污泥掺入生活垃圾后的力学特性试验研究

施建勇，王 娟

（河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210098）

1 引 言

随着经济发展和城市化水平的不断提高，我国生活和工业污水的年产量不断增长，污水处理后产生的污泥量也在同步增加，污泥是影响环境的潜在不利因素。污水厂污泥的特点是含水率高、压缩性高、低强度、低渗透性、脱水困难，而且可能含有污染地下水的各种化学成分和重金属，这些都增加了污泥处置的难度。另外受“重水轻泥”的影响，大量污水厂污泥没有得到安全、卫生的处置，成为污染环境的一大隐患。

由于污泥的力学特性较差，单独填埋会出现很多难以处理的环境和工程问题[1－2]；生活垃圾具有强度高、含水率高、孔隙比高和渗透性较好[3－6]；填埋也是生活垃圾主要的处置方法之一；污泥和垃圾能否同场填埋，即混合填埋，相关的研究工作在国内做得还很少[2]。

在混合填埋场中，当污泥与城市生活垃圾混合比例达到 1:10 时，填埋垃圾的物理、化学稳定过程将明显加快，所以一般污泥的比例应≤10 %，在该比例下污泥一般不会影响填埋体的稳定[7]。赵乐军等[8]系统分析了污泥的土力学性质对污泥填埋方式的影响，污泥能否填埋主要取决于两个因素：一是污泥本身的土力学性质；二是填埋后对环境可能产生的影响。污泥大多具有较高的含水率，因此，进行填埋前必须经过脱水工序。据德国的资料，当脱水后的污泥和垃圾进行混合填埋时，污泥的含固率要求应大于35%，抗剪强度应大于25 kPa。一般普通脱水工艺处理后的污泥含水率在80%左右，必须加入添加剂进行后续处理才能进行填埋，高干度脱水后的污泥含水率在65%左右，一般可直接填埋，但这增加了技术成本。Irene等[9]研究表明：相对于污泥的单独填埋，将污泥和其他废弃物一起进行混合填埋在香港也已得到广泛地应用，而且混合填埋具有压缩性低、沉降小等优点，不过其渗透系数较高。在美国，有污泥单独填埋的实例；污泥单独填埋可以用沟填法、平面填埋法或筑堤法，具体方法的选择还要参考场地的特性和污泥的含水率[10]。

基于污泥和生活垃圾力学特性有互补的可能，将污泥掺入一定比例的生活垃圾，使其力学特性得到改善，满足污泥填埋的稳定性要求，是一种可以尝试的途径。本文重点探讨污泥掺入生活垃圾后的力学性质和填埋边坡稳定分析。

2 污泥与生活垃圾混合后的力学性质

2.1 污泥与垃圾混合后的剪切特性试验

根据国内已有垃圾填埋场分拣资料，进行人工垃圾土的配制[11]，具体配置材料和含量见表1。

表1 垃圾土成分组成（干重比）Table 1 Composition of MSW(dry unit proportion)

根据生活垃圾填埋场现场取样，试验得到的垃圾样平均含水率ω=35.1%，密度ρ=1.12 g/cm3，干密度ρd=0.84 g/cm3。一般垃圾填埋工程都会进行碾压，为此，分别配置不同含水率的垃圾样，进行室内标准击实试验，通过得到的击实曲线来求得每个含水率下的干密度，对比现场实测的干密度及含水率，选择最接近的一组，以此模拟现场试样。分别配制含水率为20%、30%、40%、50%、60%的垃圾样，根据《土工试验规程》[12]，进行室内标准击实试验。试验结果如图1所示。

选取与现场含水率相当的击实曲线上的点：ω=35.1%，得到试样干密度ρd=0.69 g/cm3。试验所用污泥取自南京市江心洲污水处理厂，控制污泥含固率为 30%；直剪固结不排水强度参数为 c =1.05 kPa和φ=3.2°，固结排水强度参数为c =10 kPa和φ=8.3°，在 50～250 kPa压力下的渗透系数为10-9～10-7cm/s量级。现有的研究资料没有限制污泥的掺入比例[13－14]，一般认为，控制污泥掺入比例不超过10%对工程没有明显地不利影响；在填埋处置中，与生活垃圾分层铺填时污泥的比例可达15%～25%；在进行污泥与垃圾土混合样的生物降解研究时，污泥比例可增加到50%。为了研究较大掺入比例对污泥与生活垃圾混合后的抗剪强度影响规律，试验时将污泥与垃圾的配制干重比值（即污泥含量）依次取为33.2%、41.5%、49.8%、58.1%、66.4%、74.7%。

