王 磊，譚學(xué)軍，鄭曉光

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.上海申環(huán)環(huán)境工程有限公司，上海市200092]

0 引言

城鎮(zhèn)污水處理過(guò)程伴隨產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物污泥，2020 年我國(guó)污水處理廠產(chǎn)生污泥干固體總量達(dá)到1 162.77 萬(wàn)t[1]。早期我國(guó)污泥以填埋為主，侵占了大量土地資源[2]。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)推進(jìn)，許多填埋場(chǎng)面臨著二次開(kāi)發(fā)問(wèn)題，歷史填埋的污泥亟需尋找出路。

上海某城鎮(zhèn)污水處理廠自2004 年開(kāi)始在廠內(nèi)填埋脫水污泥，2010 年填埋場(chǎng)覆膜封場(chǎng)。近來(lái)由于污水廠改擴(kuò)建亟需征用填埋場(chǎng)土地，擬將填埋污泥挖出進(jìn)行二次處理處置。污泥處置方式主要包括焚燒、土地利用和建材利用[3]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間填埋，污泥中有機(jī)物逐漸降解[4]，熱值相應(yīng)大幅降低，焚燒經(jīng)濟(jì)效益較差。填埋污泥中仍然富集有重金屬等污染物，農(nóng)用、園林綠化等土地利用存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，且消納量隨季節(jié)波動(dòng)穩(wěn)定性差。污泥建材利用主要將污泥作為輔料燒制水泥熟料、制磚、制陶粒等[5]，極度依賴(lài)水泥窯、磚窯等設(shè)施，且污泥摻加比例較低[6]，消納量有限。與新鮮污泥相比填埋污泥處理處置更加困難[7]，然而目前污泥處理處置技術(shù)研究主要聚焦于新鮮污泥[8，9]，關(guān)于填埋污泥的研究卻鮮有報(bào)道。

與此同時(shí)，該污水廠改擴(kuò)建過(guò)程中場(chǎng)地平整、景觀造坡、道路施工、管槽回填需要大量回填土，外購(gòu)?fù)练郊仍黾咏?jīng)濟(jì)成本，土方開(kāi)采過(guò)程還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。利用填埋污泥制備回填土有利于破解污泥出路缺乏和工程土方短缺兩大困境[10]。河道疏浚底泥固化改性制備填方材料、回填土、路基材料目前已有較多研究[11-13]，而針對(duì)填埋污泥的研究卻較少。因此，本研究針對(duì)該污水廠填埋污泥進(jìn)行固化改性研究，對(duì)改性產(chǎn)物的工程特性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，論證填埋污泥固化改性后用作回填土的技術(shù)可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用污泥取自上海某城鎮(zhèn)污水廠的污泥填埋場(chǎng)。該填埋場(chǎng)建成于2004年，底部及四壁鋪設(shè)有防滲膜，填埋對(duì)象為污水廠脫水污泥，污泥含水率為80%左右，2010 年該污泥填埋場(chǎng)覆膜封場(chǎng)。2021 年從該填埋場(chǎng)取泥，用清水稀釋至含水率92%，摻加PAM和FeCl3進(jìn)行化學(xué)調(diào)理，然后采用隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行深度脫水，進(jìn)泥壓力為0.8 MPa，壓榨壓力為1.5 MPa，壓榨時(shí)間為120 min。隔膜壓濾機(jī)卸泥口所采集泥餅性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 污泥性質(zhì)

污泥固化改性試驗(yàn)所用藥劑為專(zhuān)利藥劑申環(huán)固土16 土壤固化劑（NOWA-SH），屬鈣基活性激發(fā)類(lèi)復(fù)合型土壤固化劑，以鈣基無(wú)機(jī)類(lèi)活性材料、激發(fā)劑與外加劑為原料，經(jīng)調(diào)配而成。

1.2 試驗(yàn)方法

污泥隔膜壓濾脫水泥餅呈塊狀，使用ALUU 破碎篩分斗進(jìn)行泥餅破碎，破碎后粒徑不大于10 mm。

將破碎后污泥分成體積約20 m3的3 個(gè)堆體，按照0%、5%、7.5%三個(gè)藥劑投加比例（藥劑質(zhì)量占污泥干重的比例），分別向污泥中摻加藥劑并混合均勻，堆置反應(yīng)3 h，取樣進(jìn)行檢測(cè)分析。

