城市生活污泥真空固结特性试验研究

武亚军 唐 欣 崔春义 王光坤 胡 挺

(1上海大学土木工程系, 上海 200444)(2大连海事大学土木工程系, 大连 116026)

随着我国城市化建设进程的深化,对生活污水处理的要求大幅度提高,污水中的固体颗粒——污泥的出产量也日益增多.污泥中含有大量的细菌、病毒和微生物,若不能妥善处理将会对环境造成二次污染.在我国80%的市政污泥采用填埋处置方式,由于污水处理厂出来的污泥含水率仍高达80%左右,所需要的填埋场容积就很大,目前许多地区的填埋场都已“泥满为患”,而由于用地形势日趋紧张,后续污泥面临“无场可用”的困境,因此,对现有填埋场中的污泥进行减量化已成为目前许多地区解决燃眉之急的唯一出路.

填埋场中的污泥减量化其实就是对污泥进行深度脱水[1],减小污泥的体积,腾出更多的空间以便容纳更多的污泥.为了对污泥进行深度脱水,常采用“化学调质+板框压滤”方法,该方法是先对污泥进行化学调质,然后再进入板框压滤设备进行机械脱水[1-3].但如果采用该方法处理填埋场中的污泥,则意味着要先将污泥挖出,经过调质、压滤处理后,再回填到污泥坑才能达到减量化的目的,这一过程不仅工序繁琐复杂,而且容易导致污染物扩散,成本也高,因此寻求一种高效、环保的原位处理方法势在必行.

真空预压技术具有施工工艺简单、单次处理体量大、成本低等诸多特点,被广泛应用于软土地基处理工程中[4-5].近年来,一些学者将其推广应用于高含水率的废弃泥处理中[6-8],由于市政污泥具有与普通软土不同的特性[9],含有大量的有机质,其中水的存在状态以结合水为主,直接进行真空预压难以脱水,必须添加相应的调质药剂对其进行改性处理[10-11],将污泥中的部分结合水变为自由水,再进行真空预压.占鑫杰等[12]将真空预压技术应用到填埋库污泥的减容中,通过中试试验和现场试验研究了FeCl3调质污泥的处理效果,发现该技术可实现污泥减量40%以上.詹良通等[13]针对中国成都长安填埋场的市政污泥,研究了FeCl3，CaO和粉煤灰调质药剂对真空预压处理过程中排水板周围易形成低渗透层的改善作用.Lin等[14]通过对采用FeCl3调质的污泥进行过滤试验、固结试验和现场试验,表明调质污泥的固结系数得到大幅提高,含水率从89.6%降低至58.3%,效果十分明显.Lin等[15]采用3种无机添加剂,研究添加了水泥的污泥固化稳定效果,结果表明钙基膨润土是提高水泥固化稳定污泥效果的良好添加剂.Bourgès-Gastaud等[16]将高岭石和淤泥混合配制成8种不同粒度分布过滤高黏土含量污泥,结果表明污泥组成是影响最终脱水状态的最重要因素.Zemmouri等[17]研究了壳聚糖作为生态友好型絮凝剂在城市污泥化学调质中的应用潜力.Lin等[18]研究了无机混凝剂与壳聚糖协同作用对污泥脱水效果的影响,结果表明,二者协同调理污泥脱水效果明显优于单一混凝剂.

目前,作为中国最大城市的上海面临异常艰巨的污泥原位处理任务,为了寻求上海城市生活污泥原位处理方法,本文首先对经FeCl3和CaO药剂调质的污泥进行了比阻试验和单向固结试验,特别是对FeCl3和CaO各自单独作用及联合作用的效果进行了对比,表明FeCl3和CaO分别具有不同的调质作用和机理.然后,对相应药剂调质后的污泥进行了室内真空预压试验,探究了该方法在上海污泥原位处理中的可行性.

1 污泥试样和药剂

污泥试样取自上海某个区的生活污水处理厂,为添加PAM并经离心脱水后的污泥,以下将该污泥称为原始污泥.由于污水处理厂污水的来源相对固定,故所产生的污泥性质也相对稳定,污泥的各项基本指标见表1.为保证试验期间所有试验中污泥的性质一致,将污泥试样存放于4 ℃的恒温冷藏环境中.