图1 垃圾样的室内击实曲线Fig.1 Compaction curve of MSW

本次通过直剪试验研究垃圾和污泥不同混合比例下的强度特性。考虑到垃圾分层填埋时会进行碾压，直剪试样制备时，采用标准击实试验进行试样的初始状态控制；不同配合比例的试样分别控制污泥与垃圾土含水率，在充分混合后进行击实，击实功均选取标准击实试验的击实功。直剪试验的垂直压力分别为100、200、300、400 kPa。由于实际填埋过程比较长，混合体的渗透系数在10-6～10-5cm/s之间（请见本文2.2节渗透试验），可以认为，填埋中产生的孔隙水压力能够消散，不会产生大的积聚，试验时采用固结快剪。根据《土工试验规程》[12]，当剪切位移超过4 mm时，如果强度仍继续增加，则继续剪切至6 mm，垃圾土的应力-应变关系曲线为加工硬化型，因此，试验中位移剪至6 mm时停止试验。试验结果如图2所示。

由图2可见，污泥与垃圾土混合样的直剪试验曲线都是呈硬化型的，比较接近于垃圾土的剪切性质，按试验位移量达到6 mm时选取强度值。将图2进行整理可以得到强度参数与污泥含量的试验关系，如图3所示。当污泥的含量较低，试验得到的内摩擦角较大，黏聚力较小；随着污泥含量增加，试验得到的内摩擦角减小，黏聚力增加；当污泥含量超过某一数量时，试验得到的内摩擦角减小，黏聚力减小；当污泥含量较高时，试验得到的内摩擦角和黏聚力均小。即当污泥含量超过某一数量时，强度特性下降明显，此时需要重点关注填埋边坡的稳定性。混合体的强度参数比没有掺入污泥垃圾土的强度参数低[5－6]，但比污泥的强度参数高。因此，考虑污泥与垃圾的混合填埋，可极大地提高污泥填埋的安全性和可行性。

图2 不同污泥含量时的剪应力-位移关系图Fig.2 Shear stress-displacement curves under different sludge contents

图3 强度参数与污泥含量的试验关系Fig.3 Relationships between strength parameters and sludge content

2.2 污泥与垃圾混合后的渗透特性试验

为了防止试样与仪器壁间的渗漏，采用柔性壁渗透试验方法进行污泥与垃圾混合样的渗透试验。渗透试样的高度为80 mm，直径为39.1 mm，体积为96 000 mm3，分5层击实。试样的制备与直剪试验相同，即采用标准击实试验。试验共6组，污泥与垃圾土的干重比值依次为 0%、8.3%、24.9%、41.5%、58.1%、74.7%。制样时，污泥与垃圾按一定比例混合后，分5层制样，将试样安装到柔性壁渗透仪上，先施加较小的渗水压力进行反压饱和，至同一时间间隔内固结排水管流出的水量不再变化为止。然后施加周围压力，从50 kPa开始，依次增加为100、150、200、250 kPa。每级压力下固结完成后，施加渗透水压进行渗透试验。根据某一时间间隔及对应时间间隔内排水管中读数的变化，根据式（1）求得在此固结压力下试样的渗透系数k(m/s)：

式中：ΔT为渗流历时（min）；Q为ΔT时间间隔的总渗流量（mm3）；H为试样固结完成后的总轴向高度（mm）；ΔP为渗透水压力差， Δ P=P2- P1（1 kPa相当于102 mm水头）；A为渗流流经的平均过流断面（mm2），A=（96 000-ΔV）/H；ΔV为固结完时试样的体积变化量，即固结排水量（mm3）。

