典型污泥类危险废物的工程力学特性

孙娇，董路 ，岳波，王琪，杨延梅

1.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，北京 100012

2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074

据资料统计，2009年我国危险废物总产生量为1429.9万t，占当年固体废物总产生量的0.7%，而2010年危险废物总产生量已达1586.8万t［1-2］。虽然危险废物在整个固体废物中所占比例不大，但因其种类繁多(约47类，600多种)，且污染治理难度大、成本高［3］，是固体废物污染防治的重中之重。截至2010年底，全国有237个危废医废处置设施基本建成或投运，危险废物集中处置能力达96.41万t/a，与2003年《全国危险废物和医疗废物处置设施建设规划》实施前相比，危险废物处置能力增加了3.2倍［4］。危险废物的处置方法主要为焚烧、填埋和资源化利用等，其中，危险废物填埋是一种较经济和可行的处置方法。

污泥类危险废物具有来源广、总量多、力学性能相对较弱等特点。目前针对污泥类危险废物较为规范的填埋处置方法一般采取先固化稳定化，再进行填埋;或者直接与其他危险废物混合填埋。对我国多个危险废物填埋场的实际调研发现，由于对危险废物的力学特性缺乏认识，导致其大多未经任何预处理就直接填埋，污泥类危险废物的直接填埋易在填埋堆体内形成软弱层，从而对整个填埋场的安全运行造成巨大的潜在风险。例如，2009年，由于未经预处理的污泥填埋过多，地下压力过大，导致某生活垃圾填埋场发生严重的污泥管涌事故，污泥喷涌持续6 h，坡下道路被覆盖上一层80多cm厚的黑色污泥，且随时存在塌坝的危险;此外，夹带着刺鼻臭气的污泥污水混合物顺流而下进入附近河流，造成了巨大的环境损害。危险废物填埋场如发生类似安全事故，后果将不堪设想。现行的GB 18598—2001《危险废物填埋场污染控制标准》中对入场危险废物的要求仅考虑了其毒性物质浸出，且含水率控制在85%以下即可，对于污泥类危险废物的工程力学特性均没有相应的限制，目前也鲜有对污泥类危险废物工程力学特性的相关报道。笔者通过对三类典型污泥类危险废物的基本理化性质和工程力学特性的研究，提出了关于污泥类危险废物规范填埋过程的几点建议，以期为污泥类危险废物的安全填埋提供理论基础和数据支撑。

1 材料和方法

1.1 材料

三类典型的污泥类危险废物分别来源于杭州危险废物处置中心的抗氧污泥和黄泥、武汉危险废物处置中心的抗氧污泥。采用多点混合取样，采样量为15～20 kg。三类典型污泥类危险废物的表观特征如表1所示。

表1 三类典型污泥类危险废物的表观特征Table 1 Apparent characteristics of three typical sludge hazardous wastes

1.2 方法

1.2.1 基本理化性质测试

样品的含水率测定采用烘干法，并按照代表性试样中水的质量与总量之比进行计算;颗粒级配分析采用筛析法;比重测定采用比重瓶法;有机质浓度测定采用马弗炉灼烧法;密度试验采用煤油浸泡法，根据煤油浸泡前后样品的体积差和质量差进行确定。上述测定均依据GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》［5］进行。

1.2.2 工程力学特性测试

室内工程力学特性试验分为试样尺寸的固结试验、无侧限抗压试验、直剪试验和三轴压缩试验等［6-8］。笔者进行了前三种试验，另外，考虑到污泥类危险废物含水率较高的特殊性质，还进行了渗透试验和击实试验。

固体废物的压缩机理相当复杂，主要可概括为物理压缩、错动、固结和流变、物理化学变化、生化分解等［9-10］。固体废物的压缩性研究可以帮助分析填埋场在自身稳定过程中的沉降问题，由于废物是分层填埋和压实的，上一层废物可被视作下一层的荷载，整个填埋过程即是对下层废物的逐级加载过程。笔者主要测定三类典型污泥类危险废物在侧限与轴向排水条件下，分级(12.5，25，50，100，200，400，800和1600 kPa)加载时的变形和压力关系，以及在无侧限压力条件下抵抗轴向压力的极限强度，测试仪器为南京土壤仪器公司生产的WG型单杠杆固结仪以及应变控制式无侧限压缩仪。

固体废物的强度指标关键在于其抗剪强度参数的选择［11］。污泥类危险废物，因含水率高，固结刚开始时排出的水量大，而后逐渐缓慢。测试仪器为南京土壤仪器公司生产的ZJ型应变控制式直剪仪(固结快剪试验)。

