干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究

第30卷第10期岩土力学Vol.30No.102009年10月RockandSoilMechanicsOct.2009收稿日期：2008-04-21基金项目：江苏省社会发展计划项目（No.BS2007156）；天津市应用基础研究计划项目（No.07JCYBJC07600）；教育部博士点基金项目（No.2008029410001）。第一作者简介：李磊，男，1976年生，博士，主要从事环境岩土及固废处理相领域的研究。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2009)10－3001－05干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究李磊1，朱伟2，林城3，大木宜章4（1.河海大学科学研究院，南京210098；2.河海大学环境科学与工程学院，南京210098；3.河海大学土木工程学院，南京210098；4.日本大学生产工学部，日本千叶县习志野市275-0006）摘要：针对采用水泥和膨润土为固化材料处理的污水厂污泥为研究对象，采用干湿循环试验测量了在水分强烈变化下固化体的质量、体积、含水率及强度等参数的变化情况，进而评价固化污泥的干湿耐久性。结果表明，水泥的掺入是提高固化体干湿耐久性的主要因素，但要达到一定的掺入量才能发挥作用。膨润土对固化体的干湿耐久性影响呈现两面性，适当地掺入膨润土有利于干湿耐久性的形成，而过多地掺入膨润土反而不利于干湿耐久性的形成。在水泥掺入质量比小于或等于0.4时，干湿循环后固化体相对控制样强度明显提高，但体积显著减小，而水泥掺入质量比大于0.4时，干湿循环后固化体相对控制样强度有所下降而体积基本不变。关键词：污泥；耐久性；固化；干湿循环；膨润土中图分类号：TU447文献标识码：AStudyofwetanddrypropertiesofsolidifiedsludgeLILei1,ZHUWei2,LINCheng3,T.OHKI4(1.ResearchAcademyofHohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofEnvironmentalScienceandTechnology,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.DepartmentofCivilEngineering,CollegeofIndustrialTechnology,NihonUniversity,TibaNarashino275-0006,Japan)Abstract:Basedonthecement-solidificationofsludgeusingbentoniteasadditive,thewetanddrytestwasconductedtomeasuretheparametersofrelativemassloss,volumechange,watercontentandunconfinedcompressionstrength(UCS)undertheconditionofviolentwaterchanges,inordertoevaluatethewetanddrydurabilityofthesolidifiedsludge.Theresultsshowthatthecementplaysthemajorroleinimprovingthewetanddrydurabilityofsolidifiedsludge;andtheresultsareachievedattheenoughcementcontent.Bentonitecanalsoimprovethewetanddrydurabilityofsolidifiedsludgeattheappropriaterangeofaddingcontent,howeverexceedingtherange,canreducethewetanddrydurability.Atcementcontentbelow0.4,UCSofsolidifiedsludgeincreasesafterwetanddrycyclesrelativetocontrolsamplesbutvolumeofsolidifiedsludgedecreasesremarkably;atcementcontentlargerthan0.4,UCSdecreasesrelativetocontrolsamplesandvolumevarieslittle.Keywords:durability;sludge;solidification;wetanddrycycle;bentonite1引言污泥是污水厂在处理污水过程中产生的沉淀物和漂浮物，具有高含水率、高有机物含量等特点，又含有大量有毒、有害成分。如果不能对污泥进行妥善处理，容易造成对周围环境的2次污染。采用固化和稳定化的方法对污泥进行处理，固化后的污泥可转化为填土材料、烧砖材料和垃圾场的覆土材料等加以资源化再利用[1－3]，或进入填埋场填埋处置[4－5]。由于污泥中有机质含量往往超过40%，对其固化需要消耗大量的固化材料，而且固化效果较差[6－7]。本文提出采用膨润土为添加剂辅助水泥固化处理污泥，能获得良好的效果。微观分析表明，加入膨润土后固化污泥中的碳酸钙成分显著增加，有助于提高污泥的强度。另外，整体的密实性也得到了较大的提高[8－9]。本方法确保在较低的水泥掺入量下，使固化污泥获得较高的强度、低的渗透性和较好的污染物稳定性，从而达到对污泥力学性质改善和对其中重金属及有机污染物危害进行控制的目的。岩土力学2009年由于污泥和添加材料膨润土本身抵抗水分变化的能力较差，两种材料在干燥时容易失去水分，在湿润时又容易吸水膨胀，对固化污泥的材料耐久性产生影响。