不同固化劑的優化配置及對城市污泥的固化效果研究

樂俊超

(上海環境集團再生能源運營管理有限公司，上海 200336)

1 引言

污泥主要是由污水處理過程中產生的沉淀物質和在其表面的浮沫構成。產量大，成分復雜，含有大量的微生物、病原體、有毒重金屬和難降解有機污染物等，如不及時妥善處理，將對環境造成二次污染[1～3]。目前污泥的處置方法主要有土地利用[3]、污泥焚燒[3]、衛生填埋和其他處置方式[1]等。污泥填埋因其成本較低、操作方便，成為目前國內污泥處置的主要方法?？紤]到我國的實際情況，對于不能資源化而必須從使用循環中排除的廢物，填埋是較為合理的最終處置途徑。

由于城市污水處理廠脫水污泥具有性質復雜、含水率高等特點，因此污泥在填埋時需經過適當的預處理[4,5]。固化技術是一種有效的污泥填埋處置預處理技術，將固化材料添加進污泥中，經過一系列化學反應后使其生成較穩定的固化產物，固化后的污泥具有較高的抗壓強度與較低的透水性，方便填埋[6,7]。固化過程可以將污泥中的有機物與重金屬等有害物質封存于固化產物中，降低其對環境的潛在危害，從技術性和經濟性來看固化技術都是非常適合我國國情的污泥處理方法[8,9]。

固化藥劑的選擇原則為固化效果好、易獲得、價格低、能夠以廢治廢、提高安全性能等[10,11]?；谏鲜鲈瓌t，本文研究了水泥、粉煤灰、輕燒鎂、生石灰、石膏、木質素磺酸鹽、氯化鈣和β-萘系減水劑等作為固化劑的固化效果。

2 實驗材料與儀器

2.1 實驗材料

2.1.1 城市污泥

本研究所用城市污泥來自上海市閔行水質凈化廠的脫水污泥。該水質凈化廠除了處理城市居民生活用水外，管網還收集了一部分周邊區域產生的化工廢水。其主要物理化學性質見表1。從表1中可以看出，城市污泥的含水率和有機物含量都較高，重金屬含量相對一般城市污泥略高。

表1 城市污泥主要物理化學性質

2.1.2 水泥

本研究使用水泥為普通硅酸鹽42.5 水泥。通過XRF分析后其主要成分以氧化物形式表示如表2所示。

表2 普通硅酸鹽42.5 水泥主要化學組成 %

2.1.3 粉煤灰

本研究使用粉煤灰取自上海市吳徑火力發電廠，經XRF分析可知其主要成分如表3所示。

表3 粉煤灰主要化學組成 %

2.2 固化塊制作過程

制作固化塊時將粉干的污泥顆粒與水按照質量比1∶4混合均勻，模擬城市脫水污泥。脫水污泥與水泥等固化劑混合均勻，置于水泥靜漿攪拌機中充分攪拌。充分攪拌后的混合物置于如圖1 所示的模具中，利用擋板配合將固化混合物制作成40 cm×40 cm×40 cm的固化塊，方便以后的測試。靜置24 h后固化塊已經具備一定的強度，此時可以脫去模具，將固化塊轉移至設定的養護裝置中進行養護。

圖1 模具示意圖

2.3 固化塊無側限抗壓強度測試

無側限抗壓強度是固化塊固化效果最直接的實驗指標，也是很重要的一個指標。本課題遵循《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)中的測試步驟測試污泥固化塊的無側限抗壓強度，采用儀器為符合國標JC/T 960-2005 的SYE-300 型壓力實驗機，由浙江中科儀器有限公司生產。測試時使用直尺測定養護到一定齡期的固化塊的受力部分，計算固化塊的受力面積。再將固化塊置于抗壓測試機上下壓板之間，固化塊中心距離壓力機壓板受壓中心應小于0.5 mm。在整個測試過程中，壓力以1 kN/s以內的速度均勻增加，直至固化塊結構遭到明顯破壞?？箟簩嶒灆C的微電腦系統會自動記錄在測試過程中的最大壓力值，即為該固化塊的最大載荷。每個固化塊樣品分別測定3 個平行樣，取平均值。無側限抗壓強度Rc以MPa為單位，按照下面公式計算：

(1)

式(1)中，Rc為固化塊無側限抗壓強度(MPa)；Fc為固化塊的最大載荷(kN)；A為固化塊受力面積(cm2)。

3 結果與討論

3.1 固化劑添加量

3.1.1 水泥添加量

為考察不同水泥添加量對污泥固化效果的影響，首先分別將15 g粉煤灰、40 g氯化鈣和20 g β-萘系減水劑添加到100 g脫水污泥(含水率80%)中。水泥添加量分別為0、5、10、15、20、25、30 g/100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)，測試7 d，14 d和28 d的固化強度。不同水泥添加量的固化強度見圖2。