用变水头渗透试验测定渗透系数，测试仪器为南京宁曦土壤仪器有限公司制造的TST-55型渗透仪。此外还进行了击实试验。

各试验测试方法均依据 GB/T 50123—1999进行。

1.3 数据处理与分析

试验数据用Excel 2007进行分析及绘制图表，SPSS 11.0软件进行统计分析和处理。

2 分析和讨论

2.1 基本理化性质

三类典型污泥类危险废物的含水率、比重、湿密度和有机质浓度测定结果如表2所示。由表2可知，三类典型污泥类危险废物的含水率差异较大，比重相当。B类污泥含水率为70%以上，对于填埋体的稳定性构成了极大威胁，不利于直接填埋;为保证填埋场废弃物堆填的稳定性，遵循安全运营和相对增大库容的原则，宜针对B类污泥进行脱水处理。而对于A类和C类污泥，则须根据填埋场的运营指标确定处理方案。

由表2可知，废弃物的比重与有机质浓度直接相关，有机质浓度高，则比重小;有机质浓度小，则比重大。总体上MSW的比重小于天然砂土和黏性土(2.6～2.8)，略小于有机质土(2.4～2.5)。测得的三类典型污泥类危险废物的比重(2.1～2.3)接近MSW。有机质浓度相差也不大，A类污泥有机质浓度最高(5.95%)，低于我国MSW的有机质浓度(10%～60%)［12］。由于废弃物中的有机质因发酵、腐烂及需氧和厌氧分解等作用引起填埋堆体质量和体积的减小，导致堆体不稳定，因此，建议在填埋处置时将有机质浓度较高的废弃物填埋在顶层。

表2 三类典型污泥类危险废物的基本理化性质Table 2 Basic physical and chemical properties of three typical sludge hazardous wastes

从表2还可看出，容重最大的为B类(17.15 kN/m3)，最小为 C 类(12.84 kN/m3)。Sharma等［13］的研究表明，MSW的容重平均值为3.1～13.2 kN/m3。比较而言，三类典型污泥类危险废物的容重均高于MSW，其主要与危险废物污泥的矿物组成、孔隙体积和含水率有关。在填埋场设计中，废弃物容重是应用最广的参数，从填埋容量、衬里、渗沥液和废气的收集与排放，以及封顶的设计等都需要，此外，其对于影响填埋场长期运行的沉降计算和稳定分析，也是必不可少的［14-15］，钱学德等［16］有关MSW工程性质的使用调查结果也显示，废弃物容重对于填埋堆体稳定的重要性。

2.1.1 最优含水率

图1 三类典型污泥类危险废物的击实曲线Fig.1 Compaction curve of three typical sludge hazardous wastes

通过击实试验得出三类典型污泥类危险废物的含水率与试样干密度的关系如图1所示。由图1可知，A，B和C三类典型污泥的最优含水率分别约为58%，54%和43%。因此，在进行填埋压实的过程中，可参照该数据尽可能使三类典型污泥类危险废物的含水率与其最优含水率接近，以利于减少压实成本，提高压实效率。

2.1.2 颗粒级配

三类典型污泥类危险废物的颗粒级配曲线如图2所示。由图2可知，A类和B类的控制粒径(d60)约为2 mm，有效粒径(d10)为0.075～0.25 mm;C类的d60约为0.5 mm，d10约为0.075 mm。据此估算d60/d10的不均匀系数可知，A，B和C三类典型污泥类危险废物的颗粒级配不均匀，填埋时应与其他粒径的废物混合填埋，以便于压实。从图2还可看出，A，B和C三类污泥的颗粒粒径相差较大，特别是C类黄泥的颗粒粒径较小，当填埋纵向分层较大时，宜采用粉碎后填埋或与其他颗粒级配的固体废物混合填埋，而且应采用较大压实功的机械碾压。

图2 三类典型污泥类危险废物的颗粒级配Fig.2 Particle size distribution curve of three typical sludge hazardous wastes

2.2 工程力学特性

2.2.1 渗透系数

确定MSW的水力参数在设计填埋场淋滤液收集系统和制定淋滤液回流计划时十分重要，对于危险废物填埋场而言，渗透系数是其中的一个关键参数。

三类典型污泥类危险废物的渗透试验结果如图3所示。由图3可知，三类典型污泥类危险废物的渗透系数相差较大，A类最高为9.458×10-3，C类低至10-4数量级。对于MSW渗透系数的研究，Qian［17］利用美国密歇根州某运行中填埋场的三年现场实测资料，推算出MSW的渗透系数值为9.2×10-4～1.1 ×10-3cm/s;朱向荣等［18］对几种典型的MSW填埋场进行试验，结果表明，MSW的平均渗透系数为2×10-4～4×10-3cm/s。与MSW相比，三类典型污泥类危险废物的渗透系数变化范围明显更大。