图4所示为在不同配比条件下，渗透系数随围压变化而变化的曲线，明显看出，围压越高，渗透系数越小，且在污泥含量较低时，这种现象越明显。随着污泥含量的增加，试样的渗透系数明显减小，围压越低，这种现象越明显。围压越高、污泥含量越高，则渗透系数越小。污泥掺量为 24.9%时渗透系数比纯垃圾的渗透系数下降约 1/2，污泥掺量为41.5%时渗透系数比纯垃圾的渗透系数下降约2/3，垃圾土与污泥混合后没有明显劣化垃圾土的渗透特性。在污泥含量较高时（本次试验74.7%以上），污泥和垃圾土的混合体渗透系数与污泥接近；污泥含量不高时（本次试验58.1%以下），与污泥的渗透系数相比，掺入垃圾土提高渗透系数1个数量级以上，明显改善了污泥的渗透特性。从渗透特性分析，污泥与垃圾土混合也是合理可行的。

图4 渗透系数随围压变化曲线Fig.4 Curves of permeability coefficient versus confined pressure

3 污泥与垃圾混填的边坡稳定分析

某垃圾填埋场填埋过程的典型断面图如图5所示。边坡坡角最小为14.4°，最大为17.67°，平均坡角约为10°。共分为6个阶段进行填埋。

计算整个边坡的安全稳定系数，将6个阶段填埋的垃圾体看成一个整体，计算时认为原地面坡体是稳定的。利用试验得到的不同污泥掺入比例下混合后的强度参数和圆弧滑动法，可以计算得到对应的边坡稳定安全系数。

图5 垃圾填埋场填埋过程的典型断面图Fig.5 Typical section of MSW landfill

考虑到污泥掺入生活垃圾后的渗透系数在10-6～10-5cm/s之间，在强降雨影响下垃圾体中的淋滤液不能很快下降，其水位位于填埋体的顶面，再考虑填埋工程中的降解产气影响[11]，这是垃圾填埋场边坡稳定分析最危险的工况。经计算[15]，降解产气的气压等值线如图6所示，计算得到的最大孔隙气应力为32 kPa。

图6 降解产气的气压等值线图（单位：kPa）Fig.6 Pore air pressure contours from degradation (unit: kPa)

在计算时，滑动圆弧上的淋滤液压力按水柱高度计算，气压通过等值线图内插得到。经过计算，得到填埋边坡在不同污泥掺入比例最危险工况下的安全系数见表2。滑动圆弧位置图见图7。

表2 不同污泥混合比例边坡稳定安全计算结果Table 2 Safe factors with different sludge contents

图7 考虑淋滤液水位和孔隙气应力滑弧位置图Fig.7 Failure surfaces considering leachate level and pore air pressure

由表2可见，随着污泥掺量的增加，边坡稳定安全系数先增大后降低。从强度特性试验结果得到黏聚力有随污泥掺量增加先增大后减小的规律，黏聚力在垃圾填埋场边坡安全系数计算中的影响比较大。因此，应根据污泥与垃圾混合后的强度特性试验，结合边坡稳定计算，确定符合工程安全需要的掺入例，不只是单纯控制污泥的掺入比例。表2结果显示，考虑降解产生孔隙气应力的影响，边坡安全系数下降约15%～20%。因此，在进行垃圾填埋场边坡稳定分析时，应进行考虑降解产气计算条件的复核，防止出现冒进的设计方案。

4 结 论

（1）污泥与垃圾土混合后，直剪试验的应力-位移曲线与生活垃圾的试验曲线类似，是硬化型的；强度参数比垃圾土的强度参数要低，比污泥的强度参数有很大提高，很好地改善了污泥的强度特性；黏聚力有随污泥掺量增加先增大后减小的规律，内摩擦角随污泥掺量增加降低。

（2）污泥掺入垃圾土后，渗透系数与垃圾土的渗透系数相当，没有劣化垃圾土的渗透特性；在污泥掺入比较低时很好地改善了污泥的渗透特性，污泥与垃圾混合样的渗透系数比污泥的渗透系数有显著提高。

（3）随着污泥掺量的增加，计算得到的边坡安全系数随污泥掺量增加先提高后降低；在实际工程中，单纯控制污泥掺入比例是不合理的，应结合污泥与垃圾土混合体的强度特性试验和边坡稳定计算结果，确定符合工程安全需要的掺入比例。

（4）考虑降解产气影响，边坡稳定安全系数会降低约15%～20%，工程设计中应予以重视。

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