于小娟

(鹽城工學院 土木工程學院，鹽城　224051)

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污泥與城市生活垃圾混填的力學特性及穩(wěn)定性

于小娟

(鹽城工學院 土木工程學院，鹽城224051)

摘要：工業(yè)污水和生活污水排放量日益增多，污水處理廠污泥產量日趨加大，污泥填埋關鍵技術問題已成為當今環(huán)境工程以及環(huán)境巖土工程的熱點問題之一。污泥和垃圾混合填埋在其他國家已得到應用，但由于目前中國關于污泥及其城市生活垃圾混合樣的基礎性室內試驗成果不多，對污泥與城市垃圾混合樣的工程力學特性及其混合填埋的適宜比例等不甚了解，從而導致中國污泥垃圾混合填埋工程事故頻繁發(fā)生。對不同配比的污泥與城市生活垃圾混合樣進行了固結壓縮實驗、三軸固結不排水實驗、無側限抗壓強度實驗，得出污泥與城市生活垃圾混合樣的工程力學特性；同時，用ANSYS數(shù)值模擬方法，對不同配合比的污泥城市生活垃圾混合填埋邊坡的穩(wěn)定性進行分析，從而對污泥與城市生活垃圾混合填埋的適宜配合比及其穩(wěn)定安全問題提出理論支撐。

關鍵詞：污泥；城市生活垃圾；混合填埋；物理與工程力學特性；穩(wěn)定性

隨著社會經濟快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，工業(yè)污水和生活污水的排放量日益增多，污水處理廠污泥產量急劇增加，據中國住房和城鄉(xiāng)建設部 2013 年 2 月公布的數(shù)據，截止 2012年底，中國設市城市、縣累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠共 3 340座，污水處理能力約1.42 億m3/d，假設污水處理負荷率為 75%，每萬噸污水產生 6t含水率為 80%的污泥，則中國每天將產生含水率 80%的污泥 6.39萬t[1]。2010年10月的“京城環(huán)保第一大案”，以及隨后的“深圳污泥坑管涌威脅自然生態(tài)”、“重慶污泥不治污水處理系統(tǒng)將崩潰”等相繼見諸媒體的報道，揭開了中國在污泥處理上的嚴重缺口，污泥處置問題已成為中國亟待解決的環(huán)境問題。

目前,污泥處置與利用的方式主要有填埋、焚燒、農用以及資源化利用等[2]。由于污泥衛(wèi)生學指標、重金屬指標難以滿足農用標準，污泥焚燒存在汞汽化和二噁英污染等問題未能得到有效解決，污泥填埋因其有投資少、容量大、見效快的優(yōu)勢，已逐漸成為國內外污泥處置的主要途徑之一。

與污泥填埋相關的土工性質或力學性質的研究在其它國家70年代已經開始進行，主要在污泥用作填埋場覆蓋材料方面有較為深入研究[3-4]。近幾年來的研究成果研究表明，將城市生活垃圾與污泥進行混合，其降解穩(wěn)定過程比單獨填埋時明顯加快。比如，單華倫[5]的研究表明，污泥和生活垃圾進行混合填埋可以促進垃圾降解和填埋體沉降，對加速填埋場穩(wěn)定及擴大填埋庫容有利。徐華亭[6]通過造紙污泥與生活垃圾混合填埋的模擬實驗，提出添加適量的造紙污泥可加速生活垃圾降解過程，提高垃圾降解效率。吳正松等[7]通過生活垃圾與污泥一體化處理反應器試驗后提出，生活垃圾與污泥一體化處理，對污泥和垃圾的減量及穩(wěn)定效果良好。Kavitha等[8]研究指出，活化污泥可提高城市生活垃圾生物降解能力，促進其穩(wěn)定化進程。另外，Martin[9]對垃圾與污泥均勻混合填埋，加速填埋層進入穩(wěn)定的甲烷化階段的機理進行了理論分析。Kong等[10]對城市生活垃圾與污泥混合物汽化動力學特性及其活化能和指前因子等參數(shù)進行了研究。Fang等[11]進行了造紙污泥與城市生活垃圾混合的共熱解熱重量分析。Zuhaib等[12]對污泥加速城市生活垃圾進入甲烷化階段的最優(yōu)組分比進行了實驗分析。彭晨[1]利用城市生活垃圾堆肥的熱量可作為維持污泥中溫厭氧消化這一特性，對城市生活垃圾和污水廠污泥一體化反應器小件模型試驗進行了研究，試驗結果確定污泥的最優(yōu)運行投配率為25%。李耕宇[13]進行了不同污泥負荷下常溫厭氧活性污泥對生活垃圾填埋滲濾液處理效果研究，指出當污泥培養(yǎng)溫度為 21 ℃，滲濾液pH為 7.6 時，厭氧反應池中污泥負荷約為 7.83kgCOD/kgMLSS·d時，反應器處理效果最佳。另外，朱英等[14]對填埋物質分別為污泥、污泥+牛糞、污泥+鐵刨花以及準好氧填埋方式的加速穩(wěn)定化過程進行了研究。謝震震等[15]研究表明，污泥和粉煤灰混合填埋比污泥單獨填埋能夠加大有機物的降解速率，從而縮短穩(wěn)定化時間。