將污泥分別攤鋪成長(zhǎng)10 m、寬2 m 的條狀，采用寶馬格XMR403 壓路機(jī)（型號(hào)ZN490B，工作質(zhì)量4 t）進(jìn)行分層碾壓，每層最大壓實(shí)厚度為200 mm，且不小于100 mm。每層污泥均碾壓10 遍（5 個(gè)來(lái)回），下層污泥碾壓完成后，攤鋪上層污泥碾壓，直至污泥最終總厚度達(dá)到500～600 mm，考察污泥壓實(shí)效果。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程照片見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程照片

1.3 檢測(cè)方法

檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)方法見(jiàn)表2。

表2 檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

2.1 最大干密度與最優(yōu)含水率

土工擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程將不同含水率的土樣分別擊實(shí)，再將擊實(shí)后的土樣分別檢測(cè)干密度，其中最大干密度土樣的含水率稱(chēng)為最優(yōu)含水率。含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，土中的粘粒擴(kuò)散層不能夠充分發(fā)展，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)間作用力強(qiáng)，土體很難壓密；含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，團(tuán)粒間作用力減小，顆粒趨于定向排列，孔隙比增大，密度減小[11]。土方回填時(shí)，應(yīng)盡可能使填料含水率接近最優(yōu)含水率，填筑壓實(shí)后才能達(dá)到最佳效果。

本研究分別針對(duì)不摻加固化劑和摻加5%固化劑的污泥開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。不摻加固化劑的污泥通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最大干密度為0.92 g/cm3，最優(yōu)含水率為57.4%；摻加5%固化劑后，最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，與不摻加固化劑相比最大干密度提高了7.6%，最優(yōu)含水率降低了10.4%。易進(jìn)翔等[14]利用普通硅酸鹽水泥固化污水廠脫水污泥，也發(fā)現(xiàn)固化污泥的干密度隨著水泥材料摻加量的增加而增加、孔隙比隨著摻加量的增加而減少。

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試樣在無(wú)側(cè)向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)回填土的強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)定，林安珍等[11]提出回填土的強(qiáng)度應(yīng)不小于0.2 MPa，以滿(mǎn)足車(chē)輛、機(jī)械等進(jìn)場(chǎng)作業(yè)要求。《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 169—2012）對(duì)基層材料強(qiáng)度進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，石灰穩(wěn)定類(lèi)材料用于輕交通的下基層材料時(shí)7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值應(yīng)不小于0.7 MPa，而用于重、中交通的下基層材料時(shí)強(qiáng)度值應(yīng)不小于0.8 MPa。

摻加不同比例固化劑后污泥7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。不摻加固化劑的污泥強(qiáng)度很低，僅為0.1 MPa，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛、機(jī)械進(jìn)場(chǎng)作業(yè)要求。摻加5%比例固化劑之后，污泥強(qiáng)度提高至0.9 MPa；進(jìn)一步提高藥劑比例至7.5%，強(qiáng)度提高至1.9 MPa。隨著固化劑摻量提高，污泥的強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的升高趨勢(shì)，不僅可滿(mǎn)足車(chē)輛機(jī)械作業(yè)要求，還可滿(mǎn)足道路下基層材料的強(qiáng)度要求。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

2.3 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果

摻加不同比例藥劑后污泥壓實(shí)效果見(jiàn)圖4。不摻加固化劑工況下，污泥較為松軟，碾壓過(guò)程中彈性較大，無(wú)法壓實(shí)，且污泥極易粘結(jié)在壓路機(jī)滾輪上，碾壓后污泥表面粗糙龜裂。摻加5%和7.5%固化劑后，污泥抗壓強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，碾壓過(guò)程中粘結(jié)滾輪現(xiàn)象明顯改善，碾壓后污泥較為密實(shí)，表面也較為平整光滑。藥劑投加量越大，碾壓后密實(shí)度和平整度越好。

圖4 污泥壓實(shí)表觀效果

2.4 有機(jī)物含量

研究對(duì)象污水廠新鮮污泥有機(jī)物含量約50%～55%，而本研究所取填埋污泥有機(jī)物含量為32.90%，這可能是由于污泥經(jīng)過(guò)10 余年填埋過(guò)程，易降解有機(jī)物發(fā)生了厭氧生物降解。朱英等[4]研究發(fā)現(xiàn)，污泥填埋700 d 后揮發(fā)性有機(jī)物和總有機(jī)碳的含量分別從44.7%和23.5%降低至24.2%和13.5%。齊文杰等[15]認(rèn)為，污泥在填埋場(chǎng)中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的降解后達(dá)到穩(wěn)定化，形成礦化污泥，污泥填埋場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定化所需時(shí)間約為3 a。本研究污泥填埋時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 余年，推測(cè)污泥已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定化，剩余有機(jī)物主要以難生物降解有機(jī)物為主。因此，污泥固化改性作為回填土后，有機(jī)物短時(shí)間內(nèi)迅速降解產(chǎn)生大量甲烷、惡臭氣體的可能性較小。

