidation characteristics of chemical conditioned sludge stored in the temporary library[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
Citation: CHEN Guang, WU Yajun, LIN Zhexin. Compression and consolidation characteristics of chemical conditioned sludge stored in the temporary library[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154

暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性

    作者简介: 陈广(1980—),男,硕士,高级工程师。研究方向:污水和污泥处理。E-mail:chengguang@shwwt.com
    通讯作者: 武亚军(1973—),男,博士,教授。研究方向:废弃物处理与资源化。E-mail:wyjdldz@shu.edu.cn
  • 基金项目:
    国家自然科学基金资助项目(41772303);上海市自然基金资助项目(17ZR1410100)
  • 中图分类号: X705

Compression and consolidation characteristics of chemical conditioned sludge stored in the temporary library

    Corresponding author: WU Yajun, wyjdldz@shu.edu.cn
  • 摘要: 污泥暂存库区面临减量增容的严峻问题。由于暂存库中的污泥已经发生了较大程度的降解,其固结性质与新鲜污泥相比已发生了较大的变化,可直接影响到原位处理效果,故选用FeCl3和芬顿试剂对上海某污泥暂存库区的长期填埋污泥进行了调质改性,并对调质后污泥的固结压缩特性进行了研究。结果表明:经药剂调质后污泥的排水固结时间大大缩短,在初始低固结应力水平时压缩量较大,在后期高固结应力水平下沉降量较小;在初始低固结应力水平下,调质污泥的固结系数在10−3 cm2·s−1数量级范围内变化;添加FeCl3的实验组对应的Cv,max=2.91×10−3 cm2·s−1,芬顿调质实验组对应的Cv,max=9.88×10−3 cm2·s−1。渗透系数受固结应力影响较大,当FeCl3的掺量为40%时,初级固结应力下样品的渗透系数k=4.439×10−6 cm·s−1;在400 kPa固结应力作用下,渗透系数减小为3.796×10−8 cm·s−1;经芬顿试剂调质的污泥在初级固结应力下,渗透系数k=6.48×10−6 cm·s−1;在400 kPa下,渗透系数k=9.94×10−8 cm·s−1。以上结果对现场污泥真空固结法处理有一定的指导意义。
  • 在铁路建设过程中势必会产生大量弃渣,同时,工程建设还需要大量的建筑材料。在此背景下,根据铁路特点以及沿线地方对工程弃渣的造地利用需求,开展铁路弃渣本地资源化绿色高效利用研究十分必要。

    弃渣也是一种资源,国际上许多国家从20世纪就已经开始对其进行再利用,并达到了十分高的利用水平。德国、日本、意大利等国家针对弃渣的利用颁布了相关法规。其中,日本在1997年提出,原则上必须将建筑垃圾进行再利用处理;意大利在2006年提出隧道弃渣利用的相关计划[1-4]。我国的弃渣资源再利用目前处于起步阶段[5]。张建强等[6]从环保角度出发,建议将铁路建设过程中的临时用地进行复垦,在湖南常德至吉首高速公路的建设过程中,将隧道产生的弃渣用于了路基路床层的填筑。乐山至西昌高速公路隧线比达66.00%,工程建设中将产生的隧道弃渣用于路基填料、构造物骨料等[7-8]

    本研究依托某大型铁路建设,侧重实用性与引导性,研究铁路弃渣本地资源化绿色高效利用关键技术,以解决铁路工程建设过程中沿线弃渣安置与生态环保、弃渣产出与建材供应短缺间的矛盾和难题,最终实现多元化弃渣资源化综合利用,并提高弃渣利用率,以期为提升铁路弃渣利用水平,保障其沿线生态环境提供参考。

    某大型铁路工程处于偏远地区,环境恶劣、人口稀少、经济基础薄弱、交通基础设施配套严重不足,导致工程建材供应十分困难。基于环保角度分析,该铁路隧道工程建设具有3大特点。1)建设规模大、隧道弃渣量多。该工程隧线占比高达82.65%,隧道工程量大。据测算,铁路建设过程将产生约1.50×109 m3的大量弃渣。处理这些弃渣需要征用大量永久用地,造成资源浪费,同样会对当地生态环境造成严重影响。2)生态脆弱敏感,环境保护要求高。该线路穿越原始森林、湿地、干旱河谷等多种脆弱生态敏感区,有众多珍稀保护野生动植物;沿线自然环境恶劣,生态环境敏感而脆弱。3)地形复杂、交通困难、渣场选址及建材供应困难。铁路沿线地势险峻,地形条件复杂,受峡谷地形和环境敏感区限制,弃渣场地设置困难。

    以该铁路工程典型段为例,对该段落内隧道弃渣进行包括岩性、围岩强度、弃渣粒径分布等方面的分析,为该段弃渣利用研究提供原始资料。典型段落线路长151.31 km,区间内穿越6座隧道全长138.99 km,隧线比高达91.86%,预计出渣量为2.35×107 m3。原设计方案在该段建立12座弃渣场,占地总面积达1.44×106 m2

    1)岩性。典型段地层岩性十分复杂,硬质岩分布较广(见图1)。目前,根据该段地质勘探和深孔钻探揭示的地层岩性,发现该段隧道围岩岩性以花岗岩、闪长岩、片麻岩、辉长岩为主,其中隧道埋深附近以花岗岩和片麻岩为主。片麻岩占比54.00%,花岗岩占比40.00%,其他地层岩性,包括断层压碎岩、蚀变带和出入口的漂石、砂土等占比6.00%。

