基于骨架構建體污泥脫水及其固化土工性能研究

楊家寬，楊 曉，李亞林，張 銘，李 野，何 姝

（1.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北武漢，430074；2.宇星科技發展（深圳）有限公司，廣東深圳，518057）

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

為了使機械脫水污泥達到填埋場的要求，固化處理是常用的方法。現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象，外加水泥、粉煤灰、石灰等無機材料作為固化劑[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塊化，導致固化劑分散不均而降低固化效果。粉煤灰、石灰等無機材料本身可以作為污泥脫水的物理調理劑，起骨架構建體作用，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象，將石灰、粉煤灰作為骨架構建體進行污泥脫水試驗研究，同時對所得脫水泥餅的固化土工性能進行測試，以期為基于骨架構建體的污泥脫水及固化填埋的一體化技術提供依據。

1 試驗

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配而成的無機調理劑，置于攪拌機中，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 試驗配比方案Table 3 Scheme of experimental ratio

1.3 污泥真空抽濾脫水及比阻測定

取100 m L污泥混合液，在前期實驗[11]的基礎上，采用等量聯合投加的實驗方案（見表3），用自制試驗裝置進行真空抽濾脫水及比阻測試。根據卡門公式[12]計算污泥比阻。

1.4 土工性能測試及樣品分析

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

對3種不同配比（T4、T5、T6）板框脫水的泥餅進行土工性能測試。按照土工試驗規程，進行擊實試驗，獲得不同配比泥餅的最佳含水率和最大干密度。試驗方法均參照GB／T 50123—1999。

固化體樣品經過強度測試后，經無水乙醇浸泡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）儀進行物相分析；采用荷蘭FEI公司Sirion200型場發射電鏡（SEM）進行形貌分析。

2 結果與分析

2.1 調理劑投加量對污泥比阻的影響

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

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

2.2 調理劑投加量對污泥含水率的影響

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，隨著調理劑投加量的增加，泥餅含水率幾乎呈直線下降，當粉煤灰和生石灰投加量均為50 g／L時，泥餅含水率可降至45%。

另外，隨著調理劑投加量的增加，泥餅存在增容問題，當粉煤灰和生石灰投加量均為50 g／L時，泥餅增容比達到1.62，因此可根據實際情況優化復合調理劑配比，進一步減少調理劑的投加量。

圖2 粉煤灰（生石灰）投加量對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 調理劑投加量對脫水泥餅土工性能的影響

脫水泥餅干密度與含水率的關系曲線如圖3所示。由圖3中即可獲得最佳含水率和最大干密度參數，按照該參數條件制樣，進行滲透系數測定以及7 d無側限抗壓強度測定，得到脫水泥餅的土工性能測試結果，如表4所示。從表4中可以看出，隨著調理劑投加量的變化，樣品最大干密度和最佳含水率變化不明顯；泥餅的滲透系數很小，數量級均為10－7cm／s；隨著調理劑投加量的增加，滲透系數略有減小。

圖3 脫水泥餅干密度與含水率關系曲線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無側限抗壓強度均在100 k Pa以上，且隨著調理劑投加量的增加有明顯增大的趨勢，其可滿足填埋要求，即無側限抗壓強度不小于50 k Pa[13]。因此，利用石灰和粉煤灰作為骨架構建體進行污泥脫水，并同時充當固化劑對污泥進行固化處理的固化填埋一體化技術是可行的。

3 固化體強度增長機理分析

污泥泥餅固化體強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水份的揮發性，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，有利于其強度的形成；另一方面是因為無機調理劑中粉煤灰和石灰等充當了固化材料，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與石灰在強堿性條件下與水作用，能夠發生類似火山灰的水化反應，生成C－S－H凝膠等水化產物，起到類似水泥固化的效果。其水化反應可以用下列方程式[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，而固化養護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，生成了非晶態的C－S－H凝膠。

對T4配方所制泥餅固化體樣品進行SEM表征，結果如圖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，從而增加了密實性，提高了固化體強度。

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 結論

（1）在污泥中添加粉煤灰和生石灰作為無機復合調理劑，可起到骨架構建體作用，能夠將原污泥的比阻從109s2／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無側限抗壓強度均在100 k Pa以上，顯示出較好的無側限抗壓強度。

（3）基于骨架構建體的污泥脫水與固化填埋一體化技術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的比較研究[J].環境污染與防治，2010（1）：35－39.

[2] 朱偉，林城，李磊，等.以膨潤土為輔助添加劑固化／穩定化污泥的試驗研究[J].環境科學，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化設計研究[J].環境科學與技術，2005（4）：87－89.

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

[5] 曹永華，閆澍旺，楊昌民.污泥固化的試驗研究[J].天津大學學報，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.粉煤灰和石灰對生活污水污泥脫水影響研究[J].環境科學與技術，2007，30（4）：98－99.

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

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

[14] 袁潤章.膠凝材料學[M].武漢：武漢工業大學出版社，2005：156－166.