污泥與城市生活垃圾混填的力學特性及穩定性

于小娟

摘要：工業污水和生活污水排放量日益增多，污水處理廠污泥產量日趨加大，污泥填埋關鍵技術問題已成為當今環境工程以及環境巖土工程的熱點問題之一。污泥和垃圾混合填埋在其他國家已得到應用，但由于目前中國關于污泥及其城市生活垃圾混合樣的基礎性室內試驗成果不多，對污泥與城市垃圾混合樣的工程力學特性及其混合填埋的適宜比例等不甚了解，從而導致中國污泥垃圾混合填埋工程事故頻繁發生。對不同配比的污泥與城市生活垃圾混合樣進行了固結壓縮實驗、三軸固結不排水實驗、無側限抗壓強度實驗，得出污泥與城市生活垃圾混合樣的工程力學特性；同時，用ANSYS數值模擬方法，對不同配合比的污泥城市生活垃圾混合填埋邊坡的穩定性進行分析，從而對污泥與城市生活垃圾混合填埋的適宜配合比及其穩定安全問題提出理論支撐。

關鍵詞：污泥；城市生活垃圾；混合填埋；物理與工程力學特性；穩定性

中圖分類號：TU4

文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著社會經濟快速發展和城市化水平的不斷提高，工業污水和生活污水的排放量日益增多，污水處理廠污泥產量急劇增加，據中國住房和城鄉建設部 2013 年 2 月公布的數據，截止 2012年底，中國設市城市、縣累計建成城鎮污水處理廠共 3 340座，污水處理能力約1.42 億m3/d，假設污水處理負荷率為 75%，

每萬噸污水產生 6 t含水率為 80%的污泥，則中國每天將產生含水率 80%的污泥 6.39萬t[1]。2010年10月的“京城環保第一大案”，以及隨后的“深圳污泥坑管涌威脅自然生態”、“重慶污泥不治污水處理系統將崩潰”等相繼見諸媒體的報道，揭開了中國在污泥處理上的嚴重缺口，污泥處置問題已成為中國亟待解決的環境問題。

目前，污泥處置與利用的方式主要有填埋、焚燒、農用以及資源化利用等[2]。由于污泥衛生學指標、重金屬指標難以滿足農用標準，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、見效快的優勢，已逐漸成為國內外污泥處置的主要途徑之一。

與污泥填埋相關的土工性質或力學性質的研究在其它國家70年代已經開始進行，主要在污泥用作填埋場覆蓋材料方面有較為深入研究[3-4]。近幾年來的研究成果研究表明，將城市生活垃圾與污泥進行混合，其降解穩定過程比單獨填埋時明顯加快。比如，單華倫[5]的研究表明，污泥和生活垃圾進行混合填埋可以促進垃圾降解和填埋體沉降，對加速填埋場穩定及擴大填埋庫容有利。徐華亭[6]通過造紙污泥與生活垃圾混合填埋的模擬實驗，提出添加適量的造紙污泥可加速生活垃圾降解過程，提高垃圾降解效率。吳正松等[7]通過生活垃圾與污泥一體化處理反應器試驗后提出，生活垃圾與污泥一體化處理，對污泥和垃圾的減量及穩定效果良好。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，促進其穩定化進程。另外，Martin[9]對垃圾與污泥均勻混合填埋，加速填埋層進入穩定的甲烷化階段的機理進行了理論分析。Kong 等 [10]對城市生活垃圾與污泥混合物汽化動力學特性及其活化能和指前因子等參數進行了研究。Fang等 [11] 進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] 對污泥加速城市生活垃圾進入甲烷化階段的最優組分比進行了實驗分析。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，對城市生活垃圾和污水廠污泥一體化反應器小件模型試驗進行了研究，試驗結果確定污泥的最優運行投配率為25%。李耕宇[13]進行了不同污泥負荷下常溫厭氧活性污泥對生活垃圾填埋滲濾液處理效果研究，指出當污泥培養溫度為 21 ℃，滲濾液 pH 為 7.6 時，厭氧反應池中污泥負荷約為 7.83 kgCOD/kgMLSS·d 時，反應器處理效果最佳。另外，朱英等[14]對填埋物質分別為污泥、污泥+牛糞、污泥+鐵刨花以及準好氧填埋方式的加速穩定化過程進行了研究。謝震震等[15]研究表明，污泥和粉煤灰混合填埋比污泥單獨填埋能夠加大有機物的降解速率，從而縮短穩定化時間。

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定化進程，減少污泥對垃圾填埋場穩定的不利影響，但目前的研究成果多數停留在城市垃圾與污泥混合填埋對加快填埋場降解與穩定過程有促進作用的描述上，中國具體的工程應用鮮有報道。相比而言，國外的污泥與城市垃圾混合填埋技術相對成熟些[16]。國外也有將污泥與城市生活垃圾或泥土混合填埋的應用：與生活垃圾混合填埋時，將污泥撒布在城市垃圾上面，混合均勻后鋪放于填埋場內，壓實覆土。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]。由于中國的城市垃圾種類比國外的要復雜得多，中國污水處理廠對污泥固化/穩定預處理的標準、經費投入等與國外的相差巨大，因而國外污泥與垃圾混合填埋技術的具體參數不適用于中國國情。目前，中國對于污泥與城市垃圾土混合樣的土力學性質還了解不多，對污泥與城市垃圾混合樣的抗剪強度（內摩擦角、粘聚力）、固結特性（壓縮指數、固結系數）等工程力學性質認識不足，從而對混合填埋時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，而中國鮮有現成的資料可供借鑒，國外的又不適用于中國，從而導致中國污泥被大肆傾倒入MSW填埋場的現象屢見不鮮，填埋場工程安全隱患叢生，工程事故頻繁發生，不僅造成了慘重的人員傷亡和財產損失，也給當地帶來了巨大的環境災難。比如，潮州市雞籠山垃圾填埋場的垃圾崩塌滑坡事故、深圳下坪固體廢棄物填埋場污泥坑管涌事故，以及由于污泥傾倒引發的廣州大王崗垃圾填埋場崩塌事故等。

