朱瑾彥　李磊　魯旭　劉帥

摘要：填埋是污泥處置的途徑之一，污泥具有高含水量、高有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)，其堆填體極易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，從而引起工程地質(zhì)災(zāi)害，因此亟需提高污泥堆填體的穩(wěn)定性。通過對(duì)原狀污泥和不同濃度下的FeCl3調(diào)理污泥開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究污泥的固結(jié)前后的含水率、有機(jī)質(zhì)含量、壓縮特性、固結(jié)特性，為污泥堆填體的沉降及穩(wěn)定評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，F(xiàn)eCl3溶液調(diào)理后的污泥固結(jié)系數(shù)顯著提升，污泥的次固結(jié)變形量占比達(dá)68%。污泥經(jīng)固結(jié)后含水率大幅降低，固結(jié)前后有機(jī)質(zhì)降低3% -6%。10%的FeCl3調(diào)理污泥的壓縮系數(shù)變化高達(dá)50倍。采用FeCl3調(diào)理污泥能夠有效對(duì)污泥堆填體進(jìn)行加固。

關(guān)鍵詞：污泥；FeCl3溶液；固結(jié)；次固結(jié)

中圖分類號(hào)：X705 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

污泥是污水處理過程中產(chǎn)生的廢棄物質(zhì)，含有大量的有機(jī)污染物、微生物、病原體以及重金屬，處置不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題和工程災(zāi)害。

填埋是污泥的處置方式之一，長期堆存的污泥會(huì)不斷產(chǎn)生沉降，引發(fā)工程災(zāi)害。為提高污泥堆填體穩(wěn)定性，在填埋污泥前往往采用固化加固、脫水加固等方法，改善污泥的物理力學(xué)性質(zhì)。由于污泥中存在大量結(jié)合水，且污泥中的有機(jī)質(zhì)會(huì)逐漸降解，導(dǎo)致污泥中的土體顆粒產(chǎn)生蠕變變形，使污泥產(chǎn)生明顯的變形。李銘在對(duì)某污泥聚堆場進(jìn)行固化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原狀污泥中堿基復(fù)合固化劑投加比例達(dá)15%- 20%時(shí)，含水率可降低到35%左右。張曉雨將普通硅酸鹽水泥、生石灰和粉煤灰對(duì)污泥進(jìn)行固化，結(jié)果表明固化劑的加入使得污泥含水率小于60%，抗剪強(qiáng)度大于25 kPa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于50 kPa。楊瑞敏研究發(fā)現(xiàn)污泥的初始含水率越高，壓縮性越大。賀建清利用軟土和高有機(jī)質(zhì)泥炭土研究有機(jī)質(zhì)含量對(duì)軟土次固結(jié)特性的影響，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)系數(shù)隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加。韓伶敏通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土的纖維含量越大固結(jié)蠕變?cè)矫黠@，次固結(jié)系數(shù)越大

文章通過進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，研究污泥在不同濃度的FeCl3調(diào)理處理下的壓縮特性及固結(jié)特性，為污泥堆填體的沉降及穩(wěn)定評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

為研究不同處理方式下污泥的固結(jié)特性，此試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2組共計(jì)4種試樣：

第1組：原狀污泥，試樣編號(hào)記為1-1。取白江蘇省南京市江寧區(qū)某市政污水處理廠所生產(chǎn)脫水污泥，脫水污泥從螺旋輸泥器取出后除去較大的纖維、樹葉等，裝入到不透光的聚乙烯桶中及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，密封、低溫保存。

第2組：調(diào)理污泥，用濃度為1.5 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)FeCl3溶液（江標(biāo)檢測(cè)科技有限公司生產(chǎn)）對(duì)原狀污泥進(jìn)行化學(xué)調(diào)理處理。本組共設(shè)計(jì)三種不同添加量，F(xiàn)eCl3溶液的添加量分別為污泥干基質(zhì)量的10%、15%、20%，試樣編號(hào)記為2-1至2-3。

不同污泥試驗(yàn)樣品物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明，原狀污泥和調(diào)理污泥的含水率極高，具有較小的密度；因污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，污泥的比重較小，只有1. 70，明顯小于一般粘土2.7左右的比重。污泥經(jīng)過FeCl3調(diào)理后，其比重及有機(jī)質(zhì)含量保持不變，但含水率有略微增加，密度略微降低，初始孔隙比有所增大。

