凍融預處理填埋污泥的室內真空脫水試驗

武亞軍，何心妍，張旭東，張云達，嵇佳偉

(1.上海大學 土木工程系，上海 200444； 2.上海市地礦建設有限責任公司，上海 200072)

市政污泥是城市污水處理過程中不可避免的副產物。近年來，隨著城市生活用水量的不斷增加，污水處理量大幅度上升，污泥生成量也隨之加劇，污泥的處置已成為一項亟待解決的難題。污泥衛生填埋處置方式由于具有費用低、操作簡單、技術成熟等優點，目前仍是中國最主要的污泥處置手段，但是隨之帶來的是土地資源的緊缺與生態環境的破壞。隨著“十三五”規劃中提出的減量化處置要求，對填埋污泥進一步進行深度脫水減少污泥體積已成為污泥處理的趨勢。

國內外學者對污泥深度脫水作了大量的探索和研究。在物理冷凍處理技術上，Clements等[1]采用冷凍法成功使得處理后的膠羽粒子沉降快速且沉積物體積變小，污泥的脫水性能得到一定的改善；Vesilind等[2]通過理論研究指出污泥的處理效果受冷凍溫度、速度和時間的影響，較高冷凍溫度、較低的冷凍速度和較長的冷凍時間都有利于提高污泥的冷凍效果；單連斌[3]采用凍融法對含水率高達90%的污泥進行脫水預處理，經凍融處理后的污泥過濾性顯著提高，并且處理效果優于化學藥劑消石灰；Gao等[4]通過對污泥毛細吸水時間(CST)、污泥比阻(SRF)和沉降性能等指標的測定，發現冷凍大大增加了顆粒的體積，顯著改善了污泥的脫水性。以上研究表明冷凍具有污泥預處理的強大潛力。

目前，將真空預壓法運用于填埋區污泥原位處理是新興的污泥處理手段，但是該方面的研究主要集中在化學藥劑預處理與真空預壓聯合處理污泥方面。占鑫杰等[5]首次將真空預壓法與FeCl3結合用于填埋區污泥的處置，處理效果優異，污泥體積減量超40%；詹良通等[6]加入無機藥劑(CaO、FeCl3、粉煤灰)和有機藥劑(CPAM、殼聚糖)調質并通過真空預壓處理試驗測取了抽濾液總量、含固量及抽濾速度，發現采用無機藥劑三者組合調理劑整體排水效果最好；武亞軍等[7-9]采用CaO、FeCl3、芬頓藥劑聯合真空預壓法開展室內模型試驗，從污泥脫水性能和真空排水固結特性方面進行了定量分析，最終預壓后的污泥含水率最低降至66.7%，體積降為原泥的51.92%，無側限抗壓強度最高可提高至55 kPa。以上研究均表明藥劑與真空預壓聯合對于污泥處理效果十分優異。

Erden等[10]通過研究經化學處理和凍融處理后污泥的脫水性能，發現兩種預處理方法在改善脫水性能方面沒有顯著差異。但是化學藥劑存在不可忽視的二次污染風險，物理凍融法雖具有處理周期過長的缺點但是其在環境方面更為潔凈和安全。

本研究基于課題組前期真空預壓的研究成果，開展了凍融聯合真空預壓法對填埋污泥原位處理的室內模型試驗研究。首先從冷凍溫度角度采用比阻試驗考察了凍融對污泥脫水性能的影響。然后采用真空預壓固結模型試驗，對原狀污泥和經凍融預處理后污泥的固結特性進行對比分析，并通過試驗后污泥無側限抗壓強度、泥餅含水率和減容比等指標的對比，探討了該方法應用于填埋污泥減容的可行性。

1 污泥基本物化性質

污泥試樣取自上海某填埋場，對填埋區污泥的各項物理指標進行測試。依據《土工試驗與原理》[11]，采用烘干法測定含水率，環刀法測定密度，灼燒法測定有機質含量。將該污泥稱為原狀污泥(原泥)，污泥特性指標如表1所示。可以看出，原狀污泥的液塑限分別為220.62%和67.73%，屬于高液塑限土。