為解決上述問題，進行了污泥及其城市生活垃圾混合樣室內試驗的基礎性研究工作，獲取了污泥與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學性質等土性參數，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質提供重要基礎數據。同時，對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強度隨污泥摻入量的變化規律進行實驗與分析，從而對混合填埋時污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究。最后，用數值模擬方法對不同配合比的污泥城市生活垃圾混合邊坡的穩定性進行了分析。

1 污泥與城市生活垃圾混合樣的工程

力學特性室內實驗研究

1.1 污泥物理性質指標及城市生活垃圾樣制備

實驗中的污泥取自鹽城市城東污水處理廠，污泥的物理力學指標如表1所示。

根據鹽城市區城市生活垃圾的現場取樣，測得垃圾樣平均含水率ω=49.92%，ρ=1.69 g/cm3，ρd=1.13 g/cm3。

實驗中的城市生活垃圾，根據鹽城市區城市生活垃圾的分揀資料，進行了人工配制，城市生活垃圾各組分如表2所示。根據中華人民共和國行業標準《土工試驗規程》（SL237—1999）中對試驗材料尺寸規定，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，測定各種材料初始含水率，結果列于表3。

根據表2和表3中的資料配制垃圾土。

在現場，垃圾填埋工程都要進行碾壓，機械碾壓所達到的壓實程度以及通過碾壓所獲得的密實度是實驗室模擬現場狀態時所面臨的兩個重要問題，為此，分別配置不同含水率的垃圾樣，進行室內標準擊實試驗。根據《土工試驗規程》，進行室內標準擊實試驗。擊實試驗結果見圖1。

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

1.2 污泥與城市生活垃圾混合樣固結壓縮實驗研究

將填埋場準入污泥（含水率小于60%）與城市生活垃圾樣按照不同配比混合進行固結壓縮實驗，固結壓縮實驗共分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%，每組兩個平行樣。純污泥及其污泥垃圾混合樣加荷等級分別為100、200、300 kPa。

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

從表4～8可知，污泥的次固結系數大，主固結壓縮變形后表現有較大的蠕變特性；污泥與城市生活垃圾混合后，其次固結系數大為減小，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系數均遠小于純污泥的次固結系數；隨著污泥濕重百分比的增加，混合樣的次固結系數普遍增大。

以上固結壓縮實驗結果表明，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系數，污泥與垃圾濕重百分比較小時，次固結系數小，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度特性實驗研究

在三軸固結不排水實驗和無側限抗壓強度實驗，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%。

三軸固結不排水實驗結果見表9所示。實驗可得到污泥與垃圾混合樣強度參數與污泥含量的關系，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，但當污泥含量超過某一數量（本實驗為40%）時，混合樣粘聚力又將較大幅度降低，而混合樣內摩擦角隨著污泥含量的增加而減小，表明污泥含量較高時，混合樣的粘聚力和摩擦角均較小，其強度較低。

對以上結果進行解讀：城市垃圾中，摻入污泥時，污泥會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”會越來越完整，污泥在垃圾混合樣中所發揮的作用將越來越大。有機質的黏性性質大約只有粘性土的幾分之一，污泥含量越高，混合樣中的有機質含量就越大，從而導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，污泥中的有機質在混合樣的土顆粒之間會起到 “潤滑劑”的作用，因此，隨著污泥含量的增大，有機質增多，此潤滑作用將越顯著，從而混合樣的摩擦角將隨著污泥含量的增加而降低。三軸固結不排水主應力差與軸向應變關系曲線如圖7所示。從圖7的主應力差與軸向變形曲線可以看出，在試驗的應變范圍內混合試樣并沒有出現明顯的破壞面，且應力應變曲線為加工硬化形，主應力差隨著軸向變形的增大而持續變大，在試驗范圍內未出現峰值，其應力應變曲線接近于垃圾土的性質。

上述圖表顯示，隨著污泥含量的增加，混合樣的無側限抗壓強度增大，但增加到一定值后，隨著污泥含量的進一步增加，其qu值會顯著降低。解讀：污泥填入城市生活垃圾，污泥含量不高時，隨著污泥含量的增加，流動性較強的污泥細顆粒能更好地填充垃圾土顆粒之間的空隙，促進各組分間能更緊密排列，從而使混合樣粘聚力增大，無側限抗壓強度增大；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，污泥的“膜”作用及其有機質的潤滑作用將越趨增大，從而導致其無側限抗壓強度顯著下降。

2 污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數

值模擬分析

污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數值模擬，坡角為15.5°，邊坡形狀及計算模型如圖9所示。彈性模量E=15 MPa，泊松比0.3。計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。網絡劃分見圖10所示。Plane42單元，分成1 139個單元，1 233個節點。模型按平面應變考慮。

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

3 結 論

1）通過污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的壓縮及強度等實驗，獲取了污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學性質指標，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質提供重要基礎數據。

2）對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強度隨污泥摻入量的變化規律進行實驗與分析，從而對混合填埋時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度。

3）通過污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數值模擬分析可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數較高，但當污泥含量增大到50%時，其安全系數會驟然下降。因此，污泥與垃圾混合填埋的實際工程，一定要結合混合樣的固結壓縮特性、強度特性試驗和邊坡穩定計算結果，控制污泥的適宜摻入比例，以確保填埋體邊坡的穩定安全。

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（編輯 胡 玲）