表1 原始污泥各项基本指标

注:含水率为水的质量与污泥总质量之比.

试验中采用的调质药剂为FeCl3和生石灰,FeCl3由国药集团化学试剂有限公司生产,为分析纯级别的无水FeCl3；生石灰是细度为200目的粉末,纯度在96%以上.

2 比阻试验

污泥比阻是指单位质量的污泥在一定压力下过滤时单位过滤面积上受到的阻力,它是表示污泥脱水性能的综合性指标,比阻愈大,其脱水性能愈差,反之愈好[19].污泥比阻可通过真空抽滤试验测定,试验装置如图1所示.

2.1 试验方案

为了避免药剂调质过程中由于药剂分布不均匀而影响调质效果,先在污泥中加水,将其含水率调至88%,再分别加入添加量(FeCl3占污泥干基的质量比)为0,10%,20%,30%,40%的FeCl3药剂进行调质处理.

图1 试验装置简图

FeCl3是以溶液形式加入,故需要先将无水FeCl3颗粒溶解在水中,配成不同浓度的溶液,然后取不同量的溶液加到污泥之中,分别静置2 h,让药剂与污泥充分反应.之后,取调质好的污泥100 mL放于布氏漏斗中抽滤,试验真空度设为80 kPa,抽滤15 min后停止,记下不同抽滤时间对应的抽滤量,最后计算出污泥的比阻(SRF).

2.2 结果分析

图2为FeCl3添加量与比阻的关系,从图中可看出,在加入不同量的FeCl3时,未经调质(即添加量为零)的原始污泥的比阻最大,为158×1012m/kg,属于难以脱水区间[20]；经FeCl3调质后,污泥的比阻较原始污泥减小8.2%～31.6%,脱水性能明显改善.当 FeCl3的添加量低于20%时,随着添加量的增加,污泥比阻快速减小,污泥脱水性能变好；当添加量大于20%时,污泥比阻并未继续减小,反而有所增大,说明污泥脱水性变差.经分析,这可能是因为FeCl3添加量少时,混凝作用不能将全部的污泥胶体颗粒去除,混凝效果较差；FeCl3添加量过多时,部分水解物不能以污泥胶粒为核发生卷扫网捕,最终悬浮于液体中影响其混凝效果[21].因此,FeCl3的调质作用存在最优添加量,本试验中FeCl3的最优添加量为20%.

图2 FeCl3添加量与污泥比阻的关系

3 固结试验

污泥真空预压脱水过程实质是排水固结过程,即在总应力作用下孔隙水排出的过程.因此,通过一维固结试验研究污泥的固结特性,可为真空预压处理污泥脱水提供一定的参考.

3.1 试验方案

试验器材采用GJZ-2双联中压固结仪,由于调质污泥压缩性好,采用高度为2 cm的环刀进行固结试验得到的泥饼厚度太薄会对试验结果造成影响,故本试验中采用4 cm高的环刀.

根据比阻试验结果,单独用FeCl3调质污泥时,添加量为20%时脱水性能最好,因此在固结试验中FeCl3添加量为20%,生石灰掺量为30%(均为占污泥干基的质量比).药剂调质方案如表2所示.2种药剂混合添加时的添加顺序为:先添加FeCl3,中间间隔2 h后再添加CaO,每次添加后均充分搅拌均匀.其中FeCl3以溶液的形式加入(加水稀释污泥前,将FeCl3溶解在这部分水中)、生石灰以粉末喷洒搅拌的方式加入,上下翻搅,保证生石灰分布均匀.调质后污泥的状态如图3所示.

为使药剂充分作用,4组试样均静置24 h后进行固结试验,固结过程中采用双面排水.由于污泥强度很低,为避免荷载过大污泥被挤出,在固结试验加载过程中,前几级施加的荷载要比普通土体的荷载要小,各级荷载为3.125, 6.25, 12.5, 25, 50, 100 kPa,每级荷载下以沉降量小于5 μm/h为稳定标准.

表2 药剂调质方案

注:药剂掺量均为占污泥干基的质量分数.