    图 1  典型段的围岩级别和岩性情况
    Figure 1.  The classification and lithology of surrounding rock of the typical section

    2)围岩强度。沿线钻孔岩石试验数据统计如图2所示。对于Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩,围岩抗压强度大于60.00 MPa的概率分别为100.00%和95.00%。对于不同岩性,花岗岩与片麻岩的岩石强度分布具有差别:片麻岩中有约1.80%的测点强度在52.50 MPa以下,7.30%的测点强度在52.50 MPa到60.00 MPa之间,剩下90.90%的测点强度都大于60.00 MPa;而花岗岩的抗压强度基本都大于60.00 MPa。按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685-2001)[9],该隧道段落的弃渣绝大部分都能满足C30混凝土骨料的需求。

    图 2  沿线钻孔数据
    Figure 2.  Borehole data along the tunnel route

    3)弃渣粒径分布。该段主要是花岗岩和片麻岩,施工工法为TBM和钻爆法。对掘进机产生的弃渣进行粒度分析时,最常见的拟合函数有Rosin-Rammler分布函数、Gandin-Schuhmann分布函数以及对数正态分布[10-12]。其中,Rosin-Rammler分布函数和对数分布函数应用最为广泛,特别是在岩石力学研究领域,常被用于分析破碎及爆破方式的破碎岩渣。Rosin-Rammler分布函数见式(1)。钻爆法施工区间的粒度预测可采用KUZ-RAM模型进行计算[13-14],见式(2)。

    Rslag=1exp[kb(dslag)ka] (1)

    式中:Rslag为筛下的残余质量分数;dslag为粒径,cm;ka为均匀分布常数,表征岩渣颗粒的分布均匀程度;kb为拟合常数。

    {Rslag=e(dslagdstd)nn=(2.214lmin (2)

    式中:dc为特征块度,cm;n为均匀度指标;lmin为最小抵抗线长度,m;dhole为炮孔直径;mm;w为凿岩精度的标准误差;rh为孔距与最小抵抗线的比值;lb为底板标高以上药包长度,m;ls为台阶长度,m;`dslag为颗粒平均直径,cm;F为岩石系数,中硬岩为7,多裂隙硬岩为10,少裂隙极硬岩为13;mTNT为TNT质量,kg;Vhole为每个炮孔爆破的岩石体积,m3

    参考文献[11],将相关参数代入公式(1)、公式(2)中,可计算出本次项目TBM法隧道弃渣约有81.00%满足骨料粒径要求,钻爆法隧道弃渣100.00%满足骨料粒径要求。

    目前,国内隧道弃渣的利用方式较为单一,大多数是将弃渣用作填料处理,没有加工过程。利用方式主要包括开挖地段的凹地填料,路基、桥梁、挡墙等工程的回填用料,景观修建、人工景点等工程设施的修建,弃渣的利用价值不高[15-19]。该铁路需要面对的实际问题是,一方面大量的弃渣简单地堆砌处理会对当地的环境造成严重的影响;另一方面,交通基础设施配套不足、运输困难等原因造成工程建设过程中供材困难。为此,需要扩大弃渣的利用方式,减少因弃渣堆积对环境造成的影响。弃渣利用技术依据弃渣性态划分可分为2大类:一是无害弃渣的利用技术,主要采用物理筛分、破碎等技术制备成满足性能需求的各类建筑材料,见图3;二是有害弃渣的利用技术,主要采用化学中和或物理隔断等技术制备成满足性能需求的各类建筑材料[20-29]。有害弃渣的处理利用需考虑渣体对周边环境的污染问题,其处理对策主要包括防止地下水等摄取的影响和防止直接摄取的影响2大类,具体见表1

    图 3  无害弃渣利用处理流程
    Figure 3.  Processing flows of harmless abandoned slag
    表 1  有害弃渣利用处理对策
    Table 1.  Treatment countermeasure of harmful abandoned slag
    项目工程对策目标
    防止地下水等摄取的影响隔水封闭(不熔化处理后封闭)完全防止有害地下水的渗透发生
    隔断封闭
    粘性土覆盖,防止渗透防止雨水、地下水渗透及侵出水发生
    碾压降低透水性
    不熔化处理降低重金属溶出
    设置吸收层捕捉重金属
    侵出水处理
    防止直接摄取的影响禁止使用隔断暴露
    铺装
    填土
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    考虑到铁路自身的建材需求,弃渣的利用方向规划应该优先满足隧道工程本体的建材需求。过剩的弃渣的处理,根据隧道弃渣的岩土类型、物质组成特点,结合工程本体特点和当地规划发展需求,可以将弃渣作为填充料使用,如石笼挡墙,或作为填料用于路基和填埋造地,也可以用以生产机制砂石骨料,用于全线桥梁、隧道等工程的混凝土骨料和相关的预制构件,如机制砖、预制梁板等,可供选择的利用方向如图4所示。