圖2 不同水泥加量的固化效果

從圖2中可以看出，隨著水泥添加量的增加，污泥的固化強度有比較明顯的上升趨勢。只不過在水泥加量大于20 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時候，固化強度保持穩定，并有略微降低。固化強度在7～14 d的過程中增加迅速，而從14～28 d的固化強度增幅沒有7～14 d的明顯。以14 d的固化強度為例，每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加20 g水泥的固化強度為1.224 MPa，比起每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加15g水泥的固化強度0.865 MPa來說提高了41.5%。而每100 g脫水污泥(含水率80%)中添加30 g水泥的固化強度與添加20 g水泥相差不多。因此考慮到成本因素，本課題選擇水泥的最佳加量為20 g/100 g脫水污泥(含水率80%)。

3.1.2 粉煤灰最佳加量

為考察不同粉煤灰加量對污泥固化效果的影響，首先確定水泥、氯化鈣和β-萘系減水劑的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g、40 g和20 g。粉煤灰加量分別為0、5、10、15、20、25、30 g/100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)。測試7 d、14 d和28 d的固化強度。不同粉煤灰加量的固化強度見圖3。

圖3 不同粉煤灰加量的固化效果

從圖3中可以看出，隨著粉煤灰添加量的增加，污泥的固化強度先是明顯上升，隨后當粉煤灰添加量大于15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時候又顯著下降。當粉煤灰的添加量為15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時候，其7 d和14 d的固化強度相對于沒有添加粉煤灰時有24.2%和16.9%的提高，而經過28 d的養護后，其抗壓強度相對于沒有添加粉煤灰時提高了31.5%，這說明粉煤灰的添加對于污泥固化過程的促進作用體現在中長期的固化強度中而不是早期的固化強度。粉煤灰添加5 g/100 g脫水污泥(含水率80%)和10 g/100 g脫水污泥(含水率80%)時固化效果基本相同，但是粉煤灰的過量添加，會導致固化強度下降，這主要是由于粉煤灰大量添加導致水泥比例的降低，固化強度也隨之降低。因此綜合考慮到各種因素，本課題選擇粉煤灰的最佳加量為15 g/100 g脫水污泥(含水率80%)，其對應的7 d、14 d、28 d污泥固化強度分別為0.812 MPa，1.126 MPa和1.462 MPa。

3.1.3 氯化鈣最佳加量

氯化鈣的添加對污泥固化的強度有一定的影響，首先確定水泥、粉煤灰和β-萘系減水劑的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g，15 g和0.8 g，氯化鈣加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)(DSS)0 g、0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g。測試7 d，14 d和28 d的固化強度。不同氯化鈣加量的固化強度見圖4。

圖4 不同氯化鈣加量的固化效果

從圖4中可以看出，隨著氯化鈣加量的增加，污泥的固化強度有一個明顯的先上升后下降的趨勢。當氯化鈣加量小于0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)的時候，氯化鈣的添加對污泥固化強度有一定的促進作用，但是當氯化鈣的添加量大于0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)時，隨著氯化鈣的添加污泥的固化強度逐漸下降。氯化鈣的最佳添加量為0.4 g/100 g脫水污泥(含水率80%)，其對應的7 d、14 d、28 d污泥固化強度分別為0.821 MPa，1.365 MPa和1.495 MPa，相對于不添加氯化鈣時污泥固化強度分別有38.3%、31.0%和15.1%的提高，可見氯化鈣的添加主要對污泥固化的早期強度有較大的促進作用。

3.1.4 β-萘系減水劑最佳加量

β-萘系減水劑的添加對污泥固化強度有一定的影響，首先確定水泥、粉煤灰和氯化鈣的添加量分別為每100 g脫水污泥(含水率80%)添加20 g，15 g和0.4 g，氯化鈣加量分別為每100g脫水污泥(含水率80%)(DSS)0 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g。測試7 d、14 d和28 d的固化強度。不同β-萘系減水劑加量的固化強度見圖5。

圖5 不同β-萘系減水劑加量的固化效果

從圖5中可以看出，隨著β-萘系減水劑加量的增加，污泥的固化強度有一個明顯的先上升后下降的趨勢。當β-萘系減水劑加量小于0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)的時候，β-萘系減水劑的添加對污泥固化強度有一定的促進作用，但是當β-萘系減水劑的添加量大于0.2/(100 g)脫水污泥(含水率80%)時，隨著β-萘系減水劑的添加污泥的固化強度逐漸下降。確定β-萘系減水劑的最佳添加量為0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)，其對應的7 d、14 d、28 d污泥固化強度分別為0.832 MPa、1.287 MPa和1.502 MPa，相對于不添加β-萘系減水劑時污泥固化強度分別有9.6%、19.6%和12.4%的提高，可見β-萘系減水劑的添加使污泥固化強度有一定的提高，最佳添加量為0.2 g/(100 g)脫水污泥(含水率80%)。

