生物化学作用对污泥固化体渗透性的影响

第27卷第6期岩土力学Vol.27No.62006年6月RockandSoilMechanicsJun.2006收稿日期：2005-04-26基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50379011)；国家高技术研究发展计划项目(No.2002AA601013)；国家重点实验室开放基金资助项目。作者简介：朱伟，男，1962年生，教授(博导)，主要从事环境岩土工程方面的研究工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598－(2006)06―0933―06生物化学作用对污泥固化体渗透性的影响朱伟1，李磊2，林城2(1.河海大学环境科学与工程学院，南京210098；2.河海大学土木工程学院，南京210098)摘要：通过固化技术降低污泥的透水性，可以减少二次污染的风险，但是外界生物化学条件的改变会引起污泥固化体渗透性的变化。针对这个问题，采用强化污泥固化体所处的生物化学条件的方法，进行了不同酸性渗透液以及微生物激活环境下固化体渗透性的试验。试验结果表明，提高污泥固化水平可以显著降低污泥的渗透性，但是酸性环境下固化体的透水性将增加；污泥固化体渗透性的改变，不仅取决于酸性渗透液总的渗透量，也受酸的强度的控制；微生物的活动能够明显降低污泥固化体的透水性。关键词：污泥；固化；渗透性；酸性渗透液；微生物中图分类号：X53文献标识码：ABiochemicaleffectsonpermeabilityofsolidifiedsludgeZHUWei1,LILei2,LINCheng2(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:ThesecondarypollutionfromsludgeisreducedasaresultofthelowerpermeabilityofsludgetreatedbytheS/S(solidificationandstabilization)treated.Howeverwiththechangeofthebiochemicalconditionoftheenvironment,thepermeabilityofsolidifiedsludgewillchangeaswell.Toevaluatetheenvironmentalimpact,thebiochemicalconditionofsolidifiedsludgewasenhanced;andthepermeabilitytestwithacidandnutritionalfiltrationliquidwasperformedonthesolidifiedbody.Theexperimentalresultsshowedthatincreasingthesolidificationlevelwouldlowerthepermeabilityofsludge,butthepermeabilitywillbeincreasedunderacidcondition.Thepermeabilitychangeofsolidifiedsludgewasnotonlydecidedbythetotalinfiltrationvolumeofinfiltrationliquidbutalsocontrolledbythestrengthofacid;andmicroorganismactivitycouldremarkablydecreasethepermeabilityofsolidifiedsludge.Keywords:sludge;solidification;permeability;acidinfiltrationliquid;microorganism1引言污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的沉淀物质，我国每年排放的干污泥约为550～600万吨，且呈不断增加的趋势[1]。污泥中含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等，如果处理不善将会造成严重的二次污染。目前污泥的处置主要以转为农用、焚烧和填埋为主，但是由于污泥的含水率高、力学性质差、污染物含量高等特点，这些处理方式往往存在环境污染、处理成本过高或容易引起填埋场工程灾害等问题[2,3]。针对上述污泥处理中存在的问题，采用固化技术将污泥转化为可以再生利用的土材料，是符合我国国情的资源化途径之一[4,5]。固化技术主要是通过水化反应形成的水化产物将污泥颗粒胶结、包裹，形成整体性较好的固化体。根据污泥含水率高，无机固体颗粒成分少的特点，提出采用含黏土矿物较多的废弃疏浚淤泥作为污泥的骨架材料进行固化处理的新技术[6]，处理后污泥的力学性质得到改善，对其中的污染物也起到物理封闭和和化学稳定的作用[7～9]，污泥固化体可以作为土工材料进行再生资源利用。由于污泥中的污染物含量高，污泥固化处理后对污染物的封闭以及稳定作用的长期效应问题是其能否作为土工材料使用的关键。文[10，11]对固化岩土力学2006年处理中污染物的稳定化机理进行了初步探讨，认为污泥和凝结剂间的化学键合力、凝结剂对污泥的物理包封及凝结剂水化产物对污泥的吸附等共同作用造成了固化后污染物溶滤性能降低，即污泥固化体的低渗透性是控制其中污染物溶出的重要因素。相关研究也表明[12]，如果固化体的渗透系数降低到原来的3倍，污染物的锋面浓度仅相当于没有固化前的十分之一。所以保持污泥固化体的低渗透特性是控制其产生二次污染的重要手段。但是污泥固化体作为土工材料使用期间诸如酸雨等外界不利条件会对其渗透性产生影响，主要原因是因为骨架材料中的黏土矿物以及水化反应所生成的水化硅酸钙[13]，在酸性渗滤液的长期作用下会逐渐分解[14]，从而提高污泥固化体的透水性，造成被封闭的污染物大量溶出。