    图 4  弃渣利用方向
    Figure 4.  The utilization directions of abandoned slag

    弃渣利用的前提是弃渣性态必须满足利用方向的性态需求。主要的利用方向可以归为2个大类,一类为三级处理厂(综合利用厂)输出的砂石料制品;另一大类的输出方向为传统工程,如混凝土机制砂石骨料、造地填料等。对于送往综合利用厂中的弃渣没有特殊要求,对于这部分弃渣,可以通过不同的加工方式,生产出腻子、装饰一体板、透水混凝土等各自满足要求的制品,用于满足当地的建材需求。对于另外的用于机制砂石骨料、造地填料等方向的弃渣,需要各自满足相关的规范,具体见表2

    表 2  传统利用方向弃渣性态规范
    Table 2.  Specifications for slag with traditional utilization direction
    用途参照规范
    混凝土机制砂石骨料《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424[30]
    《铁路混凝土》TB/T 3275[31]
    填料《建筑地基基础工程施工规范》GB51004-2015[32]
    《铁路路基设计规范》TB 10001-2016[33]
    格宾挡墙(石笼)《铁路路基设计规范》TB 10001-2016[33]
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    1)弃渣处理层级。将处理厂分为3个层级:一级处理厂、二级处理厂、三级处理厂(综合利用厂)。一级处理厂、二级处理厂供应对应的隧道开挖工区的混凝土及其他工程,如桥梁、道路等所需的混凝土构件;三级处理厂将弃渣进行深加工,制成各类砂石制品,为当地建设提供建材。

    一级处理厂为实现快速供给隧道工区所需的混凝土骨料,需要在隧道工区附近开辟一块合适的空间安置相关处理设备。同时,生产砂石骨料的时候产生的噪音,对周边的环境会有一定的影响。可在有条件的工区洞口附近推荐设立一级处理厂。在环境要求严格或者现场条件较差的段落,可不设立一级处理厂,与周围几个工区共同采用一个二级处理厂供给砂石骨料。二级处理厂的弃渣需求主要有2个部分组成,一部分是隧道开挖工区的混凝土预制件,包括预制仰拱、预制盖板等;还有一部分属于非隧道使用,包括桥梁、道路、造地等方面的混凝土需求。三级处理厂建立在全线的中间位置,以方便各隧道在掘进过程中将弃渣运输过来。

    2)隧道弃渣整体调配流程。隧道工区产生弃渣后,应立即进行快速检测,在设有一级处理厂的工区,对于满足要求的弃渣送至一级处理厂进行碎石、加工。没有条件设立一级处理厂的工区,将弃渣送至相应的二级处理厂进行统一集中碎石、加工,之后将制作完成的骨料送回工区,生产混凝土。工区剩余弃渣优先送往相应二级处理厂,作为制作预制构件的材料。多余弃渣,送至相应造地点或其他利用方向点,若仍有剩余,即送至三级处理厂,对弃渣进行进一步加工、应用,相应流程图5

    图 5  弃渣利用调配方法
    Figure 5.  Deployment method of abandoned slag utilization

    对于一些化学检测不能通过的弃渣,参照第3.1节的有害弃渣处理利用方式,即:一些不含或少含放射性的弃渣,可在有害填料与无害填料之间设置隔离层,进行物理或者化学隔断,对这部分弃渣进行深埋;有害物质或放射性较强的弃渣,先进行化学处理变为普通弃渣之后,再进行调配,或者将这部分弃渣不考虑使用。

    某大型铁路典型段共分布6座隧道,共计产生2.35×107 m3弃渣。其中,因工程需要,已确定的有1.37×107 m3弃渣会用于站场填方、生产混凝土所需的骨料、路基、道路等方向,还剩余9.74×106 m3弃渣。若是按照原有设计将这些弃渣弃于12个弃渣场中,这不仅会对周边的生态环境造成一定的破坏,同时也造成对弃渣资源的浪费。

    在对沿线生态环境、周边产业进行了实地考察之后,提出了相应的优化设计方案。根据弃渣场的位置条件、弃渣量、运输条件等因素,对原先设计为堆放弃渣的弃渣场进行一定的改造。例如,该段最大的一处弃渣场,见图6(a),规划占地为一片草地。将弃渣弃于这里,势必会造成生态破坏。可将原定弃于此处的弃渣运往附近的临时弃渣综合利用厂,进行深加工。另有一处渣场,见图6(b),位置靠近原有的茶厂,拥有较好的茶叶生长环境以及茶叶消费市场,可将该处弃渣场改建为茶园。图6(c)~图6(d)2处弃渣场,周边风景较好,可观赏性较高,可将这两个渣场改建为观景平台。具体各个方向的弃渣利用情况见表3

    图 6  典型段落弃渣场
    Figure 6.  Slag disposal site of the typical section
    表 3  典型段弃渣规划利用方向
    Table 3.  Planning utilization directions of tunnel slag for the typical section
    利用方向分类弃渣用量/m3弃渣利用量占比/%
    工程本体利用混凝土机制砂石骨料6.38×10627
    混凝土预制构件骨料3.00×1051
    站场填料6.86×10629
    路基、道路5.10×1062
    地区规划利用产业造地7.16×10631
    旅游造地5.20×1052
    市场制品利用砂石制品1.76×1068
     | Show Table
    DownLoad: CSV

