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        污泥-生活垃圾混合填埋體抗剪強度特性研究

        2019-09-10 16:55:32王佩周文淵閆坤廖丹
        人民長江 2019年7期
        關(guān)鍵詞:摩擦角凝聚力抗剪

        王佩 周文淵 閆坤 廖丹

        摘要:污泥送入生活垃圾填埋場進行混合填埋是國內(nèi)外常用的處置途徑之一。混合填埋體強度參數(shù)對填埋場穩(wěn)定性有重要影響,為此在實驗室開展了不同擊實功、不同污泥添加量以及不同生化降解時間條件下污泥-生活垃圾混合試樣的強度試驗,對其強度特性進行研究。結(jié)果表明:① 隨著擊實功的增加,混合試樣的抗剪強度整體上逐漸增大,當其密度超過1 050 kg/m3時,混合試樣的內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象,其抗剪強度增加幅度很小甚至減小。② 隨著污泥添加量的增加,混合試樣的內(nèi)摩擦角逐漸減小,凝聚力逐漸增加,但是當污泥添加量超過40%時,其凝聚力反而減小。③ 隨著生化降解的進行,混合試樣抗剪強度整體趨勢在增加,凝聚力和內(nèi)摩擦角的整體趨勢也在增加。

        關(guān) 鍵 詞:污泥; 生活垃圾; 垃圾填埋; 抗剪強度; 生活垃圾降解

        污泥是污水脫水處理后的沉淀物質(zhì),富含微生物、有機物、病原體、重金屬等,若不進行適當?shù)奶幹茫苋菀自斐纱罅课廴疚锿庑?,對環(huán)境產(chǎn)生二次污染[1]。隨著我國城市化進程的加快,污泥產(chǎn)量急劇增加[2]。數(shù)據(jù)顯示:2016年,全國污泥處理能力約為1 300萬t/d,全國污泥處理率僅達到33%,有67%左右的污泥沒有得到無害化處理處置,對生態(tài)環(huán)境造成威脅。日益嚴重的污泥問題對社會、環(huán)境已造成嚴重的影響[3]。

        由于填理處置方式具有技術(shù)成熟、工藝設(shè)備及操作簡單、接納量大等優(yōu)點,以及受到我國經(jīng)濟發(fā)展水平的限制,我國污泥處置方式主要為送入垃圾填埋場進行填埋處置[4-5],但是對于污泥與生活垃圾混合填埋的研究相對缺乏。近年來,國內(nèi)外混合填埋場屢屢發(fā)生工程事故。如國內(nèi)某大型填埋場混合填埋污泥和垃圾時未考慮其特殊性質(zhì),造成填埋氣壓和孔隙水壓力過高,污泥受壓擠滲入周邊垃圾和襯墊系統(tǒng)中導致堆體抗剪強度降低[6]。2009 年英國發(fā)生填埋場失穩(wěn)事故,大量垃圾、污泥和滲濾液沖出填埋場排入附近的城市河道,引發(fā)了嚴重的區(qū)域環(huán)境污染[7]。分析失事原因,主要是由于污泥送入垃圾填埋場進行填埋處置缺少理論性、技術(shù)性支撐,導致填埋場發(fā)生失穩(wěn)事故,引起環(huán)境污染。