1.2 污泥固結(jié)壓縮試驗(yàn)

污泥的固結(jié)壓縮變形試驗(yàn)采用《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123 - 2019中的單軸固結(jié)儀法進(jìn)行，試驗(yàn)儀器型號(hào)為南京土壤儀器廠所生產(chǎn)的WG單杠桿三聯(lián)中壓固結(jié)儀，每個(gè)試驗(yàn)類別設(shè)置兩組試驗(yàn)樣品。

由于污泥具有高含水率、高壓縮性的特性，如果使用常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)中12.5 kPa的初級(jí)荷載時(shí)，在加壓前期過程中，由于荷載過大非常容易導(dǎo)致污泥從側(cè)壁縫隙擠出，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，為此需要減小初級(jí)荷載大小。原狀污泥與FeC13調(diào)理污泥荷載等級(jí)按照3.125 kPa、6.25 kPa、12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa六個(gè)等級(jí)加載，在施加每級(jí)荷載后，按照6s、15 s、1 min、2 min 15 s、4 min、6 min 15 s、9min、12 min15 s、16 min、20 min 15 s、25 min、30 min 15 s、36 min、42 min 15 s、49 min、64 min、100 min、200 min、400 min、23 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h對(duì)百分表進(jìn)行讀數(shù)并記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 固結(jié)前后基本物理性質(zhì)變化

2.1.1 含水率

如圖1所示，不同污泥試樣固結(jié)前后含水率變化圖。從圖中可以看出，不同類型的污泥經(jīng)過固結(jié)后，含水率均得到大幅降低，污泥含水率的降低率均超過63%，最高可達(dá)68%，但固結(jié)后仍具有較高含水率。固結(jié)前FeCl3調(diào)理污泥的含水率高于原狀污泥，而固結(jié)后低于原狀污泥，這表明在污泥中加入FeCl3調(diào)理劑能夠促進(jìn)污泥在固結(jié)過程的排水，并且這種促進(jìn)效果與FeCl3調(diào)理劑的摻量有明顯關(guān)系，摻量越大其促進(jìn)效果越明顯。對(duì)于飽和土體，土體的固結(jié)壓縮過程是孔隙水的排除過程，通常土體的壓縮體積與其排出水分的體積相關(guān)，固結(jié)過程中排出的水分越多，其固結(jié)變形量越大。從污泥經(jīng)過固結(jié)排水后含水率顯著降低可以推斷，污泥的固結(jié)變形量會(huì)非常明顯，F(xiàn)eCl3的加入能增大污泥的變形量。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)含量

有機(jī)質(zhì)含量越高，污泥的吸水性越好，因此有機(jī)質(zhì)含量的降低可以促進(jìn)污泥中水分的排出。對(duì)不同類型污泥試樣固結(jié)后進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。由該圖可以得出，不同類型的污泥經(jīng)過固結(jié)壓縮后，其有機(jī)質(zhì)含量均會(huì)降低，減小幅度約為30% - 6%。原狀污泥降低率最低，只有3%左右；FeCl3調(diào)理污泥有機(jī)質(zhì)降低率在4.5%- 6%。固結(jié)前后有機(jī)質(zhì)發(fā)生明顯的變化，說明污泥在固結(jié)過程中，其內(nèi)部有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生降解，部分有機(jī)質(zhì)隨水分排出。污泥經(jīng)過FeCl3調(diào)理后，有機(jī)質(zhì)降低率得到提升，且FeCl3溶液的摻量越高污泥有機(jī)質(zhì)降低率越大。