    本研究提出的方案中,典型段原设计方案中共设置12座弃渣场,通过与当地产业结合,对弃渣场进行升级改造,最终取消所有弃渣场,优化率达100.00%。

    该段6座隧道共计产生2.35×107 m3弃渣。其中,1.40×107 m3弃渣用于隧道及工程间调配(隧道混凝土骨料使用6.38×106 m3、预制构件3.00×105 m3、站场使用6.86×106 m3、工程间调配5.10×105 m3),总占比59.57%。1.76×106 m3弃渣用于三级处理厂,用来制作各类加工产品,占比7.49%。剩余7.68×106 m3弃渣用于造地或供材,占比32.94%。总的弃渣的利用率达到了100.00%。

  • 图 1  不同药剂种类的添加量与初始孔隙比的关系

    Figure 1.  Relationship between sludge initial porosity and the dosage of different agents

    图 2  调质污泥的e-p曲线

    Figure 2.  e-p curve of conditioned sludge

    图 3  调质污泥的e-lgp曲线

    Figure 3.  e-lgp curve of conditioned sludge

    图 4  调质污泥固结系数与固结应力的关系

    Figure 4.  Relation between consolidation coefficient and consolidation stress of conditioned sludge

    图 5  调质污泥渗透系数和固结应力的关系

    Figure 5.  Relation between permeability coefficient and consolidation stress of conditioned sludge

    图 6  经FeCl3调质污泥渗透系数与孔隙比关系

    Figure 6.  Relation between permeability coefficient and porosity of sludge conditioned by FeCl3

    表 1  污泥固结实验芬顿试剂调质方案

    Table 1.  Consolidation test plan of sludge conditioned by Fenton reagent

    编号Fe2+质量分数%H2O2质量分数%H2O2/Fe2+
    1441
    2461.5
    3482
    4881.5
    58122
    68163
    编号Fe2+质量分数%H2O2质量分数%H2O2/Fe2+
    1441
    2461.5
    3482
    4881.5
    58122
    68163
    下载: 导出CSV
  • [1] 王雅婷. 城市污水厂污泥的处理处置与综合利用[J]. 环境科学与管理, 2011, 36(1): 90-94. doi: 10.3969/j.issn.1673-1212.2011.01.024
    [2] 郭清嵩, 顾潇, 武博然, 等. 真空预压处理非规范填埋污泥的中试[J]. 环境工程, 2017, 35(12): 124-128.
    [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
    [4] 孙政, 朱伟, 贺敏杰. 污水厂污泥固结特性研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(11): 3146-3150. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2013.11.048
    [5] 朱婧, 洪宝宁, 刘鑫. 污泥、淤泥和黏性土的压缩特性对比试验研究[J]. 科学技术与工程, 2018, 18(4): 328-332. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.04.052
    [6] 王鹏, 唐朝生, 孙凯强, 等. 纤维加筋市政污泥固结特性试验研究[J]. 工程地质学报, 2015, 23(4): 687-694.
    [7] 范惜辉, 朱伟, 王升位, 等. 固化污泥固结渗透特性及孔隙变化试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2016, 46(s1): 20-24.
    [8] 武亚军, 顾赛帅, 骆嘉成, 等. 无机药剂对工程废浆药剂真空预压的影响[J]. 中国公路学报, 2018, 31(9): 38-46.
    [9] 武亚军, 唐欣, 崔春义, 等. 城市生活污泥真空固结特性试验研究[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2018, 48(4): 193-201.
    [10] WU Y J, LIN Z X, KONG G Q, et al. Treatment of municipal sludge by Fenton oxidation combined vacuum preloading[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(16): 15990-15997. doi: 10.1007/s11356-018-1736-5
    [11] 潘胜, 黄光团, 谭学军, 等. Fenton试剂对剩余污泥脱水性能的改善[J]. 净水技术, 2012, 31(3): 26-31. doi: 10.3969/j.issn.1009-0177.2012.03.007
    [12] 朱伟, 闵凡路, 吕一彦, 等. “泥科学与应用技术”的提出及研究进展[J]. 岩土力学, 2013, 34(11): 3041-3054.
    [13] TSANG K R, VESILIND P A. Moisture distribution in sludges[J]. Waterence & Technology, 1990, 22(12): 135-142.
    [14] LIN W A, ZHAN X J, ZHAN L T, et al. Effect of FeCl3-conditioning on consolidation property of sewage sludge and vacuum preloading test with integrated PVDs at the Changan Landfill, China[J]. Geotextiles & Geomembranes, 2014, 42(3): 181-190.
    [15] 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 1996.
  • 期刊类型引用(4)

    1. 贾宇超,荣辉,刁晓翔,周光毅,贾红学,姚魏. 微生物浓度对固废基固化污泥体性能的影响研究. 建筑施工. 2025(02): 229-233 . 百度学术
    2. 黄召亮,鄢志勇,于宁瑞. 污泥可压缩性的影响因素. 大众标准化. 2024(11): 110-112 . 百度学术
    3. 谭洵,何星星,陈亿军,刘磊,万勇. 陈化污泥理化特性对泥饼渗透性的影响研究. 岩土力学. 2022(02): 479-488 . 百度学术
    4. 张云达,徐杨,武亚军,张旭东,嵇佳伟. 不同类型排水板对“冻融-真空预压”法原位处理填埋污泥工艺中污泥脱水效果的影响. 环境工程学报. 2021(11): 3669-3676 . 本站查看

    其他类型引用(1)