表1 污泥特性指標

2 凍融試驗

通常將污泥比阻(SRF)作為一項評價污泥過濾性能的綜合性指標，可以反應污泥脫水性能的好壞。污泥比阻表示單位質量的污泥在一定壓力下過濾時單位過濾面積上的阻力，比阻愈小表明污泥脫水性能愈好。本節研究了填埋污泥經凍融處理后比阻的變化。

2.1 試驗方案

2.1.1 凍融處理

首先取200 g污泥置于300 mL的燒杯中，若直接采用原泥(含水率為72%)會導致后續真空抽濾過程中出水量過少，記錄的抽濾時間和相應抽濾體積的數據點過少，污泥比阻計算不準確。因此，通過改變含水率來應對這種狀況，污泥比阻的大小與污泥中有機物含量及其成分有關，加入純水僅提高污泥自由水含水量，不會影響比阻的計算結果，故通過加入純水將含水率調節至78%。在調制好后的試樣中心插入溫度傳感器,采用防水探頭溫度傳感器(圖1(a))，精度可達0.1 ℃，能對溫度進行精確的測量，保證實驗的準確性。同時,為阻止外界水分的進入造成測量誤差過大，采用防水塑料膜對杯口進行密封(圖1(b))，完成初始試樣的制備。

圖1 試驗裝置

采用定制的冷凍箱對初始試樣在不同檔位下進行冷凍處理(總共5個檔位，冷凍溫度分別可達0、-6、-11、-14.5、-18.5 ℃)，精度為0.1 ℃，完成試樣的初次處理。將初次處理后的試樣放置在室溫(約25 ℃)下12 h進行融解完成二次處理。

2.1.2 比阻測定

污泥比阻的測定采用布氏漏斗法，試驗裝備如圖2、3所示。取二次處理后的污泥放于布氏漏斗中，采用40～50 kPa真空度，停止抽濾判定標準為：(a)真空破壞時停止抽濾；(b)若真空長時間不破壞，則抽濾10 min后停止。通過烘干法測得抽濾前后的含水率并繪制抽濾量隨時間的變化曲線，根據式(1)得出污泥比阻[12]。

圖2 抽濾裝置實物圖

(1)

式中：p為過濾壓力，A為截濾面積，μ為動力黏度，m為濾過單位體積的濾液在過濾介質上截留的干固體質量，b為線性方程t/V=bV+a的斜率(t為過濾時間，V為濾液體積)。

圖3 抽濾試驗裝置簡圖

2.2 結果分析

2.2.1 污泥冷凍曲線

觀察凍融過程中污泥內部溫度隨時間變化的規律，結果如圖4所示。可以看出，在冷凍的初始階段，污泥溫度隨時間變化下降迅速。當降至略低于0 ℃時，污泥處于固液混合狀態，污泥溫度在該階段維持較長時間不變或輕微浮動。當污泥完全冷凍后，污泥溫度下降速度變快，直至達到最低溫度后維持不變。融解過程規律相似。

圖4 污泥溫度隨時間的變化

從冷凍速度來看，污泥溫度達到-6 ℃時，需要19.5 h，污泥溫度達到-18.5 ℃時，僅需要12 h。根據傳熱學中的牛頓冷卻定理可知，當物體表面與周圍存在溫度差時，單位時間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比，因此，在冷凍過程所處的環境溫度會影響污泥的冷凍速度，控溫箱所施加冷凍溫度越低，與污泥表面的溫差越大，實際冷凍速度越快。

2.2.2 污泥比阻

圖5為污泥冷凍溫度與比阻的關系，可以看出，在不同的冷凍溫度下，未經任何處理的原狀污泥的比阻最大，為9.46×1012m/kg，而經凍融處理后，污泥的比阻較原始污泥減小了14.3%～76.5%，大大改善了污泥的脫水性能。污泥冷凍溫度為-6 ℃時，污泥比阻下降至3.82×1012m/kg。這是由于在冷凍期間，污泥中的自由水凍結形成冰晶，在溫度梯度的引導下，污泥顆粒間未凍狀態的間隙水會不斷向冰晶凍結鋒面遷移，致使污泥絮體網狀結構遭受破壞。與此同時，污泥顆粒受到凍脹力的擠壓團聚形成更大的顆粒，從而利于脫水[13]。

