孫嬌，董路 ，岳波，王琪，楊延梅

1.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所，北京 100012

2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074

據(jù)資料統(tǒng)計，2009年我國危險廢物總產(chǎn)生量為1429.9萬t，占當年固體廢物總產(chǎn)生量的0.7%，而2010年危險廢物總產(chǎn)生量已達1586.8萬t［1-2］。雖然危險廢物在整個固體廢物中所占比例不大，但因其種類繁多(約47類，600多種)，且污染治理難度大、成本高［3］，是固體廢物污染防治的重中之重。截至2010年底，全國有237個危廢醫(yī)廢處置設施基本建成或投運，危險廢物集中處置能力達96.41萬t/a，與2003年《全國危險廢物和醫(yī)療廢物處置設施建設規(guī)劃》實施前相比，危險廢物處置能力增加了3.2倍［4］。危險廢物的處置方法主要為焚燒、填埋和資源化利用等，其中，危險廢物填埋是一種較經(jīng)濟和可行的處置方法。

污泥類危險廢物具有來源廣、總量多、力學性能相對較弱等特點。目前針對污泥類危險廢物較為規(guī)范的填埋處置方法一般采取先固化穩(wěn)定化，再進行填埋;或者直接與其他危險廢物混合填埋。對我國多個危險廢物填埋場的實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于對危險廢物的力學特性缺乏認識，導致其大多未經(jīng)任何預處理就直接填埋，污泥類危險廢物的直接填埋易在填埋堆體內(nèi)形成軟弱層，從而對整個填埋場的安全運行造成巨大的潛在風險。例如，2009年，由于未經(jīng)預處理的污泥填埋過多，地下壓力過大，導致某生活垃圾填埋場發(fā)生嚴重的污泥管涌事故，污泥噴涌持續(xù)6 h，坡下道路被覆蓋上一層80多cm厚的黑色污泥，且隨時存在塌壩的危險;此外，夾帶著刺鼻臭氣的污泥污水混合物順流而下進入附近河流，造成了巨大的環(huán)境損害。危險廢物填埋場如發(fā)生類似安全事故，后果將不堪設想?，F(xiàn)行的GB 18598—2001《危險廢物填埋場污染控制標準》中對入場危險廢物的要求僅考慮了其毒性物質(zhì)浸出，且含水率控制在85%以下即可，對于污泥類危險廢物的工程力學特性均沒有相應的限制，目前也鮮有對污泥類危險廢物工程力學特性的相關報道。筆者通過對三類典型污泥類危險廢物的基本理化性質(zhì)和工程力學特性的研究，提出了關于污泥類危險廢物規(guī)范填埋過程的幾點建議，以期為污泥類危險廢物的安全填埋提供理論基礎和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 材料

三類典型的污泥類危險廢物分別來源于杭州危險廢物處置中心的抗氧污泥和黃泥、武漢危險廢物處置中心的抗氧污泥。采用多點混合取樣，采樣量為15～20 kg。三類典型污泥類危險廢物的表觀特征如表1所示。

表1 三類典型污泥類危險廢物的表觀特征Table 1 Apparent characteristics of three typical sludge hazardous wastes

1.2 方法

1.2.1 基本理化性質(zhì)測試

樣品的含水率測定采用烘干法，并按照代表性試樣中水的質(zhì)量與總量之比進行計算;顆粒級配分析采用篩析法;比重測定采用比重瓶法;有機質(zhì)濃度測定采用馬弗爐灼燒法;密度試驗采用煤油浸泡法，根據(jù)煤油浸泡前后樣品的體積差和質(zhì)量差進行確定。上述測定均依據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》［5］進行。

1.2.2 工程力學特性測試

室內(nèi)工程力學特性試驗分為試樣尺寸的固結試驗、無側限抗壓試驗、直剪試驗和三軸壓縮試驗等［6-8］。筆者進行了前三種試驗，另外，考慮到污泥類危險廢物含水率較高的特殊性質(zhì)，還進行了滲透試驗和擊實試驗。