        目前,國內(nèi)外對混合填埋體剪切強度特性已經(jīng)進行了初步研究,但是研究成果還不能滿足實際工程的需要,尤其缺乏考慮生化降解對混合填埋體抗剪強度影響的研究。趙由才等采用礦化垃圾和建筑垃圾分別與污泥進行混合[8],研究其相關(guān)的力學性質(zhì),指出混合質(zhì)量比達到0.7時,其抗壓強度均滿足50 kPa的填埋要求。施建勇對污泥和生活垃圾混合填埋體進行研究[9],結(jié)果表明混入生活垃圾可以有效提高污泥填埋體的強度,混合填埋體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)硬化型;混合填埋體的滲透系數(shù)相比污泥有了明顯增加。于小娟采用常規(guī)三軸儀對污泥和生活垃圾混合填埋體開展固結(jié)不排水試驗[10],結(jié)果表明:混入生活垃圾可以有效改善污泥的強度特性;隨著污泥/生活垃圾的質(zhì)量比逐漸增加,混合填埋體的凝聚力先增加后減小,內(nèi)摩擦角減小。Reddy的試驗結(jié)果證明[11]:隨著降解的進行,填埋體內(nèi)部的有機質(zhì)生化降解,導致垃圾土結(jié)構(gòu)重新調(diào)整,其強度隨著降解的進行發(fā)生變化,在270 d的降解過程中,凝聚力逐漸增加,內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)減小的趨勢。陳云敏等通過三軸固結(jié)排水試驗研究了不同填埋齡期垃圾原狀土的抗剪強度[12],結(jié)果顯示凝聚力隨齡期增加而減小,摩擦角隨齡期增加而增大。

        污泥和生活垃圾在物質(zhì)組成[13-14]、生化降解[15-16]、力學性質(zhì)等方面有著較大的差異[17-18],已有關(guān)于垃圾土的相關(guān)研究成果并不完全適用于這種混合填埋體。因此,需要對污泥-生活垃圾混合填埋體的強度特性進行進一步的研究。本文在實驗室通過從不同擊實功、不同污泥添加量以及不同生化降解時間等3個方面進行污泥-生活垃圾混合試樣的強度試驗,對其強度特性進行了研究。

        1 試驗材料與試驗方案

        1.1 試驗材料

        試驗污泥取自某市污水處理廠的脫水污泥,其物理指標見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,相比軟土和淤泥,污泥屬于典型的高含水率、高有機質(zhì)含量的有機廢棄物[19-20]。

        城市生活垃圾成分復雜,大體可以包括紙張、玻璃、塑料、橡膠、皮革、紡織品、草木、廚余垃圾、磚石、金屬、泥土等[21]。在分析國內(nèi)填埋場中垃圾分揀資料的基礎(chǔ)上,人工配制試驗所需的新鮮生活垃圾,具體組分及含量見表2[9,13,18]。垃圾組分尺寸控制在30mm以內(nèi)[22-23]。

        1.2 試驗方案

        《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》要求污泥進入填埋場進行混合填埋處置時,含水率不超過150%[24]。

        本文通過晾曬污泥,將其含水率降低至150%;在分析國內(nèi)填埋場垃圾土含水率的基礎(chǔ)上,將試驗所用的垃圾含水率配制為60%[25-26]?;诖?,開展以下3個方面的強度試驗。

        (1) 新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功的關(guān)系。對新鮮生活垃圾進行重型擊實試驗,每層擊實次數(shù)分別為0次、5次、25次、50次、75次、100次。其中0擊次將試樣分5層裝填于擊實筒,研究擊實功對新鮮生活垃圾密度的影響。在研究新鮮生活垃圾抗剪強度時,本文選取4種密度(試樣密度為濕密度,分別選取750,950,1 050,1 200 kg/m3)新鮮生活垃圾試樣進行直剪試驗。

        綜合上述試驗,研究新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功的關(guān)系。

        (2) 污泥添加量對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強度的影響。在填埋作業(yè)時,會對污泥-生活垃圾混合試樣進行分層碾壓,基于此采用重型擊實試驗制備直剪試樣。將污泥和生活垃圾按質(zhì)量比例(0%,12.5%,20%,30%,40%,50%)混合攪拌均勻密封養(yǎng)護1 d后,進行分層擊實,開展抗剪強度試驗(法向應(yīng)力分別為100,200,300,400 kPa),研究不同污泥添加量條件下污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度。