圖5 污泥比阻隨冷凍溫度的變化

此外，污泥冷凍溫度為-11 ℃時，污泥比阻降至最低，為1.35×1012m/kg，說明當污泥冷凍溫度高于-11 ℃時，隨著溫度的降低，污泥比阻會快速減小，脫水性能不斷改善。但是隨著溫度繼續下降，污泥比阻沒有進一步降低，反而有所增大，由此看出當低于-11 ℃這個界限時，脫水性能反而開始下降，這說明一味地降低溫度并不會無休止地改善脫水性能。同時，根據圖4的冷凍曲線以及前文物理冷凍速度分析，污泥比阻還與冷凍速度有關。對這一現象分析認為：1)隨著溫度降低，冷凍速度增大，冰晶的生長速度加快，污泥內的分凝冰層加厚加密，而分凝冰是凍脹量的內在體現,分凝冰量的多少決定著凍脹量的大小[14]。所以，分凝冰層的加厚加密意味著污泥凍脹量增大，污泥顆粒團聚性增加，污泥的脫水性能進一步改善。2)當冷凍速度超過一定數值后，由于冰晶生長的速度過快，水分來不及遷移，分凝冰層減薄，污泥的凍脹量隨之減小，污泥顆粒受到的擠壓力減小，粒徑的增長幅度有限，影響污泥顆粒的凝集效果[13]。

基于污泥比阻測試結果，凍融法在處理填埋污泥上存在最優冷凍溫度。本試驗中冷凍至-11 ℃時，是改善污泥脫水性能最優冷凍溫度。

2.2.3 顆粒粒徑分布

為了證實冷凍會帶來顆粒直徑的變大，用激光粒度儀對冷凍前后的污泥粒徑進行測定。圖6為污泥中各粒度的占比，原泥中小于0.005 mm的污泥顆粒占比為38.61%，經凍融(冷凍溫度為0、-6、-11、-14.5、-18.5 ℃)處理后的污泥占比為25.58%～35.58%。對于粒徑為0.005～0.075 mm(粉粒組)的污泥顆粒，原泥占比為57.34%，而經凍融處理后，污泥粒徑整體增長較為明顯，其中經冷凍溫度為-11 ℃處理后的污泥粒徑增長最為顯著，處于0.005～0.075 mm的污泥顆粒占比為67.45%。試驗表明，凍融處理后污泥顆粒在一定程度上增大，小顆粒質量分數減小。

圖6 不同冷凍溫度下的污泥粒度占比

由圖7可以看出，經凍融處理后，污泥顆粒主要分布的峰值向左移動，原泥和經冷凍溫度為-11 ℃處理后的污泥粒徑所占比重的最大峰值分別出現在0.005～0.01 mm和0.02～0.04 mm，污泥顆粒中所占最大比重的粒徑增大。此外，經凍融(冷凍溫度為-11、-14.5、-18.5 ℃)處理后的污泥，出現了明顯的“雙峰”現象，說明污泥經凍融處理后，小顆粒團聚形成大顆粒。

圖7 不同冷凍溫度下的各粒組質量變化

2.2.4 界限含水率

根據《土工試驗與原理》，采用液塑限聯合測定儀，選取圖5上原泥以及0、-11、-18.5 ℃標志性溫度進行界限含水率測定以進一步分析造成污泥脫水性能改善的原因。

凍融前后的界限含水率變化如圖8所示。經凍融處理后的污泥塑限均較原始污泥呈上升趨勢，液限呈下降趨勢。塑性指數的大小取決于液限與塑限之差，反映了土粒與水的相互作用，在一定程度上表明了土中黏粒的含量[15]。

圖8 凍融前后污泥界限含水率曲線

圖8中數據走勢趨近表明污泥顆粒處于塑態的含水率變化范圍減小，其與水結合的能力下降。污泥可塑性降低，一方面說明經凍融處理，吸附于污泥顆粒周圍的水膜變薄，小顆粒更容易團聚形成大顆粒，污泥脫水性能改善。另一方面說明經凍融處理后，污泥黏粒含量降低，污泥黏度降低，污泥與水間結合力減弱，污泥脫水性能改善[16]。

