土壤固化劑在污泥處理工程中的應用

林順官

1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350025；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350025

1 引言

福州市某集污池建設于上世紀九十年代，依山而建，三面山坡陡峭，與集污池液面高差約30m，截污壩與池底高差超過30m，成漏斗狀，現場施工條件十分惡劣，且與外界連接的園區道路狹窄、坡陡、路彎，大型車輛難以進入，園區內無法提供工作面，此外，池底淤積污泥量大且含水率極高，因此，常規處理方式皆無法滿足現場施工要求，經過多方案討論并經專家論證后，決定采用工期短且人為可控的原位污泥固化方案，只在池內對污泥進行處理，有效防止處理過程對周邊環境的影響。

淤泥固化技術是一種加入淤泥后通過與淤泥的物理和（或）化學反應，改善淤泥工程性能（包括凝結時間、無側限抗壓強度、水穩系數等）的藥劑，是土壤固化劑［1］的一種。淤泥固化劑通過一系列的水化、水解反應，生成數量可觀的水化產物和膠凝物質，通過包裹、粘結、錨固等作用，使淤泥中的細小顆粒團粒化，形成穩定的骨架結構，淤泥因而最終成為具有一定強度和穩定性的整體結構。污泥固化劑是在淤泥固化劑的基礎上，根據污泥的特性，結合化學平衡理論、吸附理論、沉淀理論，通過高效原材料的選擇、功能性組分的添加和配合比的優化開發而成，能快速固化超高含水率、超高有機質含量的流態污泥，并消除其難聞臭味，具有較好的消毒殺菌作用。

集污池清淤及后續池底改造工作完全在池內進行，因此必須對池內超過4 萬方污泥進行固化處理，滿足一定的強度要求才能保證池底的穩定性和現場施工的安全性。設計對底泥固化的要求如下：

（1）固化土含水量≤60%。7 天無側限抗壓強度大于0.1MPa（基于現場施工考慮），28 天無側限抗壓強度大于0.3MPa（基于最終地基穩定性考慮）；

（2）耐浸泡性要求試樣在用清水浸泡 28 天不破壞；

（3）固化土的重金屬浸出檢測，達到環保部門一般固體廢棄物標準，可用于工程回填。

2 原材料與實驗方法

2.1 原材料

2.1.1 取樣

現場利用浮橋在集污池深凹處通過拉線挖斗下探，挖去液面下約14m 的污泥泥漿，由于拉線挖斗挖泥后會閉合，在上拉過程不會有過多污水進出，取樣可靠性較好。

2.1.2 污泥固化劑

本項目所處理的污泥淤積多年，有機質含量極高，且多為流態，采用河道淤泥固化劑無法達到快速固化效果，故采用福建建工建材科技開發有限公司生產的閩建科污泥固化劑。污泥與固化劑按質量比混合，通過攪拌器攪拌均勻并成型，養護至齡期后進行相關性能檢測。

2.2 實驗方法

2.2.1 響應面分析法

響應面分析法（Response Surface Methodology，RSM）［2］，是利用合理的試驗設計，通過有限次數的實驗得到數據，采用多元二次回歸方程擬合多因素與響應值之間的函數關系，并通過統計分析尋求設計最優化參數，解決多變量問題的分析方法。

2.2.2 含水率試驗

含水率試驗參照GB/T 50123《土工試驗方法標準》進行，使用的主要儀器設備為：

①電熱烘箱，溫度設定為68±1℃；

②天平，量程1000g，最小分度值0.01g。

污泥含水率按下式計算，精確至0.1%：

式中md——干土質量

m0——濕土質量

2.2.3 無側限抗壓強度強度測試

無側限抗壓強度測試依據GB/T 50123《土工試驗方法標準》進行。

3 實驗結果與討論

3.1 原狀污泥含水率

由于原狀污泥有機質含量極高，因此需要在較低溫度下烘干，直至恒量，測得原狀污泥含水率約為92%。

3.2 多因素分析

使用Design-Expert軟件中的Box Behnken Design進行試驗設計，以固化劑摻量、固化時間和污泥含水率3 因素為自變量，以無側限抗壓強度為響應面，設計試驗因素與水平和測試結果見表 1。

表1 配合比設計及測試結果

通過軟件分析，模型、固化劑、固化時間的p 值皆<0.001，此影響因素與實驗結果相關性極為顯著，為優化模型，去除相關性極小的項目，優化后分析結果如表 2 所示，模型的校正決定系數0.9916，說明此模型優化后對數據的擬合程度良好；預測決定系數0.9826，與校正決定系數只相差不到0.01（一般情況下不大于0.2 即可用），說明模型優化很好，回歸方程可用于大部分數據的預測，其回歸方程為關于無側限抗壓強度的二元方程式：