图3 三类典型污泥类危险废物的渗透系数Fig.3 Permeability coefficient of three typical sludge hazardous wastes

渗透系数较大的填埋废物有利于渗滤液的快速排除，并汇入到渗滤液收集管道，但同时渗流使浸润线以下的填埋堆体受到水的上浮力作用，从而降低填埋废物的有效重度和抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)，可能引发垃圾堆体的渗透变形，产生堆体沉陷［19］，不利于堆体稳定，而且较大的孔隙也急剧缩减了填埋场库容。因此渗透系数变化范围越大，越不利于填埋堆体的稳定性。

借鉴该试验数据，在对污泥类危险废物填埋堆体进行稳定性计算时，初始孔隙率从10-2数量级依次减小到10-4数量级，以此判断堆填过程中发生失稳的可能性，结果可用于指导堆填操作的规范进行。需要注意，该试验渗透系数的测定是在未经压实的污泥废物中进行的，而压实后的污泥废物其渗透系数应低于该测定值，故在实际工程稳定性计算时，宜引入附加荷载以确保计算的有效性。

2.2.2 抗压强度

三类典型污泥类危险废物的固结和无侧限抗压试验结果如图4所示。从图4可以看出，A类污泥当压实力(P)为12.5～200 kPa时，其孔隙体积(以孔隙比计，e)缩减较快，e12.5为 1.1469，e200为0.8113;当压实力为200～1600 kPa时，缩减幅度明显减小，而且逐渐趋于稳定，e1600为0.7044。B类污泥当压实力为12.5～400 kPa时，孔隙体积急剧缩减，e由0.9529减为0.4707;当压实力为400～1600 kPa时，减小幅度逐渐减弱而趋于稳定，e1600为0.3866。C类污泥当压实力为12.5～800 kPa时，孔隙体积减小幅度较大，e由1.3279减为0.6500;当压实力为800～1600 kPa时，孔隙体积依旧有一定的减小空间，可进一步增加荷载以增大其密实度。综合三组曲线，A类和B类的压实力宜为400 kPa，C类的压实力可提高到800 kPa。

图4 三类典型污泥类危险废物的ei－P对数关系Fig.4 The ei-P logarithmic curve of three typical sludge hazardous wastes

从图4可以看出，三条曲线均接近直线分布。一般而言，处于正常固结状态下固体废物的压缩曲线(ei-P对数关系曲线)应为直线［20］，说明该次固结试验与实际填埋的固体废物正常压缩情况相符。

三类典型污泥类危险废物的无侧限抗压强度结果如图5所示。由图5可知，三类典型污泥类危险废物的无侧限抗压强度相差较大，C类最高(320.884 kPa)，B 类为 119.204 kPa，A 类仅为63.365 kPa。因此，进行填埋时，宜选择C类作为底层填料，A类作为顶层填料，B类作为中间填料进行混合填埋，这样有利于保持堆体稳定性。

图5 三类典型污泥类危险废物的无侧限抗压强度Fig.5 Unconfined compression strength of three typical sludge hazardous wastes

2.2.3 抗剪强度

直剪试验结果如图6所示。由于该试验是将放置多天的三类污泥样按前期实测含水率兑水拌匀制样，所以试样含水率与之前有变化。A类含水率为51.21%，黏聚力为 1.0474 kPa，内摩擦角为16.6518°;B类含水率为 59.31%，黏聚力为0.4030 kPa，内摩擦角为18.0838°;C类含水率为56.00%，黏聚力为 3.0220 kPa，内摩擦角为13.8935°。结果表明，三类典型污泥类危险废物的黏聚力相差较大，内摩擦角相差不大。

图6 三类典型污泥类危险废物的直剪强度Fig.6 Direct shear strength of three typical sludge hazardous wastes

钱学德等［16］通过研究有关MSW的资料，建议大多数垃圾填埋场抗剪强度参数的取值范围:黏聚力为0～23 kPa，内摩擦角为24°～41°。与其相比，三类典型污泥类危险废物的抗剪强度相对较低，会给填埋处置带来极大的安全隐患。由于决定黏聚力大小的主要因素是废物垃圾中的黏土粒、有机质分解产生的胶结物质及废物本身的逐渐压密程度［21］，因此，对于三类典型污泥类危险废物，在填埋前必须经过严格的脱水、压实、固化等预处理，以提高其抗剪强度。