此外，由表2可以看出，污泥凍融前后液性指數均大于1，污泥處于流塑狀態。污泥在各冷凍溫度下的液性指數存在明顯差異。隨著溫度降低，液性指數呈先上升后下降趨勢，這與污泥比阻隨冷凍溫度的變化特征相一致。

表2 凍融前后污泥液性指數

3 真空脫水試驗

在通過凍融試驗得出最優冷凍溫度的基礎上，采用真空預壓技術對污泥進一步排水固結，驗證凍融與真空預壓聯合處理的可行性。

3.1 試驗方案

本試驗所采用的試驗設備主要包括自制的模型箱、抽濾瓶、真空泵和真空表等(見圖9)，自制模型箱分為有機玻璃桶和密封蓋，有機玻璃桶為內徑10 cm、高度40 cm的圓柱體，密封蓋采用2 cm厚的硬質有機玻璃板，四周圍有密封圈。模型箱上下開孔，上下均鋪有無紡土工，采用雙面排水。當排水速度小于10～15 mL/h時，停止試驗。

圖9 模型試驗裝置實物照片

試驗過程中采用與比阻試驗相同的污泥和冷凍溫度，單一改變污泥的用量，污泥用量取1 800 g,置于凍箱內冷凍至相應溫度(共5組，分別為0、-6、-11、-14.5、-18.5 ℃)后取出，融解至室溫進行真空脫水試驗，并設置一組未經任何處理的原泥采用普通真空預壓試驗作為空白對照。試驗前，檢查模型箱的密封性，防止出現漏氣現象，試驗過程中記下不同時間對應的真空度、出水量以及泥面刻度。試驗結束后，取樣進行含水率以及無側限抗壓強度試驗。

3.2 結果分析

3.2.1 真空度

抽濾過程中真空度變化如圖10所示，經冷凍溫度為-18.5 ℃預處理后的這組污泥在抽真空初始階段模型箱內出現漏氣現象，真空度降至70 kPa以下，采取密封堵漏措施后，真空度恢復正常。其余污泥組在整個抽真空過程中真空度(瓶內真空度)均穩定在75 kPa以上，為試驗創造了良好的條件。

圖10 真空度變化曲線

3.2.2 排水量及排水速度

固結過程是土體中的孔隙水不斷排出的過程。整個試驗過程中，通過抽濾瓶對試驗污泥排水量進行采集和測量，建立排水量以及排水速度隨抽真空時間的變化曲線，分別如圖11、12所示。

圖11 排水量隨時間變化

圖12 排水速度隨時間變化

由圖11、12可以看出，經凍融處理的污泥的排水量明顯多于普通真空預壓，說明凍融與真空預壓聯合處理的效果優于普通真空預壓。但是經冷凍溫度為0 ℃處理后的污泥最終排水量為128 mL，僅比原泥最終排水量多13 mL，這是由于污泥中含有大量污泥顆粒，水的冰點低于0 ℃，當污泥冷凍溫度達到0 ℃時，污泥溶液中并沒有冰晶生成，由于“熱縮冷脹”現象的存在，促使部分顆粒的團聚，少量間隙水的釋放，進而導致排水量的少量增加。

剛開始試驗時，經凍融處理后的污泥的排水速度很快，最高達3 625 mL/h，接近總排水量的52.73%，這是由于污泥靜置沉降析出的大量上清液在真空壓力的作用下經排水管快速排出，而普通真空預壓處理的污泥初期的出水速度遠低于凍融與真空預壓聯合處理的污泥，說明經凍融處理后，污泥的固液分離性能更好。在隨后試驗過程中，原始污泥排水量隨時間增長幅度十分緩慢，在30 min后幾乎不再排水，3.5 h時排水速度為10 mL/h，此時試驗停止，處理效果差。經冷凍溫度為-6 ℃處理后的這組排水量增長速度較原泥已明顯加快，但是耗時過長，5 h后排水固結結束。經冷凍溫度為-11、-14.5和-18.5 ℃處理后的污泥排水曲線比較接近，排水量前期增長迅速，1 h后隨著泥餅壓縮，部分排水通道被堵塞，排水速度趨于平穩，但排水速率仍有60 mL/h左右，整個過程僅需3 h，相比較冷凍溫度為-6 ℃，土體排水固結明顯加快，加固時間大大縮短。