(a) F0

(b) F1

(c) F2

(d) F3

图3 调质污泥状态

3.2 结果分析与讨论

图4为调质污泥的压缩曲线.由图可见,调质污泥的初始孔隙比非常高,达到10左右,加载过程中污泥的孔隙比随着固结应力增加迅速减小,之后逐渐趋于平缓,在12.5 kPa荷载时孔隙比减小至3.5～4.4,占总孔隙比变化量的69%～77%,说明调质污泥在低应力下较为敏感,变形量大.

图4 调质污泥的压缩曲线

不同药剂调质的污泥,压缩特性有所差异.F0和F1的初始孔隙比最大,随着试验的进行,孔隙比逐渐减小,二者降低的幅度比较接近,且4组试验中这两者的孔隙比最低；F3初始孔隙比最小,减幅也最小,而最终孔隙比最大；F2介于2种情况之间.这可能是因为:① 掺入的生石灰颗粒比较细小,能够填充到污泥内部的孔隙中,使得与未掺入生石灰的污泥相比,初始孔隙比低；② 掺入生石灰后,污泥中的无机固体颗粒增多,固体颗粒彼此接触形成骨架[22-23],增强了抗压缩性能；③ FeCl3具有解凝作用[24],使较大的污泥絮体分解成均匀的小絮体,释放出更多的结合水,使调质污泥更加密实,压缩性降低更加明显.

污泥固结系数与应力之间的关系如图5所示,从图中可看出,经不同药剂调质后污泥的固结系数都达到了10-6～10-5cm2/s量级,比原始污泥的10-7～10-6cm2/s有很大程度的提高,说明药剂调质可加快污泥的固结,从而缩短了固结时间.

随着固结应力的增加,4组污泥试样的固结系数具有不同的变化规律.当固结应力小于12.5 kPa时,污泥的固结系数随应力的增加而减小,其中F3的固结系数减幅最大,从1.13×10-5cm2/s减少至4.27×10-6cm2/s；当固结应力大于12.5 kPa时,F0与F1的固结系数逐渐减小,但变化幅度不大,而F2和F3的固结系数都有增大的趋势,这说明掺入生石灰后能够降低污泥的压缩性,当污泥压缩到一定程度后强度增加较快,在固结应力作用下会比较快地达到稳定.

图5 调质污泥固结系数与应力的关系

为了考查调质作用对污泥渗透性的影响,根据固结系数计算得出了在不同固结应力下污泥的渗透系数,如图6(a)、(b)所示.当固结应力为3.125 kPa时,F0,F1,F2,F3的渗透系数分别为3.96×10-8, 1.08×10-7, 8.24×10-8, 1.60×10-7cm/s.

(a) 0～100 kPa段

(b) 12.5～100 kPa段

可看出,4组污泥试样中F0和F2的渗透系数在10-9～10-8cm/s数量级范围内,F3和F1(在3.125 kPa应力下)的渗透系数达到10-7cm/s数量级,渗透系数分别是F0的4.0倍和2.7倍；随着固结应力增大,渗透系数大幅减小,降至10-9cm/s量级.这说明药剂的调质作用可改善污泥渗透性,在较低应力下调质污泥渗透性较好,随着固结应力增大,渗透性变差.

当固结应力小于50 kPa时,4组试样的渗透系数大小顺序为F3>F1>F2>F0,即FeCl3和生石灰混合调质污泥的渗透性最好,单独FeCl3调质污泥次之,单独生石灰调质效果较差,不加任何药剂的污泥渗透性最差.当固结应力大于50 kPa后,4组试样的渗透系数都有所减小,且F2的渗透系数大于F1,这是因为在固结应力较大时,单独FeCl3调质的污泥变形较大,孔隙继续被压缩,渗透性继续降低；而生石灰调质的污泥骨架强度较高,孔隙变形小,使得渗透性好于F1.

4 真空预压试验

4.1 试验方案

真空预压试验采用自制装置进行,该装置主要由真空泵、抽滤瓶、模型箱和真空表等组成,如图7所示.试验箱分为桶体和密封盖2部分.桶体采用有机玻璃材料,高度为500 mm,上部开口,内径为180 mm；密封盖采用20 mm厚的硬质有机玻璃板(便于测量沉降).

