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。

參考文獻：

[1] 張燦，陳虹，余憶玄，等.我國沿海地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥重金屬污染狀況及其處置分析[J].環(huán)境科學，2013，34（4）：1345-1350.

[2] 薛飛，王佩，李磊，等.污泥固化土強度特性研究[J].人民長江，2018，49（17） ：81-86.

[3] 易進翔.污泥-生活垃圾混合填埋體生化降解下的強度演化及填埋場的穩(wěn)定性研究[D].南京：河海大學，2017.

[4] 趙樂軍，戴樹桂，辜顯華.污泥填埋技術(shù)應(yīng)用進展[J].中國給水排水，2004，20（4） ：27-30.

[5] 李磊，徐菲，周靈君，等.固化污泥壓縮特性研究[J].巖土工程學報，2015（1）：171-176.

[6] 詹良通，羅小勇，管仁秋，等.某垃圾填埋場污泥坑外涌及其引發(fā)下游堆體失穩(wěn)機理[J].巖土工程學報，2013，35 （7）：1189-1196.

[7] 楊春寶.填埋場變形與穩(wěn)定離心模型試驗研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[8] 趙由才，張華，黃仁華，等.不同改性劑改善污泥土工性質(zhì)的比較研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32（1）：35-39.

[9] 施建勇，王娟.污泥摻入生活垃圾后的力學特性試驗研究[J].巖土力學，2012，33（11）：13-17.

[10] 于小娟.污泥與城市生活垃圾混填的力學特性及穩(wěn)定性[J].土木建筑與環(huán)境工程，2016，38（3）：80-89.

[11] Reddy K R，Gangathulasi J，Parakalla N S，el al.Compressibility and shear strength of municipal solid waste under short-term leachate recirculation operations[J].Waste Management & Research，2009，27（6）：578-587.

[12] 陳云敏，林偉岸，詹良通，等.城市生活垃圾抗剪強度與填埋齡期關(guān)系的試驗研究[J].土木工程學報，2009，42（3）：111-117.

[13] Li X L，Shi J Y.Stress-strain behaviour and shear strength of Municipal Solid Waste （MSW）[J].Journal of Civil Engineering，2016，20（5）：1747-1758.

[14] O’Kelly B C.Geotechnical properties of municipal sewage sludge[J].Geotechnical and Geological Engineering，2006，24（4）：833.

[15] 胡亞東.有機質(zhì)降解規(guī)律及對垃圾土變形影響的研究[D].南京：河海大學，2006.

[16] 李磊，朱偉，吉順健，等.微生物對固化/穩(wěn)定化污泥長期強度的影響研究[J].巖土工程學報，2008，30（12）：1778-1782.

[17] O’Kelly B C.Effect of biodegradation on the consolidation properties of a dewatered municipal sewage sludge[J].Waste Management，2008，28（8）：1395-1405.

[18] 張振營，嚴立俊，吳大志.城市新鮮垃圾抗剪強度參數(shù)模型研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（9）：1938-1944.

[19] 劉松玉，韓文君，章定文，等.劈裂真空法加固軟土地基試驗研究[J].巖土工程學報，2012，34（4）：591-599.

[20] 鮑樹峰，婁炎，董志良，等.新近吹填淤泥地基真空固結(jié)失效原因分析及對策[J].巖土工程學報，2014，36（7）：591-599.

[21] 錢學德，郭志平，施建勇，等，現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場的設(shè)計與施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[22] Yuan P B，Kavazanjian E J，Chen W W，et al.Compositional effects on the dynamic properties of municipal solid waste[J].Waste Management，2011，31（12）：2380-2390.

[23] Fei X C，Zekkos，D Raskin L.An experimental setup for simultaneous physical， geotechnical， and biochemical characterization of municipal solid waste undergoing biodegradation in the laboratory[J].ASTM Geotechnical Testing Journal，2014，37（1）：1-12.

[24] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)：GB/T23485-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[25] 張振營，嚴立俊.城市新鮮生活垃圾變形與強度的關(guān)聯(lián)特性[J].浙江大學學報（工學版），2014，48（11）：1962-1967.

[26] 劉曉東，施建勇，高海.降解對垃圾土壓縮回彈特性的影響[J].深圳大學學報（理工版），2011，28（6）：535-540.

[27] 旦增頓珠，介玉新，魏弋峰，等.垃圾土的強度特性試驗研究[J].清華大學學報（自然科學版），2006（9）：1538-1541.

（編輯：鄭 毅）