盡管以上研究成果表明污泥城市生活垃圾混合填埋可加速污泥穩(wěn)定化進程，減少污泥對垃圾填埋場穩(wěn)定的不利影響，但目前的研究成果多數(shù)停留在城市垃圾與污泥混合填埋對加快填埋場降解與穩(wěn)定過程有促進作用的描述上，中國具體的工程應用鮮有報道。相比而言，國外的污泥與城市垃圾混合填埋技術相對成熟些[16]。國外也有將污泥與城市生活垃圾或泥土混合填埋的應用：與生活垃圾混合填埋時，將污泥撒布在城市垃圾上面，混合均勻后鋪放于填埋場內，壓實覆土。污泥與垃圾的混合比為1：4-1：7，中間覆土層厚度0.15～0.3m，填埋容量為900～7 900m3/ha[17]。由于中國的城市垃圾種類比國外的要復雜得多，中國污水處理廠對污泥固化/穩(wěn)定預處理的標準、經費投入等與國外的相差巨大，因而國外污泥與垃圾混合填埋技術的具體參數(shù)不適用于中國國情。目前，中國對于污泥與城市垃圾土混合樣的土力學性質還了解不多，對污泥與城市垃圾混合樣的抗剪強度(內摩擦角、粘聚力)、固結特性(壓縮指數(shù)、固結系數(shù))等工程力學性質認識不足，從而對混合填埋時污泥與城市垃圾的適宜混合比例以及填埋的極限容量等問題不甚了解，而中國鮮有現(xiàn)成的資料可供借鑒，國外的又不適用于中國，從而導致中國污泥被大肆傾倒入MSW填埋場的現(xiàn)象屢見不鮮，填埋場工程安全隱患叢生，工程事故頻繁發(fā)生，不僅造成了慘重的人員傷亡和財產損失，也給當?shù)貛砹司薮蟮沫h(huán)境災難。比如，潮州市雞籠山垃圾填埋場的垃圾崩塌滑坡事故、深圳下坪固體廢棄物填埋場污泥坑管涌事故，以及由于污泥傾倒引發(fā)的廣州大王崗垃圾填埋場崩塌事故等。

為解決上述問題，進行了污泥及其城市生活垃圾混合樣室內試驗的基礎性研究工作，獲取了污泥與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學性質等土性參數(shù)，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質提供重要基礎數(shù)據。同時，對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進行實驗與分析，從而對混合填埋時污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究。最后，用數(shù)值模擬方法對不同配合比的污泥城市生活垃圾混合邊坡的穩(wěn)定性進行了分析。

1污泥與城市生活垃圾混合樣的工程力學特性室內實驗研究

1.1污泥物理性質指標及城市生活垃圾樣制備

實驗中的污泥取自鹽城市城東污水處理廠，污泥的物理力學指標如表1所示。

表1　污泥物理力學性質指標

根據鹽城市區(qū)城市生活垃圾的現(xiàn)場取樣，測得垃圾樣平均含水率ω=49.92%，ρ=1.69g/cm3，ρd=1.13 g/cm3。

實驗中的城市生活垃圾，根據鹽城市區(qū)城市生活垃圾的分揀資料，進行了人工配制，城市生活垃圾各組分如表2所示。根據中華人民共和國行業(yè)標準《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)中對試驗材料尺寸規(guī)定，將廢紙，木材，塑料等材料用剪刀剪碎，并控制其尺寸在試樣尺寸的1/5～1/10，測定各種材料初始含水率，結果列于表3。

根據表2和表3中的資料配制垃圾土。

表2　 MSW組成(干物質)

