基于骨架构建体污泥脱水及其固化土工性能研究

杨家宽，杨 晓，李亚林，张 铭，李 野，何 姝

（1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉，430074；2.宇星科技发展（深圳）有限公司，广东深圳，518057）

脱水污泥强度过低（抗压强度小于10 k Pa），不能满足填埋强度要求，即使通过自然风干或人工强化使污泥的含水率降至64%以下可以满足填埋强度要求，但其持水能力仍较强、渗透性能低的实质没有改变，降雨后污泥填埋作业的问题仍然存在[1]。

为了使机械脱水污泥达到填埋场的要求，固化处理是常用的方法。现有污泥固化研究一般是以含水率为70%～85%的高分子絮凝脱水泥饼作为研究对象，外加水泥、粉煤灰、石灰等无机材料作为固化剂[2－7]。由于泥饼含水率高，固化剂加入后搅拌过程中污泥很容易团块化，导致固化剂分散不均而降低固化效果。粉煤灰、石灰等无机材料本身可以作为污泥脱水的物理调理剂，起骨架构建体作用，可改善污泥的可压缩性问题，提高污泥的脱水性能[8－10]。

本文以污水处理厂原污泥为研究对象，将石灰、粉煤灰作为骨架构建体进行污泥脱水试验研究，同时对所得脱水泥饼的固化土工性能进行测试，以期为基于骨架构建体的污泥脱水及固化填埋的一体化技术提供依据。

1 试验

1.1 原料

拟脱水污泥样品取自武汉市龙王嘴污水处理厂初沉池和二沉池排出的混合污泥，其基本特性如表1所示。粉煤灰为取自河南平顶山姚孟电厂的一级粉煤灰，含水率为1.69%，组成成分如表2所示。生石灰为建筑石灰，有效氧化钙含量为60%。

表1 混合污泥的基本特性Table 1 Characteristics of raw sewage sludge

表2 粉煤灰的组成成分（wB／%）Table 2 Characteristics of raw fly ash

1.2 试样制备

取200 m L污泥，按表3所示配比加入由生石灰和粉煤灰复配而成的无机调理剂，置于搅拌机中，先快速（200 r／min）搅拌15 s，再慢速（50 r／min）搅拌15 min，制成污泥混合液备用。

表3 试验配比方案Table 3 Scheme of experimental ratio

1.3 污泥真空抽滤脱水及比阻测定

取100 m L污泥混合液，在前期实验[11]的基础上，采用等量联合投加的实验方案（见表3），用自制试验装置进行真空抽滤脱水及比阻测试。根据卡门公式[12]计算污泥比阻。

1.4 土工性能测试及样品分析

取一定量污泥混合液，在自制板框压滤脱水试验装置上进行恒压压滤脱水，压力保持在0.4 MPa。

对3种不同配比（T4、T5、T6）板框脱水的泥饼进行土工性能测试。按照土工试验规程，进行击实试验，获得不同配比泥饼的最佳含水率和最大干密度。试验方法均参照GB／T 50123—1999。

固化体样品经过强度测试后，经无水乙醇浸泡24 h，终止水化后于40℃下干燥。采用荷兰帕纳科公司的X’Pert PRO型X射线衍射（XRD）仪进行物相分析；采用荷兰FEI公司Sirion200型场发射电镜（SEM）进行形貌分析。

2 结果与分析

2.1 调理剂投加量对污泥比阻的影响

污泥调理－真空抽滤脱水试验中，污泥比阻的变化如图1所示。从图1中可以看出，随着调理剂投加量的增加，污泥比阻逐渐减小；当粉煤灰和生石灰投加量均为30 g／L时，污泥比阻从原污泥的109s2／g降至107s2／g；当粉煤灰和生石灰的投加量均大于30 g／L时，污泥比阻随其投加量的增加变化趋势不明显。

图1 粉煤灰（生石灰）投加量对污泥比阻的影响Fig.1 Effects of dosages of fly ash／lime on specific resistance to filtration（SRF）