2.2 化學(xué)調(diào)理對(duì)污泥壓縮特性影響

2.2.1 污泥變形量與排水量關(guān)系

根據(jù)太沙基固結(jié)理論，對(duì)于一般飽和土體的固結(jié)排水，土顆粒和孔隙水的壓縮量極可忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為土體的體積壓縮量等于排出的水量。如圖3所示，污泥固結(jié)變形量與排水量之間的關(guān)系，由圖可以看出污泥在固結(jié)壓縮過程中，固結(jié)變形量大于排出水的體積，這表明污泥的壓縮變形非常明顯。通過計(jì)算，原狀污泥自身顆粒的壓縮變形量占到總變形量的6. 35%；FeCl3調(diào)理污泥自身顆粒的壓縮變形量占總變形量有所增加，分別為6. 42%、6.61%、6.79%，且隨著調(diào)理劑摻量的增加而增加。原狀污泥由于自身松散的絮體結(jié)構(gòu)和高有機(jī)質(zhì)含量，壓縮性較強(qiáng)，污泥經(jīng)過FeCl3調(diào)理后，自身結(jié)構(gòu)遭到一定破壞，使得顆粒壓縮變形增強(qiáng)。

2.2.2 污泥壓縮變形規(guī)律

污泥在每級(jí)荷載下變形量非常明顯，并且最終變形量均很大，不同類型的污泥在固結(jié)應(yīng)力作用下差異很大。

原狀污泥在各級(jí)荷載作用下變形量依次為：2. 903mm、2.137 mm、2.275 mm、2.031 mm、1. 829 mm、1.370 mm，在每級(jí)荷載的作用下變形均非常明顯，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總變形量達(dá)到12. 545 mm，整個(gè)應(yīng)變量達(dá)到62. 73%。觀察其每級(jí)荷載下變形曲線，可以發(fā)現(xiàn)在固結(jié)前期，變形速率較大，且隨著時(shí)間發(fā)展逐漸減緩；隨著荷載的增加，原狀污泥的變形時(shí)間曲線基本一致，在荷載施加48 h后，每天的變形量基本相同，并且變形速率較快，隨著荷載的增加而減緩；當(dāng)荷載增加到100 kPa時(shí)，后期應(yīng)變速率有較為明顯減緩，污泥變形已基本完成。FeCl3調(diào)理污泥在施加初級(jí)荷載3. 125 kPa時(shí)，形變量非常大，能夠達(dá)到6 mm左右，占到整個(gè)壓縮變形過程的50%左右，相較于原狀污泥的形變量高出一倍左右，后期變形速率有明顯減小，但變形速率與原狀污泥相比略快。FeCl3調(diào)理污泥的最終變形量相較原狀污泥有所增加，調(diào)理劑添加量為10%時(shí)，變形量增加很小，僅增加0. 095 mm，而添加量達(dá)到15%、20%時(shí)，變形量增加比較明顯，分別能夠增加0. 745 mm、0. 697 mm，最終的應(yīng)變量增加5.7%左右。

2.2.3 污泥壓縮指數(shù)與壓縮系數(shù)

不同污泥試樣的孔隙比e與固結(jié)應(yīng)力p的對(duì)數(shù)之間具有明顯的線性關(guān)系，符合式（1）：

e= - Cclgp+e0 式（1）

式（1）中，e0-土體的初始孔隙比；Cc-土體的壓縮指數(shù)。

根據(jù)公式可以得知，原狀污泥的壓縮指數(shù)最大，達(dá)到3. 263；經(jīng)過FeCl3調(diào)理后污泥的壓縮指數(shù)分別為2. 252、2.429、2.427，下降了1/4 - 1/3。土體壓縮指數(shù)越大，表明土體的壓縮性越高，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分規(guī)定，土體壓縮指示值大于0.4時(shí)，一般屬于高壓縮性土，能發(fā)現(xiàn)原狀污泥及調(diào)理污泥的壓縮指數(shù)均顯著大于0.4，這表明不論是原狀污泥還是調(diào)理污泥均具有極高的壓縮性。