《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）規(guī)定：臨時(shí)性建筑設(shè)計(jì)使用年限為5 a，易于替換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的建筑設(shè)計(jì)使用年限為25 a，普通房屋和構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)使用年限為50 a。在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度下，污泥中殘留的難降解有機(jī)物在微生物的作用下仍然會(huì)發(fā)生緩慢的降解。冉孟膠等[16]研究發(fā)現(xiàn)，填埋固化污泥用作地基土?xí)r，因有機(jī)質(zhì)降解引起的不均勻沉降不可忽略，需考慮地基長(zhǎng)期穩(wěn)定性?！锻练郊氨乒こ淌┕ぜ膀?yàn)收規(guī)范》（GB 50201—2012）規(guī)定：有機(jī)質(zhì)含量大于8%的土，不應(yīng)用于有壓實(shí)要求的回填區(qū)域。本研究中填埋場(chǎng)污泥有機(jī)物含量為32.90%，摻加固化劑后有機(jī)物含量略微降低至27.73%，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足建筑地基要求，只能用于沒(méi)有壓實(shí)要求的回填區(qū)域。

2.5 重金屬含量

污泥中重金屬含量是制約處置出路的重要因素。重金屬檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，各項(xiàng)重金屬的檢出濃度均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（GB 28188—2009）中相應(yīng)限值，與該污水廠處理對(duì)象為生活污水的特點(diǎn)相一致。摻加固化劑后污泥中重金屬含量略有降低，這可能是由于固化劑對(duì)污泥產(chǎn)生了稀釋作用。

表3 污泥重金屬含量檢測(cè)結(jié)果

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)回填土的重金屬評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 36600—2018）規(guī)定了保護(hù)人體健康的建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，第一類(lèi)用地篩選值適用于居住用地、中小學(xué)用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、社區(qū)公園等，第二類(lèi)用地篩選值適用于工業(yè)用地、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地、道路與交通設(shè)施用地等。建設(shè)用地篩選值中未對(duì)總鉻和總鋅含量進(jìn)行規(guī)定，其余重金屬指標(biāo)含量均不超過(guò)第一類(lèi)用地和第二類(lèi)用地限值，可滿(mǎn)足各種建設(shè)用地要求。此外，考慮到部分區(qū)域土方回填之后可能會(huì)種植綠化植物，因此與《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486—2009）進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明污泥各項(xiàng)重金屬指標(biāo)均可滿(mǎn)足園林綠化用泥質(zhì)要求。

2.6 易溶鹽含量

污泥中含有易溶鹽，作為回填土存在腐蝕建筑材料的風(fēng)險(xiǎn)，例如硫酸根離子、碳酸氫根離子、鎂離子等會(huì)腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)，氯離子會(huì)腐蝕鋼筋混凝土中的鋼筋。因此，本研究針對(duì)改性前后污泥中易溶鹽含量進(jìn)行分析，并根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）進(jìn)行腐蝕性評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表4。污泥固化改性前后各易溶鹽指標(biāo)相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級(jí)均為微，對(duì)混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

表4 易溶鹽含量檢測(cè)結(jié)果 單位：mg/kg

2.7 可行性分析

研究對(duì)象污泥取自上海某城鎮(zhèn)污水廠的污泥填埋場(chǎng)，該污水廠主要處理市政污水，自2004 年至2010 年產(chǎn)生的污泥脫水至含水率80%左右，進(jìn)行填埋封存。因污水廠改擴(kuò)建亟需用地，擬將填埋污泥挖出，深度脫水后進(jìn)行固化改性，用作場(chǎng)地平整、景觀造坡、道路施工、管槽回填等回填土。本研究對(duì)改性產(chǎn)物的工程特性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，論證填埋污泥固化改性后用作回填土的技術(shù)可行性。

