FeCl3溶液調理下的污泥固結壓縮特性研究

朱瑾彥　李磊　魯旭　劉帥

摘要：填埋是污泥處置的途徑之一，污泥具有高含水量、高有機質等特點，其堆填體極易出現失穩破壞，從而引起工程地質災害，因此亟需提高污泥堆填體的穩定性。通過對原狀污泥和不同濃度下的FeCl3調理污泥開展室內試驗，研究污泥的固結前后的含水率、有機質含量、壓縮特性、固結特性，為污泥堆填體的沉降及穩定評價提供理論依據。結果表明，FeCl3溶液調理后的污泥固結系數顯著提升，污泥的次固結變形量占比達68%。污泥經固結后含水率大幅降低，固結前后有機質降低3% -6%。10%的FeCl3調理污泥的壓縮系數變化高達50倍。采用FeCl3調理污泥能夠有效對污泥堆填體進行加固。

關鍵詞：污泥；FeCl3溶液；固結；次固結

中圖分類號：X705 文獻標志碼：B

前言

污泥是污水處理過程中產生的廢棄物質，含有大量的有機污染物、微生物、病原體以及重金屬，處置不當會產生嚴重的環境問題和工程災害。

填埋是污泥的處置方式之一，長期堆存的污泥會不斷產生沉降，引發工程災害。為提高污泥堆填體穩定性，在填埋污泥前往往采用固化加固、脫水加固等方法，改善污泥的物理力學性質。由于污泥中存在大量結合水，且污泥中的有機質會逐漸降解，導致污泥中的土體顆粒產生蠕變變形，使污泥產生明顯的變形。李銘在對某污泥聚堆場進行固化試驗，發現原狀污泥中堿基復合固化劑投加比例達15%- 20%時，含水率可降低到35%左右。張曉雨將普通硅酸鹽水泥、生石灰和粉煤灰對污泥進行固化，結果表明固化劑的加入使得污泥含水率小于60%，抗剪強度大于25 kPa，無側限抗壓強度大于50 kPa。楊瑞敏研究發現污泥的初始含水率越高，壓縮性越大。賀建清利用軟土和高有機質泥炭土研究有機質含量對軟土次固結特性的影響，發現次固結系數隨有機質含量的增加而增加。韓伶敏通過試驗發現土的纖維含量越大固結蠕變越明顯，次固結系數越大

文章通過進行固結試驗，研究污泥在不同濃度的FeCl3調理處理下的壓縮特性及固結特性，為污泥堆填體的沉降及穩定評價提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

為研究不同處理方式下污泥的固結特性，此試驗共設計2組共計4種試樣：

第1組：原狀污泥，試樣編號記為1-1。取白江蘇省南京市江寧區某市政污水處理廠所生產脫水污泥，脫水污泥從螺旋輸泥器取出后除去較大的纖維、樹葉等，裝入到不透光的聚乙烯桶中及時帶回實驗室，密封、低溫保存。

第2組：調理污泥，用濃度為1.5 mol/L的標準FeCl3溶液（江標檢測科技有限公司生產）對原狀污泥進行化學調理處理。本組共設計三種不同添加量，FeCl3溶液的添加量分別為污泥干基質量的10%、15%、20%，試樣編號記為2-1至2-3。

不同污泥試驗樣品物理性質指標測試結果表明，原狀污泥和調理污泥的含水率極高，具有較小的密度；因污泥中有機質含量較高，污泥的比重較小，只有1. 70，明顯小于一般粘土2.7左右的比重。污泥經過FeCl3調理后，其比重及有機質含量保持不變，但含水率有略微增加，密度略微降低，初始孔隙比有所增大。

1.2 污泥固結壓縮試驗

污泥的固結壓縮變形試驗采用《土工試驗方法標準》GB/T 50123 - 2019中的單軸固結儀法進行，試驗儀器型號為南京土壤儀器廠所生產的WG單杠桿三聯中壓固結儀，每個試驗類別設置兩組試驗樣品。