壓縮系數(shù)av是表征土壓縮性的重要指標(biāo)之一，av越大則土的壓縮性越高。試驗(yàn)得到不同污泥試樣的壓縮系數(shù)，不論是原狀污泥還是FeCl3調(diào)理污泥，壓縮系數(shù)均很大。對(duì)于原狀污泥，在初級(jí)荷載作用下，原狀污泥的壓縮系數(shù)達(dá)到465. 12 MPa-1，隨著荷載的不斷增加，污泥壓縮系數(shù)變化范圍達(dá)到13倍左右，每級(jí)荷載下污泥的壓縮系數(shù)與上一級(jí)相比基本呈減半降低．其中荷載為6. 25 kPa時(shí)，壓縮系數(shù)變化較為不同，降低量僅為1/4左右。對(duì)于調(diào)理污泥，在初級(jí)荷載作用下，污泥壓縮系數(shù)相較原狀污泥得到成倍增加，達(dá)到1 000 MPa-1左右，隨著荷載增加，污泥壓縮系數(shù)迅速降低，在0 -6. 25 kPa區(qū)間內(nèi)降低最為明顯，降低幅度達(dá)到3 -3.6倍。對(duì)于調(diào)理劑摻量對(duì)污泥壓縮系數(shù)的影響，隨著摻量的增加，壓縮系數(shù)降低越顯著，這與摻量增加導(dǎo)致污泥初始孔隙比增加有關(guān)，其中摻量為10%的污泥壓縮系數(shù)變化范圍最高，達(dá)到50倍左右，其余兩組調(diào)理污泥壓縮系數(shù)的變化范圍為35倍左右。

2.3 化學(xué)調(diào)理對(duì)污泥固結(jié)特性影響

2.3.1 污泥固結(jié)系數(shù)

土體固結(jié)是指在外荷載作用下土體會(huì)產(chǎn)生一定的超孔隙水壓力，土體中的孔隙水隨著時(shí)間發(fā)展不斷排出，超孔隙水壓力逐漸消散，使得外荷載轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力的過程。土體固結(jié)通常采用固結(jié)系數(shù)Cv表述，其反映了土體孔隙水壓力消散的快慢程度，是估算土體沉降變形速率的重要指標(biāo)，是影響土體固結(jié)時(shí)間、固結(jié)度的主要因素，固結(jié)系數(shù)越大，表明土體的固結(jié)速度越快。如圖4所示，不同污泥試樣的固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系圖，可以看出，污泥在固結(jié)過程中，固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，先減小后增大。原狀污泥和FeCl3調(diào)理污泥的固結(jié)系數(shù)數(shù)值均很小，基本處于10 -6 cm/s。對(duì)于原狀污泥，在初級(jí)固結(jié)應(yīng)力下污泥的固結(jié)系數(shù)最高為4. 96×10 -6 cm/s，在固結(jié)應(yīng)力3.125 - 12.5 kPa時(shí)，固結(jié)系數(shù)隨應(yīng)力增加而減小，并降低至1. 99×10 -6cm2/s，后隨應(yīng)力增加逐漸增大，最終升高到4. 38×10 -6cm2/s，整個(gè)固結(jié)過程中固結(jié)系數(shù)變化范圍不大。對(duì)于調(diào)理污泥，在施加初級(jí)荷載3. 125 kPa時(shí)，污泥經(jīng)過調(diào)理后固結(jié)系數(shù)能夠得到提升，且隨著調(diào)理劑摻量的增加而增加，摻量20%下能夠增大到10. 42×10-6cm/s，與原狀污泥不同的是，調(diào)劑污泥的固結(jié)系數(shù)在6.25 kPa時(shí)就降到最小，降低至2. 18 -3.70×10 -6cm2/s，與原狀污泥的固結(jié)系數(shù)基本相同；后面隨固結(jié)應(yīng)力增加而增大，最終能夠增大到7. 58 -9.99×10 - cm2/s，與初級(jí)荷載時(shí)的固結(jié)系數(shù)差別不大，且不同調(diào)理劑摻量下，污泥的固結(jié)系數(shù)增加趨勢(shì)有所差異，比如15%、20%摻量下污泥的固結(jié)系數(shù)增加趨勢(shì)為先快后緩，而10%摻量下增加趨勢(shì)為均勻增大。

2.3.2 污泥次固結(jié)系數(shù)

由污泥固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力曲線可以發(fā)現(xiàn)，原狀污泥和調(diào)理污泥的固結(jié)系數(shù)均很小，表明其固結(jié)完成時(shí)間很長，在固結(jié)過程中存在明顯的流變特性，經(jīng)過長時(shí)間固結(jié)能夠產(chǎn)生顯著的變形。土體的固結(jié)變形包含主次固結(jié)變形兩個(gè)階段，污泥具有明顯的次固結(jié)變形。試驗(yàn)表明，污泥的次固結(jié)變形量占比非常大，位于32%- 68%。污泥的次固結(jié)變形占比基本隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而逐漸降低，其中FeCl3調(diào)理污泥>原狀污泥。調(diào)理污泥隨著FeCl3摻量的增加，污泥的次固結(jié)變形量占比增大。