(b) 装置实物图

为保证试验的可比性,真空预压试验采用与前述比阻试验和固结试验中相同的污泥、药剂和调质方式,试验同样包括4组,即原始污泥、单独添加FeCl3、单独添加生石灰、FeCl3和生石灰混合调质污泥,序号也相对应,即F0,F1,F2,F3.只是污泥的量不同,脱水污泥的质量为4 kg,先加水稀释至含水率为88%再添加药剂.添加药剂之后将试样装入试验箱,静置24 h使药剂充分与污泥反应之后进行真空预压试验.抽真空前做好模型箱的密封,使真空度稳定在80 kPa以上,采用上部和底部双面排水方式,抽真空过程中连续记录抽滤瓶真空度、污泥沉降量和排水量.当模型箱抽滤过程中排水速率小于2 mL/h时停止抽滤.

4.2 试验结果分析

4.2.1 真空度

抽滤过程中真空度变化如图8所示,抽真空开始,真空度(瓶内真空度)在很短时间内上升到80 kPa,之后在整个抽真空过程中稳定在85 kPa左右,说明密封效果很好,为试验创造了良好的条件.

图8 抽滤过程中真空度变化

4.2.2 排水量

真空预压排水总量与排水速率分别如图9和图10所示.从图9可看出,未经药剂调质的原始污泥 (F0) 处理效果最差,在2 h后几乎不再排水,总计排水200 mL.经药剂调质的污泥脱水性能得到明显改善,F1,F2,F3三组试样排水量都有不同程度的增加,抽滤10 h后排水量分别达到了740, 218和2 320 mL,分别是原始污泥排水量的6.2, 1.8和19.3倍.排水量试验结果表明,添加药剂提高了污泥的渗透系数,能够促进污泥的排水固结.

从图10(a)、(b)可看出,F3的排水速率最快,其次是F1,F2较慢,F0最慢.F3调质后的污泥固液分离性能最好,排水速率在前10 h内一直最大,1 h的排水速率达到了1 030 mL/h,完成了总排水量的38.6%,排水速率远远高于F1和F2.在10 h后,F3中调质后的污泥排水速率不断减小,在31 h低于F1和F2,最终抽滤40 h停止,总计排水2 665 mL.F1和F2排水一直较稳定,但排水速率小,使排水时间较长,最终排水量少.F2的排水速率大于F1,达到停止抽滤的时间也较长,说明F2调质效果要好于F1,最终排水量是F1的3倍.

图9 抽滤排水量

(a) 0～80 h时间段内

(b) 10～80 h时间段内

4.2.3 含水率

根据排水量可得到泥饼在抽滤过程中含水率的变化,这里是指整个泥饼的平均含水率,称为计算含水率,如图11所示.可看出,调质后的污泥初始含水率是不一致的,F0最大,其次是F1和F2,F3最小,这是因为调质过程中加入药剂增加了污泥的含固率,药剂添加量越多,初始含水率越小.随着抽滤时间变长,F0和F2含水率几乎没有降低,呈水平线.F1含水率虽在降低,但幅度较小,抽滤75 h后含水率从85.9%降至81.1%.F3含水率在前10 h几乎呈直线下降,从83.0%迅速降至73.0%,之后趋于平缓,最终含水率将降低至70.4%.含水率的变化趋势受到排水速率的影响,排水越快,含水率降低越快.

图11 计算含水率变化

对真空预压处理后的泥饼,分别取泥饼的上表面以下1 cm处、中心处、下表面以上1 cm处测量含水率,结果如图12所示.抽真空前,F0含水率为88.0%,随着药剂掺入量的增加,调质污泥的含水率逐渐降低.真空预压处理后,F0含水率与真空处理前十分接近,也在87.5%左右,且含水率沿高度变化不大,泥饼的上下表面出现了薄薄的硬层,含水率较低,上下表面与中心处含水率仅相差20%左右,这也验证了比阻试验中原始污泥的难脱水性.