  • 加载中
    Created with Highcharts 5.0.7访问量Chart context menu近一年内文章摘要浏览量、全文浏览量、PDF下载量统计信息摘要浏览量全文浏览量PDF下载量2024-052024-062024-072024-082024-092024-102024-112024-122025-012025-022025-032025-040Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问类别分布DOWNLOAD: 1.7 %DOWNLOAD: 1.7 %HTML全文: 90.3 %HTML全文: 90.3 %摘要: 8.0 %摘要: 8.0 %DOWNLOADHTML全文摘要Highcharts.com
    Created with Highcharts 5.0.7Chart context menu访问地区分布其他: 86.4 %其他: 86.4 %Anwo: 0.1 %Anwo: 0.1 %Ashburn: 0.1 %Ashburn: 0.1 %Beijing: 5.6 %Beijing: 5.6 %Chang'an: 0.1 %Chang'an: 0.1 %Chengdu: 0.1 %Chengdu: 0.1 %Chongqing: 0.1 %Chongqing: 0.1 %Dongguan: 0.1 %Dongguan: 0.1 %Fangshan: 0.1 %Fangshan: 0.1 %Guangzhou: 0.3 %Guangzhou: 0.3 %Hangzhou: 0.4 %Hangzhou: 0.4 %Jinrongjie: 0.5 %Jinrongjie: 0.5 %Kunshan: 0.1 %Kunshan: 0.1 %Los Angeles: 0.1 %Los Angeles: 0.1 %Macao: 0.1 %Macao: 0.1 %Montreal: 0.1 %Montreal: 0.1 %Mountain View: 0.1 %Mountain View: 0.1 %New Taipei: 0.3 %New Taipei: 0.3 %Peshawar: 0.1 %Peshawar: 0.1 %Qingdao: 0.1 %Qingdao: 0.1 %Shanghai: 0.4 %Shanghai: 0.4 %Shenyang: 0.1 %Shenyang: 0.1 %Shijiazhuang: 0.1 %Shijiazhuang: 0.1 %Taiyuan: 0.1 %Taiyuan: 0.1 %Tianjin: 0.2 %Tianjin: 0.2 %XX: 2.8 %XX: 2.8 %Yuncheng: 0.1 %Yuncheng: 0.1 %Zhengzhou: 0.1 %Zhengzhou: 0.1 %Zhuhai: 0.1 %Zhuhai: 0.1 %上海: 0.2 %上海: 0.2 %北京: 0.4 %北京: 0.4 %大阪: 0.1 %大阪: 0.1 %廊坊: 0.1 %廊坊: 0.1 %深圳: 0.1 %深圳: 0.1 %运城: 0.1 %运城: 0.1 %郑州: 0.1 %郑州: 0.1 %长沙: 0.1 %长沙: 0.1 %驻马店: 0.1 %驻马店: 0.1 %其他AnwoAshburnBeijingChang'anChengduChongqingDongguanFangshanGuangzhouHangzhouJinrongjieKunshanLos AngelesMacaoMontrealMountain ViewNew TaipeiPeshawarQingdaoShanghaiShenyangShijiazhuangTaiyuanTianjinXXYunchengZhengzhouZhuhai上海北京大阪廊坊深圳运城郑州长沙驻马店Highcharts.com
图( 6) 表( 1)
计量
  • 文章访问数:  4200
  • HTML全文浏览数:  4200
  • PDF下载数:  43
  • 施引文献:  5
出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-24
  • 录用日期:  2019-11-08
  • 刊出日期:  2020-04-01
陈广, 武亚军, 林哲鑫. 暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
引用本文: 陈广, 武亚军, 林哲鑫. 暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性[J]. 环境工程学报, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
CHEN Guang, WU Yajun, LIN Zhexin. Compression and consolidation characteristics of chemical conditioned sludge stored in the temporary library[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154
Citation: CHEN Guang, WU Yajun, LIN Zhexin. Compression and consolidation characteristics of chemical conditioned sludge stored in the temporary library[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(4): 1059-1066. doi: 10.12030/j.cjee.201907154

暂存库填埋调质污泥的压缩与固结特性

    通讯作者: 武亚军(1973—),男,博士,教授。研究方向:废弃物处理与资源化。E-mail:wyjdldz@shu.edu.cn
    作者简介: 陈广(1980—),男,硕士,高级工程师。研究方向:污水和污泥处理。E-mail:chengguang@shwwt.com
  • 1. 上海城投污水处理有限公司,上海 200120
  • 2. 上海大学土木工程系,上海 200444
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(41772303);上海市自然基金资助项目(17ZR1410100)

摘要: 污泥暂存库区面临减量增容的严峻问题。由于暂存库中的污泥已经发生了较大程度的降解,其固结性质与新鲜污泥相比已发生了较大的变化,可直接影响到原位处理效果,故选用FeCl3和芬顿试剂对上海某污泥暂存库区的长期填埋污泥进行了调质改性,并对调质后污泥的固结压缩特性进行了研究。结果表明:经药剂调质后污泥的排水固结时间大大缩短,在初始低固结应力水平时压缩量较大,在后期高固结应力水平下沉降量较小;在初始低固结应力水平下,调质污泥的固结系数在10−3 cm2·s−1数量级范围内变化;添加FeCl3的实验组对应的Cv,max=2.91×10−3 cm2·s−1,芬顿调质实验组对应的Cv,max=9.88×10−3 cm2·s−1。渗透系数受固结应力影响较大,当FeCl3的掺量为40%时,初级固结应力下样品的渗透系数k=4.439×10−6 cm·s−1;在400 kPa固结应力作用下,渗透系数减小为3.796×10−8 cm·s−1;经芬顿试剂调质的污泥在初级固结应力下,渗透系数k=6.48×10−6 cm·s−1;在400 kPa下,渗透系数k=9.94×10−8 cm·s−1。以上结果对现场污泥真空固结法处理有一定的指导意义。