表3　MSW各組分初始含水率

在現(xiàn)場，垃圾填埋工程都要進行碾壓，機械碾壓所達到的壓實程度以及通過碾壓所獲得的密實度是實驗室模擬現(xiàn)場狀態(tài)時所面臨的兩個重要問題，為此，分別配置不同含水率的垃圾樣，進行室內標準擊實試驗。根據《土工試驗規(guī)程》，進行室內標準擊實試驗。擊實試驗結果見圖1。

圖1　城市生活垃圾樣的室內擊實曲線Fig.1　Compaction curve of

擊實實驗，含水率越高，干密度越大，曲線無顯著下降，造成這一現(xiàn)象的原因是垃圾土與正常土體性質上的差異。城市固體廢棄物(MSW)以其特殊的物理、力學及工程特性而顯著有別于無機土，雖然其高壓縮性與泥炭和有機質土有相似之處，但其變形機制以及生物降解特性與現(xiàn)有天然土體有本質的差別。

1.2污泥與城市生活垃圾混合樣固結壓縮實驗研究

將填埋場準入污泥(含水率小于60%)與城市生活垃圾樣按照不同配比混合進行固結壓縮實驗，固結壓縮實驗共分5組，純污泥以及污泥與城市垃圾混合樣，污泥與垃圾濕重百分比分別為10%、20%、30%、40%，每組兩個平行樣。純污泥及其污泥垃圾混合樣加荷等級分別為100、200、300 kPa。

污泥及其與城市生活垃圾混合樣的壓縮模量，壓縮系數(shù)及次固結系數(shù)分別見表4～8。

從表4～8可知,污泥的次固結系數(shù)大，主固結壓縮變形后表現(xiàn)有較大的蠕變特性；污泥與城市生活垃圾混合后，其次固結系數(shù)大為減小，污泥的蠕變特性得到較大改善。

表4　污泥固結壓縮指標

表5　污泥與垃圾混合比為10%混合樣固結壓縮指標

表6　污泥與垃圾混合比為20%混合樣固結壓縮指標

表7　污泥與垃圾混合比為30%混合樣固結壓縮指標

表8　污泥與垃圾混合比為40%混合樣固結壓縮指標

固結實驗純污泥(實測含水率分別為56%和60%)軸向位移與時間的關系圖如圖2所示。

圖2　純污泥固結壓縮量與時間關系圖Fig.2　Relationship between consolidation compression and time of sewage sludge (a) 56% water content (b) 60% water

圖2表明：純污泥具有高壓縮性，土體在短時間的加壓下有很大的軸向位移，隨著時間的增加，污泥在后期更表現(xiàn)出蠕變特性。含水率大的純污泥，其固結壓縮量要大于含水率小的純污泥

污泥(含水率為60%，與垃圾濕重百分比分別為10%、20%、30%、40%)的混合樣的固結壓縮實驗結果如圖3(a)、(b)、(c)、(d)所示。

圖3　污泥/垃圾混合樣固結壓縮量與時間關系圖Fig.3　Relationship between consolidation compression and time of sludge-MSM mixture

由圖3可見，濕重百分比為10%、20%、30%、40%時的污泥-垃圾土混合樣的壓縮性均比純污泥要低；隨著污泥濕重百分含量的增加，混合樣的固結壓縮量增大；混合樣，在加載初期，固結壓縮量迅速增大，隨著時間的增加，其固結壓縮量變?yōu)榫徛黾?，后趨于穩(wěn)定。

對于純污泥以及污泥與垃圾混合樣，其次固結系數(shù)與污泥與垃圾濕重百分含量的關系如圖4所示。

圖4　純污泥以及不同濕重百分比的污泥垃圾混合樣次固結系數(shù)與荷載關系圖Fig.4　the relation between the secondary consolidation coefficient and load of sludge and sludge-MSM mixture

圖4顯示，污泥垃圾混合樣的次固結系數(shù)均遠小于純污泥的次固結系數(shù)；隨著污泥濕重百分比的增加，混合樣的次固結系數(shù)普遍增大。

以上固結壓縮實驗結果表明，污泥與城市生活垃圾混合，可較好地改善污泥的固結壓縮特性，但要控制污泥的填入量，污泥含量增大，混合樣的壓縮性會增大；污泥與城市生活垃圾混合，可較大地減小純污泥的次固結系數(shù)，污泥與垃圾濕重百分比較小時，次固結系數(shù)小，表明合宜比例的污泥與垃圾混合，可較大地改良污泥的流變特性。