固體廢物的壓縮機理相當復雜，主要可概括為物理壓縮、錯動、固結和流變、物理化學變化、生化分解等［9-10］。固體廢物的壓縮性研究可以幫助分析填埋場在自身穩(wěn)定過程中的沉降問題，由于廢物是分層填埋和壓實的，上一層廢物可被視作下一層的荷載，整個填埋過程即是對下層廢物的逐級加載過程。筆者主要測定三類典型污泥類危險廢物在側限與軸向排水條件下，分級(12.5，25，50，100，200，400，800和1600 kPa)加載時的變形和壓力關系，以及在無側限壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強度，測試儀器為南京土壤儀器公司生產(chǎn)的WG型單杠桿固結儀以及應變控制式無側限壓縮儀。

固體廢物的強度指標關鍵在于其抗剪強度參數(shù)的選擇［11］。污泥類危險廢物，因含水率高，固結剛開始時排出的水量大，而后逐漸緩慢。測試儀器為南京土壤儀器公司生產(chǎn)的ZJ型應變控制式直剪儀(固結快剪試驗)。

用變水頭滲透試驗測定滲透系數(shù)，測試儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司制造的TST-55型滲透儀。此外還進行了擊實試驗。

各試驗測試方法均依據(jù) GB/T 50123—1999進行。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007進行分析及繪制圖表，SPSS 11.0軟件進行統(tǒng)計分析和處理。

2 分析和討論

2.1 基本理化性質(zhì)

三類典型污泥類危險廢物的含水率、比重、濕密度和有機質(zhì)濃度測定結果如表2所示。由表2可知，三類典型污泥類危險廢物的含水率差異較大，比重相當。B類污泥含水率為70%以上，對于填埋體的穩(wěn)定性構成了極大威脅，不利于直接填埋;為保證填埋場廢棄物堆填的穩(wěn)定性，遵循安全運營和相對增大庫容的原則，宜針對B類污泥進行脫水處理。而對于A類和C類污泥，則須根據(jù)填埋場的運營指標確定處理方案。

由表2可知，廢棄物的比重與有機質(zhì)濃度直接相關，有機質(zhì)濃度高，則比重小;有機質(zhì)濃度小，則比重大?？傮w上MSW的比重小于天然砂土和黏性土(2.6～2.8)，略小于有機質(zhì)土(2.4～2.5)。測得的三類典型污泥類危險廢物的比重(2.1～2.3)接近MSW。有機質(zhì)濃度相差也不大，A類污泥有機質(zhì)濃度最高(5.95%)，低于我國MSW的有機質(zhì)濃度(10%～60%)［12］。由于廢棄物中的有機質(zhì)因發(fā)酵、腐爛及需氧和厭氧分解等作用引起填埋堆體質(zhì)量和體積的減小，導致堆體不穩(wěn)定，因此，建議在填埋處置時將有機質(zhì)濃度較高的廢棄物填埋在頂層。

表2 三類典型污泥類危險廢物的基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of three typical sludge hazardous wastes

從表2還可看出，容重最大的為B類(17.15 kN/m3)，最小為 C 類(12.84 kN/m3)。Sharma等［13］的研究表明，MSW的容重平均值為3.1～13.2 kN/m3。比較而言，三類典型污泥類危險廢物的容重均高于MSW，其主要與危險廢物污泥的礦物組成、孔隙體積和含水率有關。在填埋場設計中，廢棄物容重是應用最廣的參數(shù)，從填埋容量、襯里、滲瀝液和廢氣的收集與排放，以及封頂?shù)脑O計等都需要，此外，其對于影響填埋場長期運行的沉降計算和穩(wěn)定分析，也是必不可少的［14-15］，錢學德等［16］有關MSW工程性質(zhì)的使用調(diào)查結果也顯示，廢棄物容重對于填埋堆體穩(wěn)定的重要性。

2.1.1 最優(yōu)含水率

圖1 三類典型污泥類危險廢物的擊實曲線Fig.1 Compaction curve of three typical sludge hazardous wastes

通過擊實試驗得出三類典型污泥類危險廢物的含水率與試樣干密度的關系如圖1所示。由圖1可知，A，B和C三類典型污泥的最優(yōu)含水率分別約為58%，54%和43%。因此，在進行填埋壓實的過程中，可參照該數(shù)據(jù)盡可能使三類典型污泥類危險廢物的含水率與其最優(yōu)含水率接近，以利于減少壓實成本，提高壓實效率。