English Abstract

  • 污泥未经处理随意排放堆置,会造成严重的环境污染问题。国际上污泥主要有土地利用、卫生填埋、焚烧和投海等4种处置方式[1]。其中,填埋处置对技术指标要求相对宽松、运行成本低,是现阶段我国污泥处置的主要方式,且为简易的单独填埋,即污泥经过脱水消化后,直接倾倒于事先设置好的填埋坑中,并采用膜或土覆盖进行封场。由于我国污水处理厂对污泥处理的重视度不高,技术资金投入力度也不够,导致污泥的含水率高、物理力学性质差,不仅达不到市政污泥的填埋标准,而且造成填埋场库容的日益紧张,更严重的是会埋下安全隐患[2],如深圳下坪垃圾填埋场和山西太原垃圾填埋场均发生过填埋体的滑坡事故。为此,在《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》[3]的国家规范中对填埋污泥的各项指标做出了明确规定。与此同时,我国的污泥产量也在逐年增加,目前,国内上海老港、成都长安、深圳下坪、杭州天子岭等填埋库区库容已经出现严重不足。因此,污泥填埋场内坑体加固与库内污泥深度脱水减量成为目前多数填埋场所面临的问题。

    现阶段常用机械压滤方式对污泥进行深度脱水。从机械脱水原理来看,机械压滤的过程实质上就是污泥的排水固结过程,即在外荷载作用下孔隙水不断被排出的过程。孙政等[4]对污水处理厂脱水污泥的固结特性进行了研究,发现污泥的固结规律与一般黏土差别较大,超孔隙水压力的消散较慢。朱婧等[5]对污泥、淤泥、粘土的压缩特性进行了对比研究,认为污泥与淤泥的固结不同,在外力荷载下其固结过程可以分多个阶段。王鹏等[6]采用纤维加筋技术,研究了不同掺量下加筋污泥的固结压缩特性。范惜辉等[7]选用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥作为固化材料,研究了固化污泥在不同应力下的压缩、渗透规律。机械压滤技术一般是先采用化学药剂预调质,使污泥颗粒的结合水释放出来之后,再进行深度脱水,将湿基含水率降至60%以下。采用药剂真空预压法处理污泥也是如此,调质改性后的污泥与工程废浆类似,在真空预压过程中存在流固的两相转变,并在大部分时间里处于弹塑性状态,此时须采用土力学中的固结理论进行分析[8]。武亚军等[9-10]对于无机药剂调质过的新鲜污泥的真空固结特性进行了研究,由于暂存库区污泥与新鲜污泥性质不同,固结特性也必然有差异,而目前关于这方面的研究并未见报道。此外,FeCl3是比较常用的一种调质药剂,而芬顿试剂在污水处理中应用较多,但不常用于污泥调质,因此,一方面为了对新鲜污泥与暂存库污泥进行对比,另一方面为了对FeCl3和芬顿试剂的调质效果进行对比,本研究采用土力学中的固结实验对分别采用2种不同药剂调质过的填埋污泥的压缩固结特性进行了研究,研究结果可为机械压滤和真空预压处理填埋污泥的工程实践提供参考。

  • 实验选用的药剂分别为FeCl3·6H2O、FeSO4、浓硫酸,以上药剂均为分析纯(AR)。实验所需H2O2通过40%的双氧水颗粒(昌乐鑫富强商贸有限公司)按浓度比例添加。实验仪器主要包括中压固结仪和电子天平等。

  • 对暂存库区填埋污泥与新鲜污泥的各项物理指标进行了测试。比重采用比重瓶法测试;密度采用环刀法测试;含水率采用低温烘干法测试;有机物采用灼失量法测试。结果表明,填埋污泥与新鲜污泥的含水率分别为74.1%和82.17%,有机质含量分别为40.9%和64.9%,比重(指污泥颗粒的密度与水密度的比值)分别为1.87和1.57,密度分别为1.2 g·cm−3和1.02 g·cm−3。由此可见,填埋污泥具有比新鲜污泥含水率低、有机物含量低、比重和密度大等特点。

  • 固结实验的药剂调质方案中氯化铁的添加量分别为0、10%、20%、30%和40%;芬顿试剂的添加方案如表1所示。装入烧杯中置于常温下放置24 h,待污泥与药剂充分反应后,再均匀装填入固结仪,每个实验组别设置2组平行实验。由于污泥含水率较高,初级固结应力较大时容易发生冒浆,选取初级固结应力为3.125 kPa,加荷比为1,将最大固结应力增加至400 kPa。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999),加载过程中按规定时间记录百分表读数,由于污泥稳定达到稳定标准时间较长,每级加载48 h。第1级固结应力p设置为3.125 kPa,之后按6.25、12.5、25、50、100 kPa依次加载,以沉降量小于0.005 mm·h−1为沉降稳定的标准。