不同污泥試樣在不同荷載作用下的次固結(jié)系數(shù)如圖5所示，由圖可知，次固結(jié)系數(shù)均隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而減小，同時(shí)不同類型污泥的次固結(jié)系數(shù)變化有明顯差異。原狀污泥在低荷載（3. 125-25 kPa）作用下時(shí)，污泥的次固結(jié)系數(shù)較大，能夠達(dá)到0.5以上，在初級(jí)荷載作用時(shí)甚至能夠達(dá)到1.0左右；隨著荷載的增加，次固結(jié)系數(shù)逐步減小，最終減小至0. 16左右。FeCl3調(diào)理污泥次固結(jié)系數(shù)變化特征可劃分為兩個(gè)階段：在低荷載（3. 125 -25 kPa）作用下時(shí)，摻量越大污泥的次固結(jié)系數(shù)越??；在初級(jí)荷載下污泥的次固結(jié)系數(shù)相較原狀污泥有所增大，分別能夠達(dá)到1.3、1.2、1.1左右，這是由于污泥經(jīng)過FeCl3調(diào)理后，污泥的初始孔隙比增大，一部分結(jié)合水污泥中轉(zhuǎn)換為自由水，摻量越大調(diào)理越充分，使得荷載作用前期產(chǎn)生更顯著的變形，后期變形量減?。浑S著荷載增加，污泥的次固結(jié)系數(shù)迅速減小，降低趨勢(shì)顯著快于原狀污泥，到25 kPa時(shí)三種調(diào)理污泥的次固結(jié)系數(shù)較為接近，大小為0. 27 -0. 34，如20%摻量下污泥的次固結(jié)系數(shù)僅為原狀污泥的一半。當(dāng)荷載超過25 kPa時(shí)，不同摻量的污泥試樣變化趨勢(shì)有所區(qū)別：10%摻量下污泥的次固結(jié)變化趨勢(shì)與原狀污泥較為接近，污泥的次固結(jié)系數(shù)緩慢減小，最后減小至與原狀污泥一致，只是減小的量與原狀污泥相比較??；當(dāng)摻量為15%、20%時(shí)，污泥的次固結(jié)系數(shù)減小并不明顯，穩(wěn)定在0.2 -0.3，基本不受荷載影響。該階段下污泥的次固結(jié)系數(shù)大小與摻量基本呈正相關(guān)，即摻量越大次固結(jié)系數(shù)越大，到最后一級(jí)荷載時(shí)三種污泥的次固結(jié)系數(shù)大小差異明顯，比如20%摻量下污泥的次固結(jié)系數(shù)能夠高出10%摻量0.1左右。

3 結(jié)論

通過固結(jié)壓縮試驗(yàn)對(duì)不同濃度FeCl3調(diào)理污泥進(jìn)行了固結(jié)前后的含水率、有機(jī)質(zhì)含量、壓縮特性、固結(jié)特性的研究，可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eCl3調(diào)理污泥在經(jīng)過固結(jié)壓縮后，含水率明顯低于原狀污泥，且滲量越大，降低越明顯。在固結(jié)過程中污泥的有機(jī)質(zhì)含量會(huì)減小3%-6%，且滲量越大，有機(jī)質(zhì)降低越多。原狀污泥的壓縮系數(shù)隨荷載增加，變化范圍在13倍左右，10% FeCl3調(diào)理污泥變化范圍高達(dá)50倍左右，15%和20% FeCl3調(diào)理污泥變化范圍為35倍左右。污泥的固結(jié)系數(shù)基本隨固結(jié)應(yīng)力的增加，先減小后增大，原狀污泥和FeCl3調(diào)理污泥的固結(jié)系數(shù)基本處于10-6 cm2/s。污泥在固結(jié)過程中，次固結(jié)系數(shù)非常大，最高可達(dá)1.3，表明污泥具有明顯的流變特性。

基金項(xiàng)目：南京市建設(shè)行業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（Ks2134）