1.3污泥與城市生活垃圾混合樣強度特性實驗研究

在三軸固結不排水實驗和無側限抗壓強度實驗，污泥與城市垃圾混合樣中污泥與垃圾濕重百分比分別為10%、20%、30%、40%、50%，其中污泥含水率為60%。

三軸固結不排水實驗結果見表9所示。實驗可得到污泥與垃圾混合樣強度參數(shù)與污泥含量的關系，如圖5、6所示。

表9　污泥及污泥與垃圾混合樣固結不排水實驗結果

圖5　污泥/垃圾混合樣粘聚力與污泥/垃圾濕重比關系圖Fig.5　Cohesive force of sludge-MSM mixture samples under consolidated undrained

圖6　污泥/垃圾混合樣內摩擦角與污泥/垃圾濕重比關系Fig.6　internal friction angle of sludge and sludge-MSM under consolidated undrained

從表9可知，污泥與城市垃圾混合后，混合樣的粘聚力和摩擦角均要大于純污泥的，表明污泥與城市垃圾混合，可較好改善污泥的抗剪強度。表9及圖5、6顯示，混合樣的粘聚力隨著污泥含量的增加而增加，但當污泥含量超過某一數(shù)量(本實驗為40%)時，混合樣粘聚力又將較大幅度降低，而混合樣內摩擦角隨著污泥含量的增加而減小，表明污泥含量較高時，混合樣的粘聚力和摩擦角均較小，其強度較低。

圖7　三軸固結不排水主應力差與軸向應變關系Fig.7　The main differential stress and axialstrain of sludge-MSM mixture samples under consolidated undrained

無側限抗壓強度實驗：共分6組，每組3個平行樣。尺寸：直徑40 mm，高度10 cm。無側限抗壓強度實驗結果如表10和圖8所示。

表10　污泥及污泥垃圾混合樣的無側限抗壓強度

圖8　污泥垃圾混合樣的無側限抗壓強度Fig.8　the unconfined compressive strength of sludge-MSM mixture

上述圖表顯示，隨著污泥含量的增加，混合樣的無側限抗壓強度增大，但增加到一定值后，隨著污泥含量的進一步增加，其qu值會顯著降低。解讀：污泥填入城市生活垃圾，污泥含量不高時，隨著污泥含量的增加，流動性較強的污泥細顆粒能更好地填充垃圾土顆粒之間的空隙，促進各組分間能更緊密排列，從而使混合樣粘聚力增大，無側限抗壓強度增大；但隨著污泥含量的增大，污泥在混合樣中的作用將漸趨呈主導，污泥的“膜”作用及其有機質的潤滑作用將越趨增大，從而導致其無側限抗壓強度顯著下降。

2污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬分析

污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬，坡角為15.5°，邊坡形狀及計算模型如圖9所示。彈性模量E=15 MPa，泊松比0.3。計算范圍取坡腳向左延伸40 m，深度取坡腳以下30 m，模型總寬280 m。左、右邊界僅約束水平位移，底部邊界約束水平和豎直位移。網絡劃分見圖10所示。Plane42單元，分成1 139個單元，1 233個節(jié)點。模型按平面應變考慮。

1.2.4 處置及改進階段:在培訓過程中,運用PDCA循環(huán)管理,定期總結,在對新入科的CSSD護士進行培訓過程中及時發(fā)現(xiàn)問題,提出改進措施,總結經驗并進行效果評價。消毒供應專業(yè)操作項目雜、設備設施多、工作量大,因此對消毒供應中心新入科護士的培訓是持續(xù)性的。對定期考核的成績應及時分析原因并進行改進。

圖9　邊坡計算模型Fig.9　Calculation model of

圖10　網格劃分圖Fig10　Grid partitioning of the

污泥與垃圾混填邊坡的計算參數(shù)見表11，表中的參數(shù)取自固結不排水實驗結果，其中的強度指標如表9所示。

表11　垃圾混合樣參數(shù)

不同混合比數(shù)值模擬如下：

當混合比為10%時，破壞時等效塑形應變、變形圖如圖11～13，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.1。

當混合比為20%時，破壞時等效塑形應變、變形圖如圖14～16，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.03。

當混合比為30%時, 破壞時等效塑形應變、變形圖如圖17～19，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.13。