        (3) 生化降解對污泥-生活垃圾混合試樣抗剪強度的影響。為了測試不同生化降解下污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度特性,選擇污泥和生活垃圾的質(zhì)量比為12.5%,20%,30%,40%混合攪拌均勻。將配置好的污泥-生活垃圾混合試樣分層裝入塑料桶內(nèi)并密封,模擬填埋場的生化降解試驗,試驗周期180 d。然后在不同降解時間取出試樣進行直接剪切試驗,測定不同降解時間時混合試樣的抗剪強度。

        強度試驗采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀,根據(jù)GB/T50123-1999《土工試驗方法標準》,當剪切位移超過4 mm后仍然沒有出現(xiàn)峰值,此時,剪切試驗繼續(xù)進行,將剪切位移量達到6 mm時的剪應(yīng)力選取為抗剪強度值。

        2 試驗結(jié)果分析

        2.1 新鮮生活垃圾抗剪強度與擊實功關(guān)系

        將不同密度條件下新鮮生活垃圾的抗剪強度與法向應(yīng)力的關(guān)系繪制成如圖1所示。將新鮮生活垃圾的密度與每層擊實次數(shù)的關(guān)系繪制如圖2所示。

        由圖1~2可知,隨著擊實次數(shù)增加,新鮮生活垃圾的密度逐漸增大,其抗剪強度包線的位置逐漸上移;在整體上,隨著擊實次數(shù)的增加,生活垃圾試樣的抗剪強度逐漸增大。這是由于擊實功的增加導致生活垃圾的密實度增大,試樣的抗剪強度逐漸增大[27]。

        當每層擊實次數(shù)為50次時,試樣的密度達到1 050 kg/m3,隨著擊實次數(shù)繼續(xù)增加,新鮮生活垃圾試樣密度繼續(xù)增大,其內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象,抗剪強度增加幅度很小甚至減小。這是由于當擊實功達到一定值時,隨著擊實功繼續(xù)增加,在制樣過程中容易導致紙類、塑料等沿水平排列,不能很好地發(fā)揮加筋作用[27];另外,塑料表面比較光滑,摩擦系數(shù)較小,導致生活垃圾的抗剪強度基本保持穩(wěn)定甚至可能減小[26]。

        2.2 混合試樣抗剪強度與污泥添加量關(guān)系

        由2.1節(jié)試驗結(jié)果,在進行新鮮污泥-生活垃圾混合試樣填埋制樣時,每層重型擊實50次控制試樣密度;對不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合試樣進行快剪試驗,試驗結(jié)果如圖3所示。將圖3進行整理可以得到內(nèi)摩擦角、凝聚力與污泥添加量的關(guān)系,如圖4所示。

        從圖3~4可以看出:① 污泥與生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型曲線;純垃圾的凝聚力c較小,內(nèi)摩擦角φ較大;隨著污泥添加量逐漸增加,試驗得到的φ值逐漸減小;而隨著污泥添加量的增加,c值卻逐漸增加,在本次試驗中,污泥添加量達到40%時,c值增加最大,而純污泥相當于污泥添加量無窮大時的污泥-生活垃圾混合試樣,其內(nèi)摩擦角φ值僅有2.5°,凝聚力c值也僅有5.16 kPa,所以,當污泥添加量過大時,污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力c值反而會逐漸減小。② 當法向應(yīng)力為400 kPa時,純垃圾的剪應(yīng)力達到180.1 kPa,污泥添加量為50%的污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力為159.4 kPa,隨著污泥的混入,污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力明顯降低;純垃圾的內(nèi)摩擦角φ為23.8°,污泥添加量為50%的混合試樣的內(nèi)摩擦角φ為20.1°,可以發(fā)現(xiàn)隨著污泥的混入,污泥-生活垃圾混合試樣的內(nèi)摩擦角φ明顯減小。因此,將污泥送入垃圾填埋場中進行填埋處理時,需要重點關(guān)注填埋邊坡的穩(wěn)定性問題。