3.2 固化劑用量對污泥固化強度的影響

根據以上結果，得出水泥、粉煤灰、氯化鈣、β-萘系減水劑所組成的固化劑中其優化比例為20∶15∶0.4∶0.2，在這個優化比例下固化劑的用量對污泥的固化強度有著重要的影響。因此接著研究了固化劑用量對污泥固化強度的影響。

固化劑比例按照優化比例，養護方式選擇干式養護，溫度為25±2℃，以含水率為80%的脫水污泥(簡稱DSS)計算，分別測試了固化劑總量為濕污泥質量5%、15%、25%、35%、45%、55%時的7 d、14 d、28 d固化強度，結果見圖6。由圖6可以明顯看出，在固化劑用量小于45%/DSS時，污泥固化強度隨固化劑用量的增加而明顯增加；當固化劑用量大于45%/DSS時增加固化劑的用量反而降低了污泥的固化強度。固化劑用量為5%/DSS時污泥固化塊養護7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別為0.21 MPa、0.42 MPa、0.51 MPa。固化劑用量小于35%/DSS時，每增加5%的用量固化強度均有25%以上的增幅。使用35%/DSS固化劑時污泥固化塊養護7 d、14 d、28 d的抗壓強度分別達到為0.81MPa、1.13 MPa、1.46 MPa，相對于5%/DSS時有2.85、1.67、1.86倍的提高。但是固化劑用量為45%/DSS相對35%/DSS時僅有約3%左右的提高，再加上由于濕污泥中水分有限，高于45%/DSS的用量后固化強度反而下降，因此本課題選擇固化劑用量為35%，即水泥、粉煤灰、氯化鈣、β-萘系減水劑分別為20、15、0.4、0.2 g/100 g DSS。

圖6 不同固化劑用量對污泥固化強度的影響

3.3 污泥含水率對固化強度的影響

由于城市污水處理廠所處理污水性質不同、污水處理工藝及脫水工藝的不同，污水處理廠的脫水污泥含水率雖然都在80%左右，但也略有不同。水分含量是水泥水化過程中的重要因素，因此考察了污泥不同含水率對其固化強度的影響。鑒于脫水污泥的含水率變化范圍較小，污泥含水率變化范圍選定為74%～84%。

固化劑用量為水泥20 g、粉煤灰15 g、氯化鈣0.4 g、β-萘系減水劑0.2 g/(100 g) DSS，采取干式養護，溫度為25±2℃。污泥含水率對污泥固化強度的影響見圖7。從圖7中可以看出，隨著污泥含水率的升高，污泥固化強度有逐漸下降的趨勢。這主要由于過多的水分會影響水泥水化的過程。在污泥含水率小于80%的時候，固化強度隨污泥含水率的升高所下降的幅度較大。以養護28 d的樣品為例，含水率80%的污泥經固化處理后強度相比74%的污泥固化強度下降9.9%并不明顯；污泥含水率超過80%后，污泥含水率的變化對固化強度的影響變緩。

圖7 污泥含水率對污泥固化強度的影響

3.4 污泥種類對固化強度的影響

大多數城市污水處理廠中初沉污泥與二沉污泥混合后進行脫水處理，但是也有部分城市污水處理廠將初沉污泥與二沉污泥分開進行脫水處理，由于初沉污泥與二沉污泥性質不同，因此考察了脫水污泥種類對固化強度的影響，結果見圖8。

圖8 污泥種類對污泥固化強度的影響

選擇固化劑用量為水泥20 g、粉煤灰15 g、氯化鈣0.4 g、β-萘系減水劑0.2 g/(100 g)脫水污泥，混合污泥是按照初沉污泥與二沉污泥3∶2比例混合而成。初沉污泥的固化強度較高，二沉污泥的固化強度較低。養護7 d、14 d、28 d后的初沉污泥固化塊強度達到0.85 MPa、1.21 MPa 、1.50 MPa，而二沉污泥固化塊的強度僅為0.79 MPa、1.05 MPa、1.36 MPa，這主要由于二沉污泥中微生物有機體含量較高，粘度較大，而初沉污泥中無機物組分較高，粘度較低造成的。

4 結論

本文首先確定了固化劑中幾種組分的優化用量，并隨后確定出每一種固化劑成分的優化添加量，分別為：每100 g城市脫水污泥(含水率80%)中使用20 g水泥、15 g粉煤灰、0.4 g CaCl2、0.2 g β-萘系減水劑。污泥的含水率與污泥種類對污泥固化強度有一定影響。經試驗證實，污泥含水率的升高會導致固化強度下降，初沉污泥的固化強度高于混合污泥和二沉污泥。