圖11　混合比10%破壞等效塑形應變Fig.11　Plastic strain of the equivalent destruction of the sludge-MSM mixture sample(10% wet

圖12　混合比10%ΔS/ΔFs與Fs關系Fig.12　The relationship betweenΔS/ΔFs

圖13　混合比10%破壞時變形圖Fig.13　Deformation of the destruction of the sludge-MSM mixture sample(10% wet

圖14　混合比20%破壞等效塑形應變Fig.14　Plastic strain of the equivalent destruction (20% wet

圖15　混合比20%ΔS/ΔFs與Fs關系Fig.15　The relationship between ΔS/ΔFs

圖16　混合比20%破壞時變形圖Fig.16　Deformation of the destruction of the sludge-MSM mixture sample (20% wet

圖17　混合比30%破壞等效塑形應變Fig.17　Plastic strain of the equivalent destruction of the sludge-MSM mixture (30% wet

圖18　混合比30%ΔS/ΔFs與Fs關系Fig18　The relationship between ΔS/ΔFs

圖19　混合比30%破壞時變形圖Fig.19　Deformation of the destruction of the sludge-MSM mixture sample(30% wet

圖20　混合比50%破壞等效塑形應變Fig.20　Plastic strain of the equivalent destruction

圖21　混合比50%ΔS/ΔFs與Fs關系Fig.21　The relationship between ΔS/ΔFsand

圖22　混合比50%破壞時變形圖Fig.22　Deformation of the destruction of the sludge-MSM mixture sample(50% wet

由上述的數(shù)字模擬分析結果可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當污泥含量增大到50%時，其安全系數(shù)會激劇下降。因此,污泥與垃圾混合填埋時，一定要控制污泥的摻入量，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。

3結論

1)通過污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的壓縮及強度等實驗，獲取了污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學性質指標，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質提供重要基礎數(shù)據。

2)對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進行實驗與分析，從而對混合填埋時污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究：合宜比例的污泥與垃圾混合，可較好地改善污泥的流變特性和強度。

3)通過污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬分析可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當污泥含量增大到50%時，其安全系數(shù)會驟然下降。因此，污泥與垃圾混合填埋的實際工程，一定要結合混合樣的固結壓縮特性、強度特性試驗和邊坡穩(wěn)定計算結果，控制污泥的適宜摻入比例，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。

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(編輯胡玲)

Mechanicalpropertiesandstabilityanalysisofsludge-municipalsolidwastemixturelandfill

YuXiaojuan

(SchoolofCivilEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051 ,P.R.China)

Abstract:Withtheincreaseofsludgeproductionofwastewatertreatmentplants,sludgetreatmenthasbecomeoneofthehottopicsinenvironmentalengineeringandenvironmentalgeotechnicalengineering.Sludge-municipalsolidwaste(MSW)mixturelandfillhasbeenappliedabroad.ButthecurrentdomesticfoundationallaboratorytestresultofMSWmixturesampleisnotmuch，thereisalackofunderstandingonitsmechanicalpropertiesandtheappropriateproportionofmixedlandfill.Hencedomesticsludge-municipalsolidwaste(MSW)mixturelandfillengineeringaccidentsoccurfrequently.Consolidationcompressionexperiments,threeaxisconsolidatedundrainedtestsandunconfinedcompressivestrengthtestsareconductedtodisscussthemechanicalpropertiesofdifferentmixingratioofsludge-municipalsolidwaste(MSW)mixture.Atthesametime,ANSYSnumericalsimulationisoperatedtoanalyzetheslopestabilityoflandfillwithdifferentmixingratioofsludge-municipalsolidwaste(MSW)mixture.Thetheoreticalsupportontheappropriateproportionofmixedlandfillandstabilitysecurityofsludge-municipalsolidwastemixturelandfillisproposed.

Keywords:sludge;municipalsolidwaste(MSW);mixturebackfilling;mechanicalproperties;slopestability

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.012

收稿日期：2015-12-25

基金項目：江蘇省社會發(fā)展項目(BE2011729)

作者簡介：于小娟(1969-)，女，教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程研究，(E-mail)flyingfish7101@126.com。

Foundationitem：SocialDevelopmentProjectofJiangsuProvince(No.BE2011729)

中圖分類號：TU4

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0080-10

Received:2015-12-25

Authorbrief：YuXiaojuan(1969-)，professor，PhD，mainresearchinterest：environmentalgeotechnicalengineering，(E-mail)flyingfish7101t@126.com.