        2.3 混合試樣抗剪強度與生化降解時間關(guān)系

        隨著降解的進行,易降解有機質(zhì)在微生物的作用下逐漸降解,產(chǎn)生水、CO2和甲烷等,導致混合試樣的有機質(zhì)含量逐漸降低,無機物含量增加[14]。無機物中含有大量纖維狀物質(zhì),其強度明顯大于有機物的強度,所以,隨著降解的進行,污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度逐漸增大[12]。

        根據(jù)試驗結(jié)果,污泥-生活垃圾混合試樣在不同降解時間下的抗剪強度包線如圖5所示。由圖5可以看出:不同污泥添加量的污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度隨法向應(yīng)力增加呈線性增大的趨勢,符合摩爾-庫倫定律,其抗剪強度參數(shù)與降解時間的關(guān)系如圖6所示。從圖5及圖6可以看出,整體上隨著降解時間的延長,凝聚力和內(nèi)摩擦角整體上逐漸增大。但是,也可以發(fā)現(xiàn),降解時間為30 d時,其抗剪強度、凝聚力和內(nèi)摩擦角都明顯小于降解初期(降解時間0 d時)。其原因是在本次試驗中,將室內(nèi)配置好的污泥和生活垃圾混合均勻后養(yǎng)護1 d,即對其進行直剪試驗。在降解初期,隨著降解時間的延長,混合試樣中的水與其他物質(zhì)充分混合,紙類、塑料、廢布料等纖維狀物質(zhì)被充分軟化,其抗剪強度下降。由圖5可以明顯看出:30 d時污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度包線所在的位置在0 d時的下面,其斜率也較小;30 d后,隨著降解時間的延長,抗剪強度包線的斜率逐漸增大,且其位置也逐漸抬升,表明其抗剪強度、凝聚力和內(nèi)摩擦角隨著降解的進行逐漸增大。

        當降解時間由30 d增加到180 d時,內(nèi)摩擦角和凝聚力都有不同程度的增加。如圖6所示,污泥添加量為12.5%的污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力由11.69 kPa增大到13.98 kPa,內(nèi)摩擦角由18.9°增大到23.4°;污泥添加量為20%時,凝聚力由12.72 kPa增大到14.38 kPa,內(nèi)摩擦角由19.8°增大到23.9°;污泥添加量為30%時,凝聚力由13.9 kPa增大到20.62 kPa,內(nèi)摩擦角由20.6°增大到23.3°;污泥添加量為40%時,凝聚力由15.8 kPa增大到21.88 kPa,內(nèi)摩擦角由20.1°增大到22.4°。

        3 結(jié) 論

        (1) 隨著擊實功的增加,生活垃圾的抗剪強度整體上逐漸增大,當每層擊實次數(shù)達到50次、密度超過1 050 kg/m3時,生活垃圾的內(nèi)摩擦角和凝聚力增加不明顯甚至有減小現(xiàn)象,其抗剪強度增加幅度很小甚至有減小的趨勢。

        (2) 污泥-生活垃圾混合試樣的剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型;隨著污泥添加量的增加,污泥-生活垃圾混合試樣的內(nèi)摩擦角逐漸減小,凝聚力逐漸增加,但是當污泥添加量超過40%時,其凝聚力反而減小。

        (3) 在整體趨勢上,隨著有機質(zhì)降解時間的延長,污泥-生活垃圾混合試樣的凝聚力和內(nèi)摩擦角整體上逐漸增大。其中,在降解初期,抗剪強度參數(shù)c和φ均減小,其原因是由于紙類、塑料、廢布料等纖維狀物質(zhì)被水充分軟化,其抗剪強度下降。

        (4)本文采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀研究污泥-生活垃圾混合試樣的抗剪強度,由于生活垃圾的不均勻性和復雜性,下一步將通過提高剪切試驗盒的尺寸開展大型直剪試驗。

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        (編輯:鄭 毅)

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