垃圾焚烧底灰和石灰固化污水污泥性质的试验研究

崔广强，孙家国

(1.福建江夏学院工程学院，福建福州350108；2.武夷学院土木工程与建筑学院,福建武夷山354300)

垃圾焚烧底灰和石灰固化污水污泥性质的试验研究

崔广强1，孙家国2

(1.福建江夏学院工程学院，福建福州350108；2.武夷学院土木工程与建筑学院,福建武夷山354300)

通过对污水污泥掺加垃圾焚烧底灰和石灰进行固化，确定了最小石灰掺加量，测试固化体的液塑限、无侧限抗压强度、击实性和微结构特征，通过研究发现随着垃圾焚烧底灰掺量的增大，液塑限及塑性指数均减小，无侧限抗压强度增大，当掺量约一半时，28d时的无侧限抗压强度可达60KPa以上；对于纯污泥，其最大干密度为7.9KN/m3，最优含水量为66%，随着垃圾焚烧底灰掺量的增大，最优含水量降低，最大干密度增大。最后给出了固化强度的预测公式，可用于预测不同龄期和不同掺量时的强度。

垃圾焚烧底灰；污泥；固化；填埋

污水污泥是在水处理过程中形成的泥状物质，含有大量难降解有机物、病原微生物和寄生虫卵、重金属及氮、磷等物质，如不妥善处理，会造成严重的二次污染[1-5]。为解决这一问题，国内外的研究者先后提出了减量化、资源化和无害化的要求[6-10]，主要从土地利用、填埋及热处理等三个方面进行研究，而目前我国主要以填埋为主，由于污水处理厂脱水后的污泥含水量较高，工程性质较差，直接填埋不能符合要求，故需要进行固化处理才能用于填埋[11-12]。

目前，不少学者研究采用多种材料对污水污泥进行固化处理，取得了一定的固化效果[13-16]，有的固化需要消耗一定资源[13-15]。同时我国许多垃圾焚烧站产生的大量垃圾焚烧底灰，目前仍做固废处置，尚未得到有效利用。垃圾焚烧底灰的某些化学性质与水泥中的类似，工程性质与粗骨料的类似，然而这些性质均没有得到利用而被直接送到垃圾填埋场进行填埋。因此，本文利用垃圾焚烧底灰的化学性质与工程性质，与污水污泥混合固化，同时掺加一定量的熟石灰，研究固化后的工程性质，为污泥填埋和垃圾焚烧底灰处置提供参考。

1 试验材料与方法

试验所用的污泥取自福建省泉州市某污水处理厂，为原生污泥，已经脱水处理，呈黑灰色，恶臭，其物理性质为：pH值位于7.9～8.1之间，含水量高达223%，其它性质指标汇总于表1。试验中加入熟石灰，其主要目的是杀死污泥中的微生物，减小恶臭。垃圾焚烧底灰取自泉州市某垃圾焚烧发电厂，呈现黑褐色，主要由5种不同成分组成，包括建筑垃圾、玻璃、陶瓷碎片、金属和其它未燃尽的有机质等，其中粗颗粒主要由建筑垃圾、金属和熔融体组成。在使用前先作预处理：（1）首先利用磁选设备将垃圾焚烧底灰中的金属清除，清除的金属备回收利用；（2）采用破碎机将底灰进行破碎，使得粒径均小于1mm；（3）采用有机氯化物水溶液对筛分的底灰进行喷洒消毒和杀菌。试验中所用的熟石灰和垃圾焚烧底灰的性质指标也汇总于表1。

试验中，采用不同掺量的熟石灰和垃圾焚烧底灰分别固化污泥，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）测试固化体不同固化龄期的工程性质。试验前首先确定最小熟石灰掺量，根据Sung等（2002），石灰与污泥混合后的pH高达12时，才能有效地杀死细菌，根据此标准，判别石灰的最小掺量，不同掺量的石灰与污泥混合后的pH值汇总于表2，可以看出，随着石灰掺量的增大，混合后的污泥的pH也增大，当石灰掺量为6%时，不能满足要求，因此基于pH值试验结果，最低的熟石灰含量为8%。

表1 污泥和所用固化材料的性质

表2 不同固化龄期的pH值

2 试验结果

2.1 液塑性指标

使用锥式液限仪测定固化体的液限，首先将一定量的石灰（掺量为8%，为石灰质量占湿污泥质量的比例）、焚烧底灰和污泥混合后装入试验所用的土杯，静置2小时后测试其液限；使用搓条法测试固化体的塑限，测试结果绘制于图1中，可以看出随着垃圾焚烧底灰掺量的增大，液塑限逐渐减小，塑性指数逐渐减小；当垃圾焚烧底灰掺量为20%增大到80%时，塑限指数为9降低为1，若将固化体视为土体，根据固化体的粒径和塑限指数，固化体属于粉土。

图1 固化体的液塑限

2.2 无侧限抗压强度

为了研究不同垃圾焚烧底灰掺量对固化强度的影响，采用无侧限抗压强度试验测试不同固化龄期的无侧限抗压强度。试验前，首先制备试样，先将所取的污泥与一定量的垃圾焚烧底灰充分混合搅拌，然后倒入试样模中，试样模呈圆柱形，直径为5cm，高度为12.5cm；用塑料袋密封固化体并置于水中进行养护，养护时间为28d，分别测试不同固化龄期为3、7、14、21、28d时的工程性质。

当垃圾焚烧底灰掺量不同时，不同养护时间的无侧限抗压强度测试结果绘制于图2中，固化后的无侧限抗压强度指标随垃圾焚烧底灰的掺量增加和固化龄期的增长而增大，强度的增长主要有二：一是垃圾焚烧底灰和污泥中无机成分中的少量活性氧化硅和氧化铝发生反应，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙晶体；二是氢氧化钙晶化产生胶凝作用，也可使固化污泥强度得到提高。当掺量约一半时，28d时的无侧限抗压强度可达60KPa以上。