試驗結束后，較其他5組試驗，當冷凍溫度達-11 ℃這組的累計排水量最大，達580 mL，且冷凍溫度高于-11 ℃工況(-6、0 ℃和原泥)時，試驗最終排水量隨溫度降低而增多，低于-11 ℃工況(-14.5和-18.5 ℃)時，試驗最終排水量反而隨溫度降低而減少，該試驗結果與污泥比阻試驗結果具有一致性。

值得注意的是，經冷凍溫度為-18.5 ℃處理后的這組污泥初始排水速度僅為2 125 mL/h，略高于冷凍溫度為-6 ℃的污泥，造成這一現象的原因是冷凍溫度為-18.5 ℃這組污泥在試驗初始階段，模型箱出現漏氣現象，真空度降至70 kPa以下。并且該組試驗進行到40 min時排水速度突增突降，這是由于在40 min時，關閉真空泵采取密封堵漏措施，真空度迅速減小，密封蓋與污泥泥餅分開，濾水通道重新形成。恢復正常抽氣后，排水量迅速增加，排水速度劇增。

3.2.3 沉降量和減容比

圖13為真空預壓期間污泥沉降量與時間的關系曲線，可以看出，原始污泥在試驗初期下降趨勢就比較緩慢，30 min后沉降量幾乎不再下降，壓縮性差。經凍融(冷凍溫度為-6、-11、-14.5、-18.5 ℃)處理后的污泥前期沉降較快，后期隨著排水速度降低，沉降逐漸趨于平緩。整個試驗過程中，經凍融處理后的污泥沉降量下降趨勢明顯大于原泥，說明凍融處理可以有效地加快真空預壓的排水固結。此外，沉降量隨時間的變化趨勢與排水量規律大致相同。

圖13 沉降量隨時間變化

抽真空結束后，6組污泥均有一定程度的變形，最終沉降量分別達1.7～8.5 cm，占初始高度的(減容比)7.9%～40.0%。其中，污泥冷凍溫度為-11 ℃這組試驗，由于污泥經處理后比阻以及塑性指數較原泥大大降低，污泥內部結合水轉換成自由水，污泥的黏性降低，水更容易被排出，整個沉降過程僅持續3 h，比原泥處理時間縮短了0.5 h，但污泥的最終累計沉降變形量最大，累計沉降量是原泥的5倍，減容比是原污泥的5.3倍。試驗表明，凍融真空預壓聯合處理污泥減容減量效果十分顯著。

3.2.4 含水率及無側限強度

為了更直觀地說明經凍融處理后的真空預壓脫水效果優越性，對比了經真空預壓處理后6組污泥泥餅的含水率和無側限抗壓強度。

泥餅含水率的取樣位置距離真空預壓處理后污泥表層向下2 cm處，采用烘干法測得，烘箱溫度設為70 ℃。由圖14可以看出，原狀污泥含水率為72.0%，經真空預壓處理后，空白組污泥泥餅含水率降至69.8%，與真空處理前十分接近。經凍融處理的污泥真空預壓后的泥餅含水率明顯下降，隨著冷凍溫度的降低，泥餅含水率呈現先減小后增大的趨勢。其中，當冷凍溫度為-11 ℃時，污泥泥餅含水率降至最低，可至54.9%，該趨勢與污泥比阻試驗結果一致。此外，凍融真空預壓聯合處理后的污泥含水率可以滿足城市污泥混合填埋含水率低于60%的要求[17]。

圖14 含水率隨冷凍溫度變化

無側限抗壓強度在室溫下采用無側限抗壓強度壓縮儀進行測定，近污泥下表面取樣，結果如表3所示。原狀污泥和經冷凍溫度為0 ℃處理后的污泥仍較難脫水，經真空預壓后，含水率較高，試樣仍呈流塑狀態，無法取樣測定其無側限抗壓強度。通過凍融處理，污泥更易脫水，釋放內部結合水，并聯合真空預壓，使得污泥含水率下降，污泥整體更加密實。經測定冷凍溫度為-11 ℃時，污泥無側限抗壓強度可達42.84 kPa，可見經真空預壓處理后的污泥強度有了很大的提升，效果顯著。