  • 添加药剂之后污泥的孔隙比e (指污泥中孔隙体积与固体体积的比值,初始孔隙比e0采用含水率和比重进行换算,压缩过程中的孔隙比根据压缩量测试)会发生较大的变化,不同种类的药剂添加量与初始孔隙比的关系如图1所示。由图1可知,经过药剂调质改性后,e均有不同程度的增大。采用FeCl3调质后(图1(a)),污泥的初始孔隙比e0变化明显,从原始污泥的4.098上升至6.681,但随着药剂掺量的增加,污泥的孔隙变化较为平缓,最终达到7.244。采用芬顿改性后(图1(b)),当Fe2+的掺量为4%时,污泥孔隙比随着H2O2掺量的增加变化明显,由4.802上升至7.092;当Fe2+的掺量为8%时,污泥孔隙比随着H2O2掺量的增加变化较为缓慢,最终达到4.908。这是由于在药剂调质过程中产生了大量气体,这些气体不能完全从污泥中排出,而是积存分布在污泥内部,导致污泥的空隙变多,从而使得孔隙比增大。

  • 压缩实验每级荷载的加载周期为48 h,不同FeCl3添加量下改性污泥的孔隙比e与荷载p的关系如图2(a)所示。污泥初始孔隙比为4.098,略大于常规的软黏土,经过药剂调质后,污泥的初始孔隙比随着药剂添加量的增加逐渐变大,当药剂添加量为40%时,孔隙比达到7.244。不同芬顿配比掺量下改性污泥的e-p关系如图2(b)所示。对比2种药剂调质后的污泥发现,在初级荷载作用下,样品的孔隙比迅速减小。通过对固结应力为100 kPa时的孔隙比变化量进行了分析,发现调质污泥的压缩量基本均达到总压缩量的70%以上。这是因为在前期压缩过程中,调质污泥较原始污泥颗粒间的空隙总量更多,颗粒间没有形成骨架,强度较低,在较低应力作用下,孔隙水排出顺畅,压缩量大,孔隙比减小幅度大。经过3.125、6.25、12.5、25、50 kPa荷载作用下,芬顿改性污泥的沉降量较大,孔隙被大幅压缩;当荷载大于50 kPa时,污泥沉降速率逐渐减慢,沉降幅度逐渐减小,污泥孔隙比被压缩幅度也逐渐减小。由于原始污泥中有机质含量较高,存在大量具有一定承载力的微生物残体和胶结絮状有机物,通过添加FeCl3与芬顿试剂可以一定程度上破坏微生物残体和胞外聚合物,减少了有机物的含量,样品更容易发生固结压缩。

    将调质污泥的孔隙比e与固结应力p之间的关系可以绘制成半对数坐标曲线 (e-lgp),如图3所示。由图3(a)可知,孔隙比e与固结压力lgp之间呈明显的线性关系,这一结果与常规淤泥类似。填埋污泥的压缩指数为0.64,调质污泥的压缩指数在0.776~0.795,跟新鲜脱水污泥差别较大,且与常规淤泥在数值上也较为接近[1, 5]。由图3(a)可知,污泥初始孔隙比的拟合值要略大于实验实测值。这是由于污泥的机械脱水和长期填埋类似于加卸载过程,压缩之后不仅存在塑形变形,而且也会发生一定程度的回弹。污泥的实际孔隙比和理论孔隙比的差值在一定程度上反映了不可恢复的塑形变形。同时,重塑制样及拟合精度也会对该结果产生一定影响。由于污泥中含有凝胶状结构,颗粒接触点处有一定的胶结力,能承受一定的压力而变形较小,使得在初期加荷阶段曲线平缓。此外,一般的原状土由于前期固结应力的存在会发生自重应力下的固结。其压缩曲线会出现屈服应力的折点,污泥的e-lgp曲线近似为一条直线,由此可知,调质污泥不存在应力屈服点,属于欠固结土。不同芬顿配比掺量下改性污泥的e-lgp曲线如图3(b)所示。污泥孔隙比随固结应力增大基本呈线性减小,压缩指数Cc为0.444~0.591,整体上小于原始污泥和经FeCl3调质后的污泥,和常规淤泥土较为接近,但仍属于高压缩性土。

  • 固结系数Cv是表示孔隙水压力消散快慢的物理量,固结系数越大,固结速度越快,反之越慢。采用时间平方根法可得到调质污泥固结系数Cv与固结应力p之间的关系。图4(a)为采用FeCl3在各级压力下的固结系数变化结果。由图4(a)可知,在初级压力下,调质污泥的固结系数在10−3 cm2·s−1数量级变化,随着固结应力的增大,污泥的固结系数逐渐减小。此外,随着FeCl3掺量的增大,固结系数也越大,且在前几级固结应力下固结系数的减小幅度也越来越明显。由各条固结系数曲线关系可以说明在每一级固结应力下,随着FeCl3添加量的增加,污泥的固结系数增大,即FeCl3掺量越多,固结过程中孔隙水压力消散越快,这一点与新鲜脱水污泥固结系数的变化规律[9]一致。