2.1.2 顆粒級配

三類典型污泥類危險廢物的顆粒級配曲線如圖2所示。由圖2可知，A類和B類的控制粒徑(d60)約為2 mm，有效粒徑(d10)為0.075～0.25 mm;C類的d60約為0.5 mm，d10約為0.075 mm。據(jù)此估算d60/d10的不均勻系數(shù)可知，A，B和C三類典型污泥類危險廢物的顆粒級配不均勻，填埋時應與其他粒徑的廢物混合填埋，以便于壓實。從圖2還可看出，A，B和C三類污泥的顆粒粒徑相差較大，特別是C類黃泥的顆粒粒徑較小，當填埋縱向分層較大時，宜采用粉碎后填埋或與其他顆粒級配的固體廢物混合填埋，而且應采用較大壓實功的機械碾壓。

圖2 三類典型污泥類危險廢物的顆粒級配Fig.2 Particle size distribution curve of three typical sludge hazardous wastes

2.2 工程力學特性

2.2.1 滲透系數(shù)

確定MSW的水力參數(shù)在設計填埋場淋濾液收集系統(tǒng)和制定淋濾液回流計劃時十分重要，對于危險廢物填埋場而言，滲透系數(shù)是其中的一個關鍵參數(shù)。

三類典型污泥類危險廢物的滲透試驗結果如圖3所示。由圖3可知，三類典型污泥類危險廢物的滲透系數(shù)相差較大，A類最高為9.458×10-3，C類低至10-4數(shù)量級。對于MSW滲透系數(shù)的研究，Qian［17］利用美國密歇根州某運行中填埋場的三年現(xiàn)場實測資料，推算出MSW的滲透系數(shù)值為9.2×10-4～1.1 ×10-3cm/s;朱向榮等［18］對幾種典型的MSW填埋場進行試驗，結果表明，MSW的平均滲透系數(shù)為2×10-4～4×10-3cm/s。與MSW相比，三類典型污泥類危險廢物的滲透系數(shù)變化范圍明顯更大。

圖3 三類典型污泥類危險廢物的滲透系數(shù)Fig.3 Permeability coefficient of three typical sludge hazardous wastes

滲透系數(shù)較大的填埋廢物有利于滲濾液的快速排除，并匯入到滲濾液收集管道，但同時滲流使浸潤線以下的填埋堆體受到水的上浮力作用，從而降低填埋廢物的有效重度和抗剪強度指標(黏聚力和內(nèi)摩擦角)，可能引發(fā)垃圾堆體的滲透變形，產(chǎn)生堆體沉陷［19］，不利于堆體穩(wěn)定，而且較大的孔隙也急劇縮減了填埋場庫容。因此滲透系數(shù)變化范圍越大，越不利于填埋堆體的穩(wěn)定性。

借鑒該試驗數(shù)據(jù)，在對污泥類危險廢物填埋堆體進行穩(wěn)定性計算時，初始孔隙率從10-2數(shù)量級依次減小到10-4數(shù)量級，以此判斷堆填過程中發(fā)生失穩(wěn)的可能性，結果可用于指導堆填操作的規(guī)范進行。需要注意，該試驗滲透系數(shù)的測定是在未經(jīng)壓實的污泥廢物中進行的，而壓實后的污泥廢物其滲透系數(shù)應低于該測定值，故在實際工程穩(wěn)定性計算時，宜引入附加荷載以確保計算的有效性。

2.2.2 抗壓強度

三類典型污泥類危險廢物的固結和無側限抗壓試驗結果如圖4所示。從圖4可以看出，A類污泥當壓實力(P)為12.5～200 kPa時，其孔隙體積(以孔隙比計，e)縮減較快，e12.5為 1.1469，e200為0.8113;當壓實力為200～1600 kPa時，縮減幅度明顯減小，而且逐漸趨于穩(wěn)定，e1600為0.7044。B類污泥當壓實力為12.5～400 kPa時，孔隙體積急劇縮減，e由0.9529減為0.4707;當壓實力為400～1600 kPa時，減小幅度逐漸減弱而趨于穩(wěn)定，e1600為0.3866。C類污泥當壓實力為12.5～800 kPa時，孔隙體積減小幅度較大，e由1.3279減為0.6500;當壓實力為800～1600 kPa時，孔隙體積依舊有一定的減小空間，可進一步增加荷載以增大其密實度。綜合三組曲線，A類和B類的壓實力宜為400 kPa，C類的壓實力可提高到800 kPa。