表3 試樣的無側限抗壓強度

4 討 論

1)污泥是具有黏性的膠狀物，具有含水率高、脫水難度大等特點。采用凍融處理可以明顯改善污泥的脫水性能進而改善后續的真空預壓效果。一方面經過凍融處理后，污泥中水的存在形式發生改變，部分結合水轉換成自由水，導致真空預壓過程中排水量以及排水速度增長；另一方面是水結冰時體積會增大，污泥顆粒在凍脹力的作用下團聚形成大顆粒，顆粒間空隙的增大，有利于在真空脫水過程中形成排水通道，同時大顆粒的形成大大降低了顆粒的表面能，使顆粒持水性減弱，加速了污泥的脫水過程。國內外有研究表明[18-19]，污泥顆粒對污泥脫水性能的改善程度具有很大的影響，當污泥顆粒以細小顆粒為主時，污泥的脫水性能不佳。本試驗對污泥比阻和污泥顆粒平均粒徑進行了擬合。如圖15所示，二者之間擬合度為0.978 7，呈現明顯的負相關，即小顆粒污泥不利于脫水，大顆粒污泥比阻較小，擬合結果與上述觀點一致。

圖15 污泥比阻與污泥平均顆粒粒徑的關系

2)未試驗前污泥刺激性氣味濃烈，試驗后得到較大緩解，污泥惡臭的主要來源是微生物發酵污泥中有機物產生的硫化氫氣體。推測惡臭味降低的原因是在冷凍條件下，微生物細胞內的游離水冷凍結冰并且體積增大，細胞膜脹破，對細胞造成不可逆的物理性傷害，致使微生物死亡，惡臭氣味消散。

3)本研究采用內徑為10 cm、高度為40 cm的橢圓形箱體進行一維真空固結試驗，排水邊界條件較為單一，目的是初步探索凍融聯合真空預壓對填埋污泥具有減容減量的效果。在填埋現場實際真空預壓操作過程中，需向填埋污泥中插入塑料排水板來增大加固范圍和深度進而提高排水加固效果，后續將展開與實際工程更為接近的徑向真空固結模型試驗，進一步探究該技術應用于污泥填埋場減容減量的可行性。

4)凍融處理填埋污泥受地區氣候特征的影響存在一定的局限性，需根據不同區域的氣候特征進行針對性應用。在北方地區每年平均有3個月處于冷凍期，具有天然的氣候優勢，合理地利用自然冷能并結合真空預壓法，可以充分節約能源且無二次污染。而在南方地區，因地處亞熱帶季風氣候，無天然冷凍期，該技術的應用需在冬季低溫的基礎上采用人工制冷，更適合經濟發達但土地資源緊缺、填埋空間嚴重不足的城市。

需要指出，本文得出的最優冷凍溫度為-11 ℃，但由于每個地區所產生的污泥性質具有較大的差異性，-11 ℃并不是一個特定溫度，不同地區填埋場適合的冷凍溫度需要進行試驗來測定。

5 結 論

1)凍融處理可以改變污泥內部水的存在形式，結合水轉換成自由水，小顆粒凝集形成大顆粒，改善污泥的脫水性能。

2)經凍融處理污泥的冷凍溫度為-11 ℃時，污泥比阻降至最低，真空預壓排水量、沉降量升至最大，真空脫水試驗與污泥比阻試驗隨溫度的變化規律具有一致性。

3)凍融與真空預壓聯合脫水效果較普通真空預壓明顯提升，累計排水量最高達580 mL，體積僅占原始污泥的40.0%，減容減量效果顯著。含水率最低降至54.9%，滿足城市污泥填埋含水率低于60%的要求。

4)凍融聯合真空預壓預壓處理使得污泥整體更加密實，污泥無側限抗壓強度得到顯著提升，最高可達42.84 kPa。