为了在较短周期内获得固化污泥在干湿交替条件下材料耐久性，进行干湿循环试验，研究在水分强烈变化下固化污泥的物理力学性质的变化，为评价固化污泥的干湿耐久性提供理论依据。2试验材料和试验方法试验所用的污泥取自南京江心洲污水厂，污泥的指标见表1。从实测结果可以看出，污泥含有大量水和有机物。水泥为南京江南水泥厂32.5#普通硅酸盐水泥。膨润土为南京汤山膨润土生产的钙基膨润土，它的基本性质见表2。从表2可以看出，钙基膨润土具有高吸水率、高吸附量等特性。表1污泥的基本性质指标Table1PhysicalandchemicalcharacterizationofsludgeCuZnCdPb含水率/%重度/(kN/m3)土的相对密度pH塑限/%有机质/%/(mg/kg)314～36010.91.617.0725.6142.819950526116表2膨润土的基本性质指标Table2Basicpropertiesofca-bentoniteSiO2Al2O3Fe2OCaO/%吸水率2h/%CEC/(mol/100g)粒度180目/%70.4916.141.892.02≥1800.79295注：部分指标引自于华2005年[10]，CEC为阳离子交换容量。干湿循环试验参考美国试验与材料学会（ASTM）D4843－1988的试验方法[11]。该方法适用于固体废弃物的干湿循环评价。试验步骤可概括为：每一个配比要求制成7个试样，按照试验方法的要求，将试样养护到28d开始干湿循环试验。干湿循环开始前，将其中1个试样取出，测其无侧限抗压强度、含水率及质量，剩下的6个试样分成2组，每组3个样，一组作为控制样，另一组作为干湿样，并将试样分别放入6个宽口玻璃杯中。试验前先将2组试样称重，量体积，将装有控制样的玻璃杯置于相对湿度为99%，温度为20℃的恒温恒湿箱中24h，将装有干湿样的玻璃杯置于温度为(605)℃的烘箱中烘24h，然后分别从恒温恒湿箱与烘箱中取出2组试样，并将取出的试样在常温的房间中放置1h，并向玻璃杯加水直至将试样淹没，再将装有试样的玻璃杯置于(203)℃的培养箱中23h，用蒸馏水冲洗试样的表面碎屑，观察可能出现的开裂、破坏等现象。将试样取出放入另外6个新的玻璃杯中，这样就完成一个干湿循环。重复以上步骤，直到12个干湿循环结束，并最终测量试样的无侧限抗压强度、含水率、重量及体积等指标。干湿循环的判断标准主要以试样的平均累积修正相对质量损失率（S），这里简称相对质量损失率（%），以及试样是否破坏为依据。当S30%或试样在试验过程中发生破坏，则判定该试样的干湿耐久性不能达到要求。相对质量损失率的计算公式：,s,c112sciiiWWSMM（1）式中：,siW为第i次循环干湿样的干质量损失（以第i次残留在玻璃杯中干物质重量为依据）；,ciW为第i次循环控制样的干质量损失（以第i次残留在玻璃杯中干物质重量为依据）；sM为干湿试样的干质量；cM为控制试样的干质量。根据短期内强度及污染物稳定性的研究结果[8]，本试验安排了8组不同配比的试样，见表3。试验除了测量相对质量损失率S，还测量了干湿过程中的体积损失率（减少的体积和干湿前试样体积的百分比（%））及干湿前后的强度变化结果，以能更全面地反映固化污泥抵抗水分变化而保持完整的物理力学特性的能力。表3干湿循环试验方案Table3Mixdesignofwetanddrytestsamples试样编号污泥:膨润土:水泥掺入质量之比试样编号污泥:膨润土:水泥掺入质量之比S1B01:0:0.2S5B0.61:0.6:0.2S2B0.11:0.1:0.2S6C0.61:0.2:0.6S3B0.2(S3C0.2)1:0.2:0.2S7C0.41:0.2:0.4S4B0.41:0.4:0.2S8C0.11:0.2:0.1注：表中S表示试样的序号；B表示水泥掺入质量比固定为0.2时不同的膨润土掺入质量比；C表示膨润土掺入质量比固定为0.2时不同的水泥掺入质量比。3试验结果和分析3.1干湿循环作用下固化污泥的质量损失由干湿循环试验获得的相对质量损失率见表4。从表中可以看出，8个试样经过干湿循环后，只有试样S2B0.1、S3B0.2、S6C0.6、S7C0.4符合干湿循环的标准，而其他4个试样，相对质量损失率过高，或几次循环后就发生破坏，分析如下：①在不符合干湿循环标准的4个试样中，从它们的质量组成比例可以发现，当只掺入水泥时，试3002第10期李磊等：干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究样不会发生破坏，但相对质量损失率大于30%，如试样S1B0，但当膨润土的掺入质量比高于水泥的掺入质量比时，试样经过几次循环后就发生破坏，如试样S4B0.4、S5B0.6、S8C0.1。表4固化污泥的相对质量损失率Table4Averagecumulativecorrectedrelativemasslossofsolidifiedsludgeafterwetanddrycycles试样编号相对质量损失率S/%试样编号相对质量损失率S/%S1B032.9S5B0.6破坏S2B0.123.8S6C0.62.7S3B0.2(S3C0.2)19.3S7C0.43.0S4B0.4破坏S8C0.1破坏②只加水泥时，试样的相对质量损失率超过了30%，但当水泥掺入质量比固定为0.2时，随着膨润土的掺入，固化污泥试样的相对质量损失率逐渐减小，且小于30%时达到了标准的要求，如S2B0.1、S3B0.2。随着膨润土的继续掺入，试样反而在循环过程中发生破坏，如试样S4B0.4、S5B0.6。这个结果反映了膨润土对固化污泥耐久性的影响呈现出两面性，即当膨润土掺入量小于等于水泥掺入量时，表现出有利的一面，达到了标准要求；当掺入量超过水泥掺入量时，表现出不利的一面，试样在循环过程中发生破坏。③当膨润土掺入质量比固定为0.2时，随着水泥掺入量的增加，试样由达不到标准到达到标准，且相对质量损失率基本上呈现出先显著减小，后达到很小值而逐渐稳定的趋势，如试样S8C0.1、S3C0