图2 不同龄期和掺量固化后的无侧限抗压强度

2.3 击实试验

为了获得固化体最大的密实度，提高其强度，对固化体进行击实试验。试验前，首先将固化材料与污泥进行混合，并静置2小时后进行，污泥的高含水量可以通过掺加熟石灰和垃圾焚烧底灰，使其降低。不同掺量的固化材料固化后的击实试验结果见图3所示。可以看出，对于纯污泥，其最大干密度为7.9KN/m3，最优含水量为66%；随着熟石灰和垃圾焚烧底灰掺量的增大，最优含水量逐渐降低，达到的最大干密度逐渐增大。当底灰掺量达80%时，最大干密度可达到9.7KN/m3，最优含水量为38%。

图3 不同掺量固化材料的击实试验结果

2.4 微结构特征

为研究固化体的微结构特点和水化产物的形态及分布情况，进行电镜扫描（SEM），仪器为Philips XL-30型扫描电镜。固化龄期对微结构有影响，其中石灰掺量为8%，垃圾焚烧底灰掺量为40%，固化7d和28d的电镜扫描结果见图4所示，图中，白色代表土颗粒，黑色代表孔隙，可以看出，固化龄期越长，孔隙越小。固化污泥的颗粒孔隙小、密实度高就表明其强度高、渗透系数小。随着时间，石灰中的Ca(OH)2与土颗粒表面、垃圾焚烧底灰和污泥中无机成分中的少量活性氧化硅和氧化铝发生反应，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙晶体。生产的晶体将污泥和固化材料颗粒之间的孔隙填充，并将颗粒紧紧连接成一体，相应强度得以提高。

图4 不同固化龄期时的固化体微结构特征

3 强度关系

为了使得污泥满足填埋要求，固化材料掺量要大于某一值和固化龄期要足够长时间，为了预测固化体强度，分析影响强度的主要因素并建立经验关系式。目前对于取龄期为多长时间的固化强度作为设计强度，仍没有统一的标准，若取28d的固化强度作为填埋设计强度，则可表示为：

式中，α和β分别为垃圾焚烧底灰的掺量和石灰掺量（%）；ω为污泥含水量（%）。

垃圾焚烧底灰的掺量和石灰掺量越大，固化龄期越长，污泥含水量越小，则固化强度越大，相反则越小。因此对于目前常用的带式脱水机脱水后的污泥，当石灰掺量为8%时，14d的无侧限抗压强度与垃圾焚烧底灰掺量的关系为：

28d的无侧限抗压强度与垃圾焚烧底灰掺量的关系为：

德国资料指出，脱水后的污泥与垃圾混合填埋时，要求污泥含固率≥35%、抗剪强度>25KPa。以此抗剪强度为标准，加固后的无侧限抗压强度要大于50 KPa[17]。对于试验中的固化污泥，若固化龄期取为28d时，垃圾焚烧底灰掺量只要20%时就能满足要求，若要养护龄期较短，相应的垃圾焚烧底灰掺量就需提高。由于污泥的低渗透性，固化反应较慢，28d养护龄期确实较长，可能会导致现场污泥堆积体积巨大的问题，可通过三种方法予以解决：（1）增大场地面积，消纳较大体积的污泥；（2）提高垃圾焚烧底灰掺量，如提高到40%时，养护15d即可达到填埋要求；（3）添加早强剂，提高固化污泥的早期强度。

4 结束语

随着垃圾焚烧底灰掺量的增大，液塑限逐渐减小，塑性指数逐渐减小；当垃圾焚烧底灰掺量为20%增大到80%时，塑限指数为9降低为1，若将固化体视为土体，根据固化体的粒径和塑限指数，固化体属于粉土。无侧限抗压强度指标随垃圾焚烧底灰的掺量增加和固化龄期的增长而增大，当掺量约一半时，28 d时的无侧限抗压强度可达60 KPa以上。对于纯污泥，其最大干密度为7.9 KN/m3，最优含水量为66%；随着熟石灰和垃圾焚烧底灰掺量的增大，最优含水量逐渐降低，达到的最大干密度逐渐增大。试验所得的固化污泥强度预测公式，可用于预测不同龄期的污泥固化强度。

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（责任编辑：华伟平）

Test Study on the Properties of Sewage Sludge Solidified by Waste Incineration Bottom Ash and Lime

CUI Guangqiang，SUN Jiaguo
（1.College of Engineering,Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108; 2.College of Civil Engineering,Wuyi University,Wuyishan，Fujian 354300）

Test on properties of the sewage sludge solidified by waste incineration bottom ash(WIBA)and lime with different amount was performed,the minimum amount of lime to add in was determined,and the liquid limit,plastic limit,unconfined compressive strength, compaction properties and micro-structural features were measured.Some conclusions were gotten:(1)the liquid limit,plastic limit would decrease,however the unconfined compressive strength would increase as the amount of WIBA increased,when the amount was about a half,the unconfined compressive strength would be over 60kPa;(2)For pure sludge,the maximum dry density was 7.9 kN/m3,optimum water content was 66%;(3)With the amount of WIBA increased,the optimum water content decreased and maximum dry density increased.Finally,the formulas to predict the strength were put forward,and could be used to calculate the strength with different WIBA amount and solidification age.

waste incineration bottom ash;sludge;solidification;landfill

X705

A

1674－2109(2016)09－0057－04

2016-03-17

福建省自然科学基金项目（2014J01172）,福建江夏学院青年科研人才培育基金项目（JXZ2015004）。

崔广强（1980-），男，汉族，讲师，主要从事岩土工程的教学与研究。