2.2 调理剂投加量对污泥含水率的影响

板框压滤脱水后污泥泥饼的含水率如图2所示。从图2中可以看出，随着调理剂投加量的增加，泥饼含水率几乎呈直线下降，当粉煤灰和生石灰投加量均为50 g／L时，泥饼含水率可降至45%。

另外，随着调理剂投加量的增加，泥饼存在增容问题，当粉煤灰和生石灰投加量均为50 g／L时，泥饼增容比达到1.62，因此可根据实际情况优化复合调理剂配比，进一步减少调理剂的投加量。

图2 粉煤灰（生石灰）投加量对脱水泥饼含水率的影响Fig.2 Effects of dosages of fly ash／lime on water content of dewatered sludge

2.3 调理剂投加量对脱水泥饼土工性能的影响

脱水泥饼干密度与含水率的关系曲线如图3所示。由图3中即可获得最佳含水率和最大干密度参数，按照该参数条件制样，进行渗透系数测定以及7 d无侧限抗压强度测定，得到脱水泥饼的土工性能测试结果，如表4所示。从表4中可以看出，随着调理剂投加量的变化，样品最大干密度和最佳含水率变化不明显；泥饼的渗透系数很小，数量级均为10－7cm／s；随着调理剂投加量的增加，渗透系数略有减小。

图3 脱水泥饼干密度与含水率关系曲线Fig.3 Effects of water content on dry density of dewatered sludge

表4 脱水泥饼土工性能Table 4 Physical properties of different dewatered sludge specimens

由表4中还可看出，脱水泥饼固化体试件7 d无侧限抗压强度均在100 k Pa以上，且随着调理剂投加量的增加有明显增大的趋势，其可满足填埋要求，即无侧限抗压强度不小于50 k Pa[13]。因此，利用石灰和粉煤灰作为骨架构建体进行污泥脱水，并同时充当固化剂对污泥进行固化处理的固化填埋一体化技术是可行的。

3 固化体强度增长机理分析

污泥泥饼固化体强度的增长一方面是由于其含水量的减少使土颗粒之间的结合水膜变薄，使粉煤灰和石灰可以均匀分散在脱水泥饼中，改善了污泥自然干化时水份的挥发性，在20℃左右的室温条件下，自然存放1周，泥饼的含水率能够从初始含水率65%左右降至45%以下，有利于其强度的形成；另一方面是因为无机调理剂中粉煤灰和石灰等充当了固化材料，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3与石灰在强碱性条件下与水作用，能够发生类似火山灰的水化反应，生成C－S－H凝胶等水化产物，起到类似水泥固化的效果。其水化反应可以用下列方程式[14]表示：

图4所示为T4配方所制脱水泥饼及其固化样品的XRD图谱。由图4中可见，T4配方所制脱水泥饼中主要含有SiO2、CaCO3和Ca（OH）2，而固化养护7 d后，其Ca（OH）2衍射峰基本消失，可能是Ca（OH）2与体系中的活性SiO2、Al2O3反应，生成了非晶态的C－S－H凝胶。

对T4配方所制泥饼固化体样品进行SEM表征，结果如图5所示。从图5中可以看出，样品中存在纤维状的C－S－H相，粉煤灰颗粒被凝胶包裹，从而增加了密实性，提高了固化体强度。

图4 脱水泥饼及固化试样T4的XRD图谱Fig.4 XRD spectra of dewatered sludge and solidified sample T4

图5 固化试样T4的SEM图谱Fig.5 SEM spectrum of solidified sample T4

4 结论

（1）在污泥中添加粉煤灰和生石灰作为无机复合调理剂，可起到骨架构建体作用，能够将原污泥的比阻从109s2／g降至107s2／g，有效改善污泥脱水性能。

（2）脱水泥饼在不再添加水泥等其他固化剂条件下，其7 d无侧限抗压强度均在100 k Pa以上，显示出较好的无侧限抗压强度。

（3）基于骨架构建体的污泥脱水与固化填埋一体化技术具有一定的的可行性。

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