    对比芬顿调质的实验结果(图4(b))可知:当Fe2+的添加量为4%时,样品的固结系数随着H2O2添加量的增加而增大,当H2O2的掺量为8%时达到最大;当Fe2+的添加量为8%时,样品的固结系数随着H2O2掺量的增大呈现先增大后减小的趋势。这是由于当H2O2添加量过多时,不仅不能分解产生更多的羟基自由基,反而会使最初产生的羟基自由基发生泯灭[11]。就初级固结应力下的固结系数而言,芬顿试剂改性后初级固结应力下Cvmax=9.88×10−3 cm2·s−1,当固结应力增大到400 kPa时,Cv=1.85×10−3 cm2·s−1;经过40%的FeCl3调质后Cvmax=2.91×10−3 cm2·s−1,随着固结应力的增大,Cv减小至4.98×10−4 cm2·s−1。因此,当Fe2+添加量为4%、H2O2掺量为8%时,在固结应力作用下污泥的孔压消散最快。

    污泥与淤泥、黏土最大的区别是污泥的固体物质中存在40%~60%的有机物,这些有机物大多数是生物处理过程中的微生物残体[12]。因此,污泥中的水分赋存状态非常特殊,除了具有孔隙水、表面结合水以外,存在絮凝体内部的结合水和细胞颗粒内部的细胞水(或称为生物水)[13]。这些水赋存于可以承载一定压力的有机物絮体中,这使污泥中水分难以快速排出,因此,孔隙水压力消散时间非常漫长[14]。添加药剂在一定程度上使得微生物残体胞内水以及有机絮体中的结合水释放,从而大大缩短了固结时间。

  • 图5所示,通过固结系数可以推演出污泥在各级固结压力下的渗透系数k。由图5(a)可知:k和固结应力的规律与固结系数Cv和固结应力的规律相似,受固结应力影响较大;在0~25 kPa阶段,污泥的渗透系数下降明显,渗透性变差,这是因为大孔隙被压缩成小孔隙或密闭孔隙,孔隙比迅速减小导致排水困难。经过试剂调质后,长期填埋污泥的渗透系数增大,初级固结应力下的k从10−7 cm·s−1数量级增大到10−6 cm·s−1数量级,随着压力的增大,k减小为10−8 cm·s−1数量级;当FeCl3的掺量为40%时,样品在初级固结应力下的k=4.439×10−6 cm·s−1,随着固结应力的增加,k减小至3.796×10−8 cm·s−1;采用芬顿试剂调质的污泥在初级固结应力下的k=6.48×10−6 cm·s−1 (图5(b)),随着固结应力的增大,k则下降至9.94×10−8 cm·s−1。若以固结系数和渗透系数作为污泥固结效果好坏的指标,芬顿试剂的效果更佳。

    此外,土体渗透性与其孔隙比密切相关。有研究[5]表明,土体孔隙比e与lgk存在一定的关系。图6为在不同FeCl3掺量下调质污泥渗透系数与孔隙比关系曲线。由图6可知,随着孔隙比的减小,渗透系数也逐渐减小,反之,渗透性增大,e与lgk之间的线性关系近似成立。在一定孔隙比范围内,相同孔隙比下10%添加量的污泥渗透系数一直小于同样孔隙比的其他掺量污泥,20%、30%和40%添加量下的污泥在孔隙比为5~7时渗透系数较为接近,但是随着孔隙比减小,实验组污泥的渗透系数出现差异,且随着药剂掺量减小而递减,添加量为20%的实验组渗透系数接近于10%添加量的实验组。

    对比调质污泥和原始污泥可以发现,在重合的孔隙比区间内,相同孔隙比下对照组的渗透系数要大于添加药剂的实验组。这是因为与天然细粒土一样,污泥由于初期的加药絮凝和板框压滤,其初始状态的结构也很复杂,一旦扰动,原有的过水通道的形状、大小及其分布都会改变,故渗透系数也不同。这一点与普通的性质相近,相同孔隙比时扰动土样的渗透系数通常小于原状土样[15]。实际加药时,搅拌分散以及药剂的作用导致污泥颗粒分散变小,絮状结构一定程度上被破坏,使得调质后的污泥在相同孔隙比下的k小于原始污泥。

  • 1)污泥经试剂调质后能在较短时间内排水固结稳定;调质污泥在低荷载水平下沉降量较大,在高荷载水平下沉降逐渐平稳,孔隙变化不大;经过FeCl3调质后的污泥压缩性增大,压缩指数由0.64增大至0.776~0.795。

    2)在初级固结应力下,调质污泥的固结系数在10−3 cm2·s−1数量级内变化。添加FeCl3的实验组Cv,max=2.91×10−3 cm2·s−1;芬顿调质实验组Cv,max=9.88×10−3 cm2·s−1。比阻和固结系数并不是简单地呈负相关性,两者之间的定量关系还须进一步研究。

    3)渗透系数受固结应力影响较大。当FeCl3的掺量为40%时,样品在初级固结应力下的渗透系数为4.439×10−6 cm·s−1;在400 kPa下,渗透系数减小为3.796×10−8 cm·s−1;采用芬顿试剂调质的污泥在初级固结应力下,k=6.48×10−6 cm·s−1;在400 kPa下,k=9.94×10−8 cm·s−1

    4)在芬顿试剂最小添加量时(4% Fe2++4% H2O2)的调质效果均比FeCl3最大添加量40%时的调质效果要好,因此,建议在工程实践中采用芬顿试剂进行调质污泥。

参考文献 (15)

返回顶部

目录

/

返回文章
返回