（1）工程特性

污泥中粉性土或粘性土等細(xì)粒土含量偏高，抗剪切強(qiáng)度較低，回填過(guò)程中挖土機(jī)、裝載車(chē)等機(jī)械難以直接在污泥上進(jìn)行施工操作，回填后也無(wú)法壓實(shí)。摻加固化劑后，污泥的7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，不僅可滿(mǎn)足車(chē)輛機(jī)械作業(yè)要求，還可滿(mǎn)足各種不同等級(jí)道路路基對(duì)填料強(qiáng)度的要求，現(xiàn)場(chǎng)碾壓過(guò)程中污泥粘結(jié)滾輪現(xiàn)象明顯改善，碾壓后污泥較為平整密實(shí)。摻加5%固化劑后，污泥最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，污泥強(qiáng)度提高至0.9 MPa，可滿(mǎn)足各種不同等級(jí)道路路基層位對(duì)填料強(qiáng)度的要求。進(jìn)一步提高藥劑比例至7.5%，強(qiáng)度提高至1.9 MPa，碾壓后密實(shí)度和平整度更好。

然而，填埋污泥有機(jī)物含量為32.90%，在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度下，污泥中殘留的難降解有機(jī)物仍然會(huì)發(fā)生緩慢的降解，可能影響填土基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，只能用于沒(méi)有壓實(shí)要求的回填區(qū)域，如場(chǎng)地平整、景觀造坡、綠化填土或臨時(shí)設(shè)施墊層等，無(wú)法作為永久性建構(gòu)筑物、道路、管溝的墊層，應(yīng)用場(chǎng)景較為有限。將污泥與黃土、石灰、建筑渣土等無(wú)機(jī)材料混合可以降低有機(jī)物含量，擴(kuò)大適用回填范圍。程冠軍等[17]向污泥中摻加30%的黃土和6%～10%的水泥基改性固化劑，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)污泥改性處理后其強(qiáng)度完全滿(mǎn)足道路填料要求。

（2）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

污泥填埋時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 余年，現(xiàn)場(chǎng)從填埋場(chǎng)取泥時(shí)，填埋區(qū)存在明顯的泥水分界面，污泥層上部有1.0～2.2 m 深的污泥水，污泥水上部與覆膜之間的污泥氣存在明顯臭味，經(jīng)檢測(cè)致臭組分主要為氨氣（154 mg/m3）和甲硫醇（6.8 mg/m3），但污泥本身散發(fā)臭味并不明顯，結(jié)合類(lèi)似研究推測(cè)污泥已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定化[4，15]，剩余有機(jī)物主要以難生物降解有機(jī)物為主。污泥固化改性作為回填土后，有機(jī)物短時(shí)間內(nèi)迅速降解產(chǎn)生大量甲烷、惡臭氣體，進(jìn)而造成安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的可能性較小。

污泥中各項(xiàng)重金屬指標(biāo)可滿(mǎn)足第一類(lèi)和第二類(lèi)建設(shè)用地篩選值以及園林綠化用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，可用于各種類(lèi)型建設(shè)用地。此外，污泥填埋過(guò)程中重金屬的生物可利用性會(huì)進(jìn)一步降低[18]，因此重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。污泥固化改性前后各易溶鹽指標(biāo)相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級(jí)均為微，對(duì)混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

3 結(jié)論

（1）填埋污泥較為松軟，7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為0.1 MPa，碾壓過(guò)程中彈性較大，無(wú)法壓實(shí)。摻加5%固化劑后，污泥最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，污泥強(qiáng)度提高至0.9 MPa，可滿(mǎn)足機(jī)械作業(yè)以及各種不同等級(jí)道路路基對(duì)填料強(qiáng)度的要求，碾壓后污泥較為平整密實(shí)。進(jìn)一步提高藥劑比例至7.5%，強(qiáng)度提高至1.9 MPa，碾壓后平整度更好。

（2）污泥中各項(xiàng)重金屬均可滿(mǎn)足第一類(lèi)和第二類(lèi)建設(shè)用地篩選值以及園林綠化用泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，可用于各種類(lèi)型建設(shè)用地。污泥固化改性前后各易溶鹽含量相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級(jí)均為微，對(duì)混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

（3）污泥經(jīng)過(guò)10 余年填埋過(guò)程，有機(jī)物從50%～55%降低至32.90%，散發(fā)臭味已不明顯，但有機(jī)物含量仍然較高，只能用于沒(méi)有壓實(shí)要求的回填區(qū)域。