無側限抗壓強度=-54.2 +1.66×固化劑-0.948×固化時間+0.063×固化劑×固化時間

表2 分析優化

根據設計和現場施工要求，設定固化土無側限抗壓強度值為100kPa，再反算在不同固化時間要滿足強度要求所需的最小固化劑摻量，結果如表 3 所示。要求7d 時固化土強度達到100kPa，則固化劑摻量為底泥質量的25.6%，即274kg/m3；要求1d 時固化土強度達到100kPa，則固化劑摻量為底泥質量的55.8%，即597kg/m3；要求4h 時固化土強度達到100kPa，則固化劑摻量為底泥質量的82.6%，即884kg/m3。

表3 優化結果

根據優化結果進行試驗驗證，結果如表 4 所示，三個結果與預測值基本相當，相對而言，7d 無側限抗壓強度的預測值比實際值稍小。

表4 實驗驗證結果

若施工工期允許，且施工條件較好，固化劑摻量為300kg/m3，固化劑與污泥攪拌均勻后，養護7d 強度即可超過0.1MPa，挖機等施工設備即可直接行走在固化土上，可以繼續向前推進施工；若需要縮短工期，則可通過調整固化劑摻量的方式，縮短固化土養護時間從而使固化土強度在短時間內即滿足施工要求；若雨季施工時，固化土7d 的養護期過長，會導致固化土在養護期間大量吸水膨脹，從而導致固化效果大大下降，因此雨季施工時也必須通過提高固化劑摻量的方式縮短養護時間，從而減小雨季對固化土養護的不利影響。

3.3 固化土物理性能

根據設計要求，污泥固化土的7d 無側限抗壓強度要不低于0.1MPa，28d 無側限抗壓強度不低于0.3MPa，含水率≤60%。根據上文的強度預測公式，只能預測4h 到7d 范圍內的強度，超出界限的預測無法保證準確性，因此根據7d 無側限抗壓強度的預測，以固化劑摻量250、300 和350 進行實驗，福建建工建材科技開發有限的污泥固化劑固化性能如下列各表所示。

摻量為250 時，固化土性能滿足7d 無側限抗壓強度要求，28 天無側限抗壓強度和含水率均不符合設計要求。

摻量為300 時，固化土性能能滿足7d 和28d 無側限抗壓強度要求，其中7d 無側限抗壓強度為設計要求的2 倍，而28d含水率為61%，不符合設計要求。

摻量為350 時，固化土性能完全滿足設計要求，其中7d 無側限抗壓強度和28d 無側限抗壓強度遠大于設計要求，分別為0.3MPa 和0.62MPa，且其28d 含水率也降到57%；根據實驗結果可看出，固化劑摻量與固化土無側限抗壓強度成正比，與28d含水率成反比，因此可推測固化劑摻量為600kg/m3和900kg/m3時，固化土28d 無側限抗壓強度和含水率必定滿足設計要求。

表5 固化土性能

3.4 固化土的耐水性

污泥固化劑因為其具有水硬性，因此其制備的固化土一般都具有一定的耐水性。

閩建科污泥固化土泡水試樣如圖所示，固化土表面仍保存著試樣固化前的指壓痕跡，強度很高，泡水五月沒破壞更沒泥化，所浸泡的清水中也沒有明顯的黑色污染物溶出。

圖2 閩建科污泥固化土泡水五個月試樣

3.5 固化土浸出毒性檢測

根據項目環評所進行的滲瀝液污泥浸出毒性實驗，結果顯示滲瀝液污泥屬于一般工業固體廢物，重金屬含量等指標并未超標。考慮到污泥固化過程引入了大量的“污泥固化劑”，有引入重金屬的風險，因此對固化后的污泥進行重金屬的浸出毒性檢測，如表 6 所示，所有參數皆遠小于限值，固化后的污泥仍只是一般工業固廢，滿足環保要求。

表6 浸出毒性檢測結果

4 結論

本實驗對污泥固化劑進行了相關的測試，通過實驗結果分析與討論，得出以下結論：

（1）閩建科污泥固化劑反應快，固化強度高，耐水性好，不引入額外污染源，適用于污泥固化；

（2）根據現場取得的污泥泥樣，當摻入350kg 閩建科污泥固化劑，固化土性能滿足設計要求，固化土現場施工環境良好時，建議實際施工按350kg/m3添加固化劑。

（3）雨季期間施工，需要縮短固化時間，可減少雨水和地下水對固化效果的影響，并提高現場場地使用效率。將固化劑摻量提高到600kg/m3，可保證固化土24h 內養護完成，可上施工設備，并不受雨水影響；將固化劑摻量提高到900kg/m3，可保證固化土4h 養護完成，可上施工設備，并不受雨水影響。