由于污泥具有高含水率、高壓縮性的特性，如果使用常規固結試驗中12.5 kPa的初級荷載時，在加壓前期過程中，由于荷載過大非常容易導致污泥從側壁縫隙擠出，從而導致試驗失敗，為此需要減小初級荷載大小。原狀污泥與FeC13調理污泥荷載等級按照3.125 kPa、6.25 kPa、12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa六個等級加載，在施加每級荷載后，按照6s、15 s、1 min、2 min 15 s、4 min、6 min 15 s、9min、12 min15 s、16 min、20 min 15 s、25 min、30 min 15 s、36 min、42 min 15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h對百分表進行讀數并記錄。

2 結果與討論

2.1 固結前后基本物理性質變化

2.1.1 含水率

如圖1所示，不同污泥試樣固結前后含水率變化圖。從圖中可以看出，不同類型的污泥經過固結后，含水率均得到大幅降低，污泥含水率的降低率均超過63%，最高可達68%，但固結后仍具有較高含水率。固結前FeCl3調理污泥的含水率高于原狀污泥，而固結后低于原狀污泥，這表明在污泥中加入FeCl3調理劑能夠促進污泥在固結過程的排水，并且這種促進效果與FeCl3調理劑的摻量有明顯關系，摻量越大其促進效果越明顯。對于飽和土體，土體的固結壓縮過程是孔隙水的排除過程，通常土體的壓縮體積與其排出水分的體積相關，固結過程中排出的水分越多，其固結變形量越大。從污泥經過固結排水后含水率顯著降低可以推斷，污泥的固結變形量會非常明顯，FeCl3的加入能增大污泥的變形量。

2.1.2 有機質含量

有機質含量越高，污泥的吸水性越好，因此有機質含量的降低可以促進污泥中水分的排出。對不同類型污泥試樣固結后進行有機質含量測試，結果如圖2所示。由該圖可以得出，不同類型的污泥經過固結壓縮后，其有機質含量均會降低，減小幅度約為30% - 6%。原狀污泥降低率最低，只有3%左右；FeCl3調理污泥有機質降低率在4.5%- 6%。固結前后有機質發生明顯的變化，說明污泥在固結過程中，其內部有機質會發生降解，部分有機質隨水分排出。污泥經過FeCl3調理后，有機質降低率得到提升，且FeCl3溶液的摻量越高污泥有機質降低率越大。

2.2 化學調理對污泥壓縮特性影響

2.2.1 污泥變形量與排水量關系

根據太沙基固結理論，對于一般飽和土體的固結排水，土顆粒和孔隙水的壓縮量極可忽略不計，因此可認為土體的體積壓縮量等于排出的水量。如圖3所示，污泥固結變形量與排水量之間的關系，由圖可以看出污泥在固結壓縮過程中，固結變形量大于排出水的體積，這表明污泥的壓縮變形非常明顯。通過計算，原狀污泥自身顆粒的壓縮變形量占到總變形量的6. 35%；FeCl3調理污泥自身顆粒的壓縮變形量占總變形量有所增加，分別為6. 42%、6.61%、6.79%，且隨著調理劑摻量的增加而增加。原狀污泥由于自身松散的絮體結構和高有機質含量，壓縮性較強，污泥經過FeCl3調理后，自身結構遭到一定破壞，使得顆粒壓縮變形增強。

2.2.2 污泥壓縮變形規律

污泥在每級荷載下變形量非常明顯，并且最終變形量均很大，不同類型的污泥在固結應力作用下差異很大。

原狀污泥在各級荷載作用下變形量依次為：2. 903mm、2.137 mm、2.275 mm、2.031 mm、1. 829 mm、1.370 mm，在每級荷載的作用下變形均非常明顯，試驗結束時總變形量達到12. 545 mm，整個應變量達到62. 73%。觀察其每級荷載下變形曲線，可以發現在固結前期，變形速率較大，且隨著時間發展逐漸減緩；隨著荷載的增加，原狀污泥的變形時間曲線基本一致，在荷載施加48 h后，每天的變形量基本相同，并且變形速率較快，隨著荷載的增加而減緩；當荷載增加到100 kPa時，后期應變速率有較為明顯減緩，污泥變形已基本完成。FeCl3調理污泥在施加初級荷載3. 125 kPa時，形變量非常大，能夠達到6 mm左右，占到整個壓縮變形過程的50%左右，相較于原狀污泥的形變量高出一倍左右，后期變形速率有明顯減小，但變形速率與原狀污泥相比略快。FeCl3調理污泥的最終變形量相較原狀污泥有所增加，調理劑添加量為10%時，變形量增加很小，僅增加0. 095 mm，而添加量達到15%、20%時，變形量增加比較明顯，分別能夠增加0. 745 mm、0. 697 mm，最終的應變量增加5.7%左右。