3 结论

(1)三类典型污泥类危险废物的最高含水率为70%以上，试验测得A，B和C三类典型污泥类危险废物的最优含水率分别约为58%，54%和43%。在填埋过程中应选择较大压实功率的机械进行压实预处理，以使其尽量接近最优含水率再入场填埋。

(2)三类典型污泥类危险废物比重与MSW相当，有机质浓度普遍低于我国MSW的有机质浓度;最大容重为17.15 kN/m3，超出MSW的容重范围，分析原因，可能与污泥类危险废物的矿物组成、孔隙体积和含水率有关。

(3)未经压实的三类典型污泥类危险废物的渗透系数高于MSW范围。渗滤液面升高导致废物高含水率和低抗剪强度，不利于填埋堆体的稳定性，压实后的污泥渗透系数应低于该测定值。在实际工程稳定性计算时，宜引入附加荷载以确保计算的有效性。

(4)三类典型污泥类危险废物的含水率均低于GB 18598—2001的废物入场控制含水率(85%)，但颗粒级配不均，直接剪切黏聚力最高只有约3 kPa，无侧限抗压强度不同种类相差较大，最高约320 kPa，渗透系数大而变化范围广，如进行直接混合填埋，势必会对危险废物填埋场构成巨大的安全隐患。

［1］环境保护部.中国环境状况公报:2008—2010［R］.北京:环境保护部，2009-2011.

［2］卢志强.工业危险废物在处置过程中的控制与管理［J］.环境科学与管理，2010，35(3):30-33.

［3］代江燕，李丽，王琪.中国危险废物管理现状研究［J］.环境保护科学，2006，32(4):47-50.

［4］环境保护部.2010年固体废物管理工作综述［R］.北京:环境保护部，2011.

［5］国家质量技术监督局，建设部.GB/T 50123—1999 土工试验方法标准［S］.北京:水利部，1999.

［6］陈云敏，王立忠，胡亚元，等.城市固体垃圾填埋场边坡稳定分析［J］.土木工程学报，2000，23(3):92-97.

［7］崔广强，林从谋，涂帆.现代垃圾填埋场稳定性研究现状［J］.环境卫生工程，2007，15(5):4-7.

［8］GABR M A，VALERO S N.Geotechnical properties of municipal solid waste［J］.Geotechnical Testing J，1995，18(2):241-251.

［9］MANASSERO M，van IMPE W F，BOUAZZA A.Wasted is postal and containment technical committee on environmental geotechnics:proceeding of 2ndinternational congress on environmental geotechnics［C］.［S.l.］:ISSMFE，1996:193-243.

［10］周健，刘文白，贾敏才.环境岩土工程［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［11］方玲.垃圾填埋场边坡稳定性数值模拟研究［D］.泉州:华侨大学，2008.

［12］柯瀚.城市固体废弃物填埋场的沉降、静力和动力稳定研究［D］.杭州:浙江大学，2002.

［13］SHARMA H D，DUKES M T，OLSEN D M.Field measurements of dynamic Moduli and Poisson's ratios of refuse and underlying soils at a landfill site［C］//LANDVA A ，KNOWLES G D.Geotechnics of waste fills:theory and practice.Philadelphia:ASTM STP 1070，1990:57-70.

［14］钱学德，郭志平，施建勇，等.现代卫生填埋场的设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［15］QIAN X D，KOERNER R M，GRAY D H.Geotechnical aspects of landfill design and construction［M］.New Jersey:Prentice Hall Inc，2002.

［16］钱学德，郭志平.城市固体废弃物(MSW)的工程性质［J］.岩土工程学报，1998，20(5):1-6.

［17］QIAN X D.Analysis of allowable reintroduction rate for landfill leachate recirculation［D］.Lansing Michigan:Michigon Department of Environmental Quality，1994.

［18］朱向荣，谢新宇，王朝晖，等.杭州天子岭垃圾填埋体土工性状试验研究［J］.土木工程学报，2004，37(10):53-58.

［19］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［20］胡敏云，陈云敏，温振统.城市垃圾填埋场垃圾土压缩变形的研究［J］.岩土工程学报，2001，23(1):123-126.

［21］张振营，吴世明，陈云敏.城市生活垃圾土性参数的室内试验研究［J］.岩土工程学报，2000，22(1):35-38. ○