圖4 三類典型污泥類危險廢物的ei－P對數(shù)關系Fig.4 The ei-P logarithmic curve of three typical sludge hazardous wastes

從圖4可以看出，三條曲線均接近直線分布。一般而言，處于正常固結狀態(tài)下固體廢物的壓縮曲線(ei-P對數(shù)關系曲線)應為直線［20］，說明該次固結試驗與實際填埋的固體廢物正常壓縮情況相符。

三類典型污泥類危險廢物的無側限抗壓強度結果如圖5所示。由圖5可知，三類典型污泥類危險廢物的無側限抗壓強度相差較大，C類最高(320.884 kPa)，B 類為 119.204 kPa，A 類僅為63.365 kPa。因此，進行填埋時，宜選擇C類作為底層填料，A類作為頂層填料，B類作為中間填料進行混合填埋，這樣有利于保持堆體穩(wěn)定性。

圖5 三類典型污泥類危險廢物的無側限抗壓強度Fig.5 Unconfined compression strength of three typical sludge hazardous wastes

2.2.3 抗剪強度

直剪試驗結果如圖6所示。由于該試驗是將放置多天的三類污泥樣按前期實測含水率兌水拌勻制樣，所以試樣含水率與之前有變化。A類含水率為51.21%，黏聚力為 1.0474 kPa，內(nèi)摩擦角為16.6518°;B類含水率為 59.31%，黏聚力為0.4030 kPa，內(nèi)摩擦角為18.0838°;C類含水率為56.00%，黏聚力為 3.0220 kPa，內(nèi)摩擦角為13.8935°。結果表明，三類典型污泥類危險廢物的黏聚力相差較大，內(nèi)摩擦角相差不大。

圖6 三類典型污泥類危險廢物的直剪強度Fig.6 Direct shear strength of three typical sludge hazardous wastes

錢學德等［16］通過研究有關MSW的資料，建議大多數(shù)垃圾填埋場抗剪強度參數(shù)的取值范圍:黏聚力為0～23 kPa，內(nèi)摩擦角為24°～41°。與其相比，三類典型污泥類危險廢物的抗剪強度相對較低，會給填埋處置帶來極大的安全隱患。由于決定黏聚力大小的主要因素是廢物垃圾中的黏土粒、有機質(zhì)分解產(chǎn)生的膠結物質(zhì)及廢物本身的逐漸壓密程度［21］，因此，對于三類典型污泥類危險廢物，在填埋前必須經(jīng)過嚴格的脫水、壓實、固化等預處理，以提高其抗剪強度。

3 結論

(1)三類典型污泥類危險廢物的最高含水率為70%以上，試驗測得A，B和C三類典型污泥類危險廢物的最優(yōu)含水率分別約為58%，54%和43%。在填埋過程中應選擇較大壓實功率的機械進行壓實預處理，以使其盡量接近最優(yōu)含水率再入場填埋。

(2)三類典型污泥類危險廢物比重與MSW相當，有機質(zhì)濃度普遍低于我國MSW的有機質(zhì)濃度;最大容重為17.15 kN/m3，超出MSW的容重范圍，分析原因，可能與污泥類危險廢物的礦物組成、孔隙體積和含水率有關。

(3)未經(jīng)壓實的三類典型污泥類危險廢物的滲透系數(shù)高于MSW范圍。滲濾液面升高導致廢物高含水率和低抗剪強度，不利于填埋堆體的穩(wěn)定性，壓實后的污泥滲透系數(shù)應低于該測定值。在實際工程穩(wěn)定性計算時，宜引入附加荷載以確保計算的有效性。

(4)三類典型污泥類危險廢物的含水率均低于GB 18598—2001的廢物入場控制含水率(85%)，但顆粒級配不均，直接剪切黏聚力最高只有約3 kPa，無側限抗壓強度不同種類相差較大，最高約320 kPa，滲透系數(shù)大而變化范圍廣，如進行直接混合填埋，勢必會對危險廢物填埋場構成巨大的安全隱患。

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