2.2.3 污泥壓縮指數與壓縮系數

不同污泥試樣的孔隙比e與固結應力p的對數之間具有明顯的線性關系，符合式（1）：

e= - Cclgp+e0 式（1）

式（1）中，e0-土體的初始孔隙比；Cc-土體的壓縮指數。

根據公式可以得知，原狀污泥的壓縮指數最大，達到3. 263；經過FeCl3調理后污泥的壓縮指數分別為2. 252、2.429、2.427，下降了1/4 - 1/3。土體壓縮指數越大，表明土體的壓縮性越高，根據相關標準劃分規定，土體壓縮指示值大于0.4時，一般屬于高壓縮性土，能發現原狀污泥及調理污泥的壓縮指數均顯著大于0.4，這表明不論是原狀污泥還是調理污泥均具有極高的壓縮性。

壓縮系數av是表征土壓縮性的重要指標之一，av越大則土的壓縮性越高。試驗得到不同污泥試樣的壓縮系數，不論是原狀污泥還是FeCl3調理污泥，壓縮系數均很大。對于原狀污泥，在初級荷載作用下，原狀污泥的壓縮系數達到465. 12 MPa-1，隨著荷載的不斷增加，污泥壓縮系數變化范圍達到13倍左右，每級荷載下污泥的壓縮系數與上一級相比基本呈減半降低．其中荷載為6. 25 kPa時，壓縮系數變化較為不同，降低量僅為1/4左右。對于調理污泥，在初級荷載作用下，污泥壓縮系數相較原狀污泥得到成倍增加，達到1 000 MPa-1左右，隨著荷載增加，污泥壓縮系數迅速降低，在0 -6. 25 kPa區間內降低最為明顯，降低幅度達到3 -3.6倍。對于調理劑摻量對污泥壓縮系數的影響，隨著摻量的增加，壓縮系數降低越顯著，這與摻量增加導致污泥初始孔隙比增加有關，其中摻量為10%的污泥壓縮系數變化范圍最高，達到50倍左右，其余兩組調理污泥壓縮系數的變化范圍為35倍左右。

2.3 化學調理對污泥固結特性影響

2.3.1 污泥固結系數

土體固結是指在外荷載作用下土體會產生一定的超孔隙水壓力，土體中的孔隙水隨著時間發展不斷排出，超孔隙水壓力逐漸消散，使得外荷載轉化為土體的有效應力的過程。土體固結通常采用固結系數Cv表述，其反映了土體孔隙水壓力消散的快慢程度，是估算土體沉降變形速率的重要指標，是影響土體固結時間、固結度的主要因素，固結系數越大，表明土體的固結速度越快。如圖4所示，不同污泥試樣的固結系數與固結應力的關系圖，可以看出，污泥在固結過程中，固結系數隨著固結應力的增加，先減小后增大。原狀污泥和FeCl3調理污泥的固結系數數值均很小，基本處于10 -6 cm/s。對于原狀污泥，在初級固結應力下污泥的固結系數最高為4. 96×10 -6 cm/s，在固結應力3.125 - 12.5 kPa時，固結系數隨應力增加而減小，并降低至1. 99×10 -6cm2/s，后隨應力增加逐漸增大，最終升高到4. 38×10 -6cm2/s，整個固結過程中固結系數變化范圍不大。對于調理污泥，在施加初級荷載3. 125 kPa時，污泥經過調理后固結系數能夠得到提升，且隨著調理劑摻量的增加而增加，摻量20%下能夠增大到10. 42×10-6cm/s，與原狀污泥不同的是，調劑污泥的固結系數在6.25 kPa時就降到最小，降低至2. 18 -3.70×10 -6cm2/s，與原狀污泥的固結系數基本相同；后面隨固結應力增加而增大，最終能夠增大到7. 58 -9.99×10 - cm2/s，與初級荷載時的固結系數差別不大，且不同調理劑摻量下，污泥的固結系數增加趨勢有所差異，比如15%、20%摻量下污泥的固結系數增加趨勢為先快后緩，而10%摻量下增加趨勢為均勻增大。