图12 含水率沿泥饼高度分布

F1和F2同样只是在上下表层出现硬层,中心含水率仍然高达83.3%,F2上下表面处含水率低于F1,这是因为F2中添加了生石灰,含固率高；F1中心处含水率低于F2,这说明F1的调质效果和渗透性要好于F2,泥饼中心处的部分水分能够排出,含水率降低.F3经真空预压处理后固液分离效果最好,含水率降至70.6%左右,且整个泥饼含水率接近一致.这是因为FeCl3的加入能够破坏污泥颗粒的细胞结构,降低了污泥的亲水性,释放出部分自由水,而生石灰的掺入在污泥中形成了骨架,提高了污泥的渗透性[9].

4.2.4 沉降量与泥饼强度

由图13可知,F0压缩性差,2 h沉降就趋于稳定,沉降量仅0.8 cm.F2沉降呈线性变化,但是沉降十分缓慢,后期可能还会有微小的变形,但排水速率已经达到停止标准.变形最大的是F3,其次是F1.F3在前10 h内完成了总沉降量的85%,之后沉降变缓；F1以较低的速率沉降,抽真空时间长达75 h,沉降量仅为F3总沉降量的65%.

图13 沉降量随时间变化

为了更加直观地展现真空预压处理污泥的固结效果,将污泥减容比和无侧限抗压强度整理于表3.从表中可看出,以调质污泥初始体积为基准时,4组试样都有一定程度的变形,其中F3污泥变形量最大,减容比达到56.8%,其次是F1,减容比为36%,F0和F2减容不明显,仅为5%和16%,说明真空预压处理效果较差.以原污泥初始体积为基准时,污泥经真空预压处理后只有F1和F3达到减容目的,且F3的减容比为48.6%,是F1的1.9倍；F0和F2经真空预压处理后体积压缩较小,泥饼的最终体积甚至大于原污泥的体积,减容比为负值.污泥经真空预压处理后减容程度相差较大,是因为污泥变形与孔隙的压缩和孔隙水的排出有关,排水量越多,沉降变形越大,污泥减容效果越好.

表3 试样的泥饼减容比和无侧限抗压强度

注:① “—”表示污泥强度太低,无法测定无侧限抗压强度;② 减容比中的负数表示增容.

抽真空结束后,泥饼的状态如图14所示,F0和F2泥饼呈流塑状态,F1泥饼外硬内软,因此均不能取样测试无侧限抗压强度.处理过后的F3无侧限抗压强度为47 kPa,低于填埋要求标准的50 kPa,随养护龄期增长,无侧限抗压强度继续增大,3 d和7 d的强度达到53.6 kPa和93 kPa.

(a) F0

(b) F1

(c) F2

(d) F3

图14 真空预压处理后的泥饼

4.2.5 处理效果分析

由图14可看出,抽真空处理后的F0泥饼出现大量的蜂窝状结构,由于大量有机质的存在,使得污泥亲水性强,水分难以排出.F1和F2泥饼表面出现硬塑层,而泥饼中心均为流塑状,这说明在上下排水面处的污泥先固结,在排水面处形成了低渗透性泥层,影响到内部水分的排出,使得泥饼中心处含水率很高.造成排水面出现硬层的原因可能是,在真空负压作用下污泥颗粒在过滤介质附近聚集使固体含量较高,颗粒间因聚集作用形成致密低渗透性泥层,阻碍了污泥的沉降与压缩[25].F3试样为FeCl3和生石灰混合调质污泥,泥饼整体性好,强度高,含水率沿高度分布均匀,处理效果好.

5 结论

1) 单独FeCl3调质污泥存在最优添加量,本试验中最优添加量为20%,添加量过少或过多,污泥的比阻都会增加,渗透性变差.

2) FeCl3和生石灰混合调质污泥的真空预压处理效果最好,处理后的泥饼整体性好、强度高,含水率沿泥饼厚度方向变化不大,含水率可降低至70.6%,与处理前相比体积大幅度减少.

3) 在固结初期阶段,污泥的固结系数和渗透系数都较大,有利于排水固结；在真空预压的初期阶段,即污泥中的真空度缓慢上升过程中,渗透性好,排水量较大.