污泥固化体的另外一个特点是含有大量的微生物，微生物的活动也会逐步改变土体的渗透性[15]。所以，化学环境的改变和微生物的活动，对于污泥固化体这种特殊土材料的渗透性会产生什么样的影响，这一问题的研究，不但对固化污泥的二次污染的评价有着重要的意义，而且对于研究生物化学条件对水泥土、固化土性质的影响有重要的理论意义。污泥固化体是一种透水性非常低的土材料，要研究固化污泥在不同化学条件、不同微生物条件下渗透性的变化，必须考虑与传统方法不同的研究设备和方法。本文采用改进的柔性壁渗透仪(flexible-wallpermeameter)作为研究低渗透性介质的主要设备，通过强化渗滤液的酸性，在实验室尺度内模拟自然界酸雨条件，对不同的固化水平、不同浓度的酸对渗透性的影响以及固化措施对于酸的缓冲作用开展了研究；通过在渗透液中添加营养剂加速污泥中的微生物的新陈代谢，研究微生物活动对于污泥固化体渗透性的影响，为评价污泥固化体作为材料使用在外界生物化学条件发生改变时渗透性的变化提供基础资料。2污泥固化及渗透性试验方法2.1污泥固化处理方法试验所用的水泥为南京江南水泥厂32.5#普通硅酸盐水泥。污泥取自某化纤厂污水处理厂脱水后的污泥。淤泥取自深圳大亚湾疏浚淤泥。污泥和淤泥的基本指标如表1所示。从表可以看出，污泥主要由有机质和生物体内结合水组成，无机干物质极少。对淤泥的矿物成分分析表明，其中的主要矿物及所占比例：SiO2为40.93%，CaO为11.51%，Fe2O3为11.13%，MgO为2.45%，Al2O313.2%，可见淤泥的组成成分主要以各种形式的黏土矿物为主。表1污泥和淤泥的基本性质指标Table1Basicpropertyindexesofsludgeandsilt含水率重度比重孔隙比液限塑限有机质CuZnCr泥样/%/kN·m-3/%/%/%mg/kg污泥66410.11.6111.638016056.2945788257淤泥12013.82.743.2873291.39116154固化方法是笔者研究开发的骨架构建固化污泥方法，即在污泥中添加含有黏土矿物的淤泥和作为固化材料的水泥。根据前期的研究结果[9]，选择的固化方案为污泥:淤泥:水泥(质量比)分别为5:3:2和5:3:1两种，这两种固化方案的7d后的无侧限抗压强度分别达到了103kPa和63kPa，满足一般工程用土的要求。制样时，首先将淤泥按比例掺入污泥当中，充分搅拌均匀后，再加入水泥进行搅拌，分3层装入制样模具(模具直径10cm，高度5cm)，每层振动2min后再装入下一层。制样后置于恒温恒湿箱中养护1d后脱模，脱模后继续养护至试验龄期(7d)进行渗透试验。两种固化方案下试样的密度分别为1.31g/cm3，1.19g/cm3，含水率分别为102.5%和124.3%。2.2柔性壁渗透仪装置及试验方案污泥固化后的渗透系数很低，采用常规的试验方法试验周期较长，而且由于蒸发等因素的影响难以得到精确的结果。如果采用增大压力水头的方法，可以缩短试验的时间，但是存在侧壁渗漏的问题[16]。参考美国材料实验协会(ASTM)关于渗透试验的方法[17]，对柔性壁渗透仪进行了改进。该渗透仪主要采用施加围压的方法解决了低渗透性介质的透水性试验问题。同时，通过对渗滤液的收集，不但解决了渗透流量的问题，也便于分析渗滤液的成分。笔者主要改进其加压系统，采用氮气施加侧壁压力，防止污泥固化体原有的生化条件受到影响；并且将多个柔性壁渗透仪串联起来实行统一加压，可以保证在同一试验条件下开展研究。柔性壁渗透仪的结构如图1所示。试样置于气密性良好的有机玻璃圆筒内，圆筒内充满一定压强的气体，其压强首先通过减压阀减压输出至一定范围，再通过调压阀精确调整至所需要的压强；试样外包裹一层橡皮膜，膜内排除空气后在圆筒内气压的作用下将紧紧的包裹住试样，在较高水头的作用934第6期朱伟等：生物化学作用对污泥固化体渗透性的影响下不至于发生侧渗，保证了试验的准确性；渗透液由测压管加入，测压管可以根据要求升降以获得不同大小的水头；隔一定的时间读取渗透液的水位，并定期补充渗透液，保证维持一定的水头；渗透液由下而上经过试样，收集渗滤液便于分析其成分；渗透系数按照变水头试验的公式(1)求解。图1柔性壁渗透仪结构示意图Fig.1Flexible-wallpermeameterstructure1212ln()haLkAtth=−(1)其中a，A分别为测压管和试样的截面积；L为试样高度；试验时只要记录t1和t2时刻对应的水位h1和h2即可求出渗透系数。本文所研究的污泥固化体主要用于填土或者作为垃圾填埋场的盖层，根据Moo-Young[18]的研究试验中气压取30kPa。为了在较短时间内获得酸性渗透液作用的长期效应，试验中采用浓度分别为0.2mol/l和0.5mol/l的盐酸作为渗透液，在本试验周期内其作用的效果相当于pH=4的酸雨，按照1500mm/a的降水量作用100～200a（根据渗透液累计H+的量进行估算）。试验共分6组，其中污泥:淤泥：水泥(质量比)为5:3:2的试样分别采用0.2mol/l、0.5mol/l的盐酸、pH=6.8的中性渗透液以及为激活微生物配制的营养液(3000ppm的CH3COONa和300ppm的(NH4)H2PO4混合溶液[19,20])，营养液的粘度与水基本相同。污泥:淤泥:水泥(质量比)为5:3:1的试样分别采用0.2mol/l的盐酸以及pH=6.8的中性渗透液。3污泥固化体的渗透性以及酸性渗透液的影响研究3.1固化水平对污泥固化体渗透性的影响分别采用5:3:2和5:3:1两种固化水平的试样，在pH=6.8中性渗透液的渗透条件下进行了柔性壁渗透试验。根据每天水头变化，对渗透系数进行计算，得到的渗透系数随时间变化关系如图2所示。图2不同固化水平固化体渗透系数Fig.2Coefficientofpermeabilityunderdifferentsolidifica