2.3.2 污泥次固結系數

由污泥固結系數與固結應力曲線可以發現，原狀污泥和調理污泥的固結系數均很小，表明其固結完成時間很長，在固結過程中存在明顯的流變特性，經過長時間固結能夠產生顯著的變形。土體的固結變形包含主次固結變形兩個階段，污泥具有明顯的次固結變形。試驗表明，污泥的次固結變形量占比非常大，位于32%- 68%。污泥的次固結變形占比基本隨著固結應力的增大而逐漸降低，其中FeCl3調理污泥>原狀污泥。調理污泥隨著FeCl3摻量的增加，污泥的次固結變形量占比增大。

不同污泥試樣在不同荷載作用下的次固結系數如圖5所示，由圖可知，次固結系數均隨著固結應力的增大而減小，同時不同類型污泥的次固結系數變化有明顯差異。原狀污泥在低荷載（3. 125-25 kPa）作用下時，污泥的次固結系數較大，能夠達到0.5以上，在初級荷載作用時甚至能夠達到1.0左右；隨著荷載的增加，次固結系數逐步減小，最終減小至0. 16左右。FeCl3調理污泥次固結系數變化特征可劃分為兩個階段：在低荷載（3. 125 -25 kPa）作用下時，摻量越大污泥的次固結系數越小；在初級荷載下污泥的次固結系數相較原狀污泥有所增大，分別能夠達到1.3、1.2、1.1左右，這是由于污泥經過FeCl3調理后，污泥的初始孔隙比增大，一部分結合水污泥中轉換為自由水，摻量越大調理越充分，使得荷載作用前期產生更顯著的變形，后期變形量減小；隨著荷載增加，污泥的次固結系數迅速減小，降低趨勢顯著快于原狀污泥，到25 kPa時三種調理污泥的次固結系數較為接近，大小為0. 27 -0. 34，如20%摻量下污泥的次固結系數僅為原狀污泥的一半。當荷載超過25 kPa時，不同摻量的污泥試樣變化趨勢有所區別：10%摻量下污泥的次固結變化趨勢與原狀污泥較為接近，污泥的次固結系數緩慢減小，最后減小至與原狀污泥一致，只是減小的量與原狀污泥相比較小；當摻量為15%、20%時，污泥的次固結系數減小并不明顯，穩定在0.2 -0.3，基本不受荷載影響。該階段下污泥的次固結系數大小與摻量基本呈正相關，即摻量越大次固結系數越大，到最后一級荷載時三種污泥的次固結系數大小差異明顯，比如20%摻量下污泥的次固結系數能夠高出10%摻量0.1左右。

3 結論

通過固結壓縮試驗對不同濃度FeCl3調理污泥進行了固結前后的含水率、有機質含量、壓縮特性、固結特性的研究，可以發現，FeCl3調理污泥在經過固結壓縮后，含水率明顯低于原狀污泥，且滲量越大，降低越明顯。在固結過程中污泥的有機質含量會減小3%-6%，且滲量越大，有機質降低越多。原狀污泥的壓縮系數隨荷載增加，變化范圍在13倍左右，10% FeCl3調理污泥變化范圍高達50倍左右，15%和20% FeCl3調理污泥變化范圍為35倍左右。污泥的固結系數基本隨固結應力的增加，先減小后增大，原狀污泥和FeCl3調理污泥的固結系數基本處于10-6 cm2/s。污泥在固結過程中，次固結系數非常大，最高可達1.3，表明污泥具有明顯的流變特性。

基金項目：南京市建設行業科技計劃項目（Ks2134）