易进翔，杨康迪

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098；2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098)

截止到2010年年底，我国城镇污水处理量达到300多亿m3，脱水污泥产生量接近3.0×107t左右[1]。污泥处置不当会引起严重的社会问题和环境问题。填埋处置仍然是我国目前主要污泥处置方式之一[2]。

目前关于污泥填埋处置的规范中仅对污泥填埋中的含水率、pH、混合比例等指标做了明确要求，但是由于污泥物理力学性质差，即使达到规范所规定的污泥填埋指标，污泥在进行填埋施工时，仍然可能会产生无法压实等问题。不仅影响填埋场的库容，而且可能因为不均匀沉降等引起填埋场工程事故。目前，污泥预处理进入填埋场填埋处置中的研究主要集中在污泥预处理方法[3-5]、填埋后的物理力学性质[6]、稳定性[7]、污染物控制[8]等方面，填埋处置中污泥压实特性的研究甚少。通过压实特性的研究，可以获得填埋施工中的压实功，为施工设备的选择、填埋含水率的控制、添加的预处理材料等提供理论依据和指导。

本文通过室内击实试验，研究了击实功、固化污泥含水率、材料添加量对固化污泥压实特性的影响。

1 试验材料、安排和方法

1.1 试验材料

污泥为取自南京市江心洲污水处理厂的脱水污泥。污泥的相关指标如表1。水泥为32.5#普通硅酸盐水泥，熟料组成C3S:52.45%～63.87%，C2S:14.92%～23.07%，C3A:6.60%～9.18%，C4AF:10.06%～11.89%，其基本化学指标见表2。

表1 污泥的基本物理性质

表2 水泥的基本性质指标

1.2 试验安排

采用室内击实试验模拟施工现场的碾压，室内击实试验中的击实功与施工时的压实功具有对应的关系。击实功、含水率、材料添加量对固化污泥压实特性的影响较大。选择适宜的压实功、含水率、材料添加量对施工现场的碾压具有实际的指导意义，对填埋场的库容、施工后的不均匀沉降具有积极意义。

具体试验方案见表3。试验组1研究击实功对固化污泥压实特性的影响，可以获得击实试验的最佳击实功，存在经济击实功。试验组2在最佳击实功下，研究含水率对固化污泥压实特性的影响，可以指导施工现场含水率的控制。试验组3在最佳击实功下，研究材料添加量对固化污泥压实特性的影响，可以为添加的预处理材料提供理论依据。

表3 固化污泥的试验方案

1.3 试验方法

固化污泥击实试验采用轻型标准击实仪。根据《土工试验方法标准》[9](GB/T50123-1999)的规定，试验具体参数如下:击实筒内径102 mm、高116mm、锤重2.5 kg、落高305 mm，分3层击实。

2 试验结果

2.1 击实功对固化污泥压实特性的影响

从图1、图2可以看出，大致在25击次之前，固化污泥的干密度随着击实功的增加而增加、孔隙比随着击实功的增加而减少；大致在25击次之后，固化污泥的干密度、孔隙比变化都达到稳定。随着固化污泥的含水率降低，这种现象越显著。

从土的有效应力原理角度考虑，土是固体颗粒、水和空气的混合物。固化污泥中的水除了孔隙内的自由水外，主要是土粒表面的结合水和细胞内水为主。击实过程中，固化污泥中的空气承担一部分击实功；同时固化污泥中的自由水、结合水、细胞内水承担很大一部分击实功；土粒承担的击实功较小。随着含水率降低，主要是自由水减少，击实功要重新分配，土粒承担的击实功相应的增加，土体中的孔隙压的越密，干密度越大，这种现象越明显。击实到一定程度时，水和空气的排出都相当困难，继续增加击实功，对干密度、孔隙比的作用不大，干密度、孔隙比趋于稳定，即存在经济击实功[10]。

图1 固化污泥击数与击实干密度的关系

图2 固化污泥击数与击实孔隙比的关系

固化污泥填埋施工可以依据经济击实功选择碾压设备及碾压遍数，用以指导和控制施工。

2.2 含水率对固化污泥压实特性的影响

从图3、图4可以看出，含水率在30%之前，固化污泥的干密度随着含水率的增加而增加、孔隙比随着含水率的增加而减少，含水率在30%之后，固化污泥的干密度随着含水率的增加而减少、孔隙比随着含水率的增加而增加。

图3 固化污泥含水率与击实干密度的关系

图4 固化污泥含水率与击实孔隙比的关系

当固化污泥的含水率较低时，固化污泥中的水主要是以结合水为主，此时结合水膜较薄，击实过程中，以引力为主的粒间电作用力阻碍土粒相对错动，干密度较小、孔隙比较大；随着含水率增加，结合水膜变厚，击实过程中粒间斥力增大，土粒容易错动，干密度增加、孔隙比减小。当固化污泥的含水率较高时，固化污泥中的水主要是以自由水、结合水为主，击实过程中，固化污泥中的空气承担一部分击实功；同时固化污泥中的自由水、结合水、细胞内水承担很大一部分击实功；土粒承担的击实功较小。随着含水率的增加，孔隙水承担的击实功增加，土粒承担的击实功相应的减少，干密度减小、孔隙比增大。

含水率对固化污泥的干密度、孔隙比的影响较大。固化污泥的填埋现场碾压施工时，选择适宜的含水率，能够将固化污泥碾压的密实，增加填埋场的库容，减少后期沉降，在不适宜的含水率情况下碾压施工是很困难的，甚至出现碾压机械打滑的事故，因此填埋时必须控制固化污泥的含水率。

2.3 材料添加量对固化污泥压实特性的影响

从图5、图6可以看出，固化污泥的干密度随着材料添加量的增加而增加、孔隙比随着材料添加量的增加而减少。

图5 材料添加量与击实干密度的关系

图6 材料添加量与击实孔隙比的关系

污泥固化后，改变了其结构，导致其压实特性的变化，采用扫描电镜来研究其微观结构，分析其压实特性的变化规律。从图7、图8可以看出，原泥中分布有片状晶体，这些晶体组成的结构比较松散，基本没有胶结物连接，主要靠镶嵌接触形成整体，孔隙大。添加水泥后生成的胶凝物质胶结土颗粒和填充孔隙，形成整体，土颗粒由接触联结转变为胶结联结，随着水泥添加量的增加，胶结和填充作用越显著，土的结构性也越显著，孔隙越小，干密度越大[11]。

3 结 论

(1)随着击实功的增加，固化污泥的干密度先增加后趋于稳定、孔隙比先减小后趋于稳定，存在经济击实功。固化污泥填埋施工可以依据经济击实功选择碾压设备，因此其能够为施工设备的选择提供理论依据和指导。

图7 纯污泥的SEM图像

图8 40%材料添加量固化污泥的SEM图像

(2)随着含水率的增加，固化污泥的干密度先增加后减少，孔隙比先减少，后增加，可以看出含水率是影响击实干密度、孔隙比的关键因素。因此填埋施工时必须做好含水率的控制。

(3)固化污泥的干密度随着材料添加量的增加而增加、孔隙比随着材料添加量的增加而减少。从微观结构可以看出，随着材料添加量的增加，胶结和填充作用加强，污泥的密实性提高，干密度增加、孔隙比减少。

[1]王凯军，高志永，张国臣.城镇污水处理厂污泥处理处置技术路线及市场潜力分析[C]∥2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会，2011年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集，天津:中国给水排水出版社，2011:443-446.

[2]赵乐军，戴树桂，辜显华.污泥填埋技术应用进展[J].中国给水排水，2004，20(4):27-30.

[3]赵乐军，戴树桂，吴彩霞，等.不同添加剂改善脱水污泥填埋特性的正交试验研究[J].给水排水，2006，32(1):11-14.

[4]朱 伟，吉顺健，李 磊，等.污泥固化/稳定化技术现场试验研究[J].环境科学与技术，2009，32(5):131-134，137.

[5]雷晓玲，刘贤斌，叶方剑，等.重庆市唐家沱污水处理厂工艺设计及污泥的处理与处置[J].给水排水，2009，35(8):44-47.

[6]O'Kelly B C.Effect of biodegradation on the consolidation properties of a dewatered municipal sewage sludge[J].Waste Management，2008，28(8):1395-1405.

[7]张云霞，王 瑞，王立彤，等.填埋方式对污泥填埋稳定性的影响[J].中国给水排水，2011，27(11):75-77.

[8]朱维琴，单监利，张 志，等.固化填埋污泥对Cu2+、Zn2+吸附特征的比较研究[J].中国环境科学，2011，31(9):1503-1508.

[9]国家质量技术监督局.中华人民共和国建设部.GB/T50123-1999.土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社，1999.

[10]桂 跃，杜国庆，张勤羽，等.高含水率淤泥生石灰材料化土击实方法初探[J].岩土力学，2010，31(Z1):127-137.

[11]宁建国，黄 新.固化土结构形成及强度增长机理试验[J].北京航空航天大学学报，2006，32(1):97-102.