1、第一章绪论1.1课题研究背景城市污水污泥是城镇污水处理厂对污水进行处理过程 中产生的沉淀物质以及污水 表面漂出的浮沫，其成分复杂, 含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等，如 处理不善将会造成严重的二次污染，如何对污泥进行处理 成为世界各国关注的重点课题之一。目前，国内外污水污泥 最终处理与资源化利用的主要方法是填埋、土地利用、热能 利用（焚烧）、建材利用等。但是由于污泥本身含水率高、 工程性质差，并含有多种污染物，上述的处理手段受到了 不同程度的限制。固化是指将液态物质、污泥或结构松散的 物质变成固化整体，从而将污染物包裹在具有结构完整的 固化整体中，最大程度的减少污染物释放到环境2、中去，同 时又提高废物的土工力学性质1。将污泥通过固化技术处理 成为可以再生资源利用的土工材料或者作为填埋处置的预 处理手段能够解决污泥处理中的一系列难题，是一种极有 市场前景和应用前途的污泥处理和资源化手段。对污泥进 行固化提高材料强度的机理主要是水泥水化反应生成的水 化硅酸钙对固体废物颗粒产生胶结作用。污泥由于含水率高, 其中的无机固体颗粒成分非常少，固化处理后所形成的强 度主要是依靠水泥水化反应形成的水化产物，而污泥颗粒 自身对强度的贡献很少，这样就需要消耗大量的水泥才能获得一定的强度，所以处理费用非常高昂，尚不能为国内市 场所接受，影响了这一技术在我国的推广和应用。1. 2课题研究目的3、针对上述问题，本实验通过添加本地土与水泥反应， 形成骨架，达到提高固化污泥强度，降低处理成本的技术 目标。添加本地土具有材料资源广泛、价格便宜、固化体强 度高的优点。第二章污泥的产生与固化技术研究现状固化的定义其实包含着两方面含义，即固化和稳定化， 为了叙述方面往往在习惯中统称为固化。美国环保署对固化 /稳定化的概念解释如下：固化是指在废弃物中添加固化剂，使其形成固体或变为 不可流动性的过程，而不管是否有化学结合在废弃物与固化 剂间产生。稳定化是指将有毒、有害污染物转变成低毒性、低溶解 性及低移动性的物质，以减少有害物污染潜力的技术2. 1污泥的来源随着人的日益增加和全球社会城镇化的日益加剧，4、城 市污水的产生量也不断增加，生态环境面临严峻的压力，存 在着日益遭到严重破坏的可能，因此，城镇污水的处理就显 得刻不容缓、势在必行。在城镇污水处理及废水处理中，污 泥是不可避免的副产品，它是一种极其复杂的非均质体，其 主要由有机残片、无机颗粒、细菌菌体、胶体等组成。污泥 主要来源于污水处理厂的初级沉淀池的沉淀物与二级沉淀 池的剩余活性污泥。2. 2污泥的产量按体积计算，污泥产量通常约占污水处理量的 0.3%0.5%，按质量计算则为污水处理量的1%2%，污泥的产 量还会在深度污水处理下提高05 1倍左右。污泥的产量也 会随着污水处理效率的提高而增大。据估计，全球一年可能 产生高达1亿吨左右的干5、污泥量。我国也有着相当可观的污 泥产量，目前我国每年产生超过3万吨的污泥，并且每年 的增长速度达到10%左右。2. 3污泥固化处理方法的分类按照不同的固化剂划分，固化技术可分为水泥固化、石 灰固化、熔融固化、沥青固化、玻璃固化等。处理大量的无 机废物时适用前两种方法。其余各种方法一般有着比较高的 处理成本。水泥固化法水泥为一种无机胶结剂，坚硬的水泥块能在水化反应后 形成，其可以将砂、石等添加牢固地粘结在一起。利用水泥 的这一特征，可以用水泥固化有害废物。进行有害污泥的固 化时，凝胶由水泥与污泥中水分发生水化反应生成，可将有 害污泥微粒包容，并逐步硬化而形成污泥固化体。水泥的水 化反应物3CaO6、 - SO3是这种固化体的主要结构，水化结晶体内 包进了污泥微粒，使得固化体内封闭了污泥中的有害物质， 从而达到无害化、稳定化的处理要求。通过实践证明，处理 各种含有重金属的污泥时采用水泥固化方法是十分有效的。 由于水泥在固化过程中产生较高的pH值，使得在碱性条件下 污泥中的重金属离子生成的氢氧化物或碳酸盐等难溶于水。 水泥基体的晶格中可以固定某些金属离子，重金属的浸出可 以得到有效的控制。具体水化反应如下：（1）硅酸三钙的水合反应3CaO SiO2+x%O -2CaO SiO2 y%O+Ca(OH)2CaO SiO2 mH2O+2Ca(OH) 22CaO SiO2+xH2O -3CaO 2S7、iO2+3Ca(OH)22CaO SiO2 mH2O+4Ca(OH)2(2) 硅酸二钙的水合反应2CaO SiO2+xH2O 2CaO SiO2 xH2OCaOSiO2mH2O+Ca(OH)22CaO SiO2+x%O -3CaO 2SiO2 y%O+Ca(OH)22CaO SiO2 mH2O+2Ca(OH)2(3) 铝酸三钙的水合反应3CaO A1O3+ xH2O+Ca(OH)2 3CaO A1O3 mH2O(4) 铝酸四钙的水合反应4CaO A1O3+Fe2O3+ xH2O 3CaO A1O3 mH2O+CaO FeO nH2O通过水泥固化技术提高强度的主要机要是：水泥水化反 应产生的水化8、硅酸钙对固体废物颗粒产生的胶结作用。由于 污泥的含水率很高，无机固体颗粒成分在其中的含量非常 少，水泥水化反应形成的水化产物是固体处理后所形成强度 的主要来源，而从污泥自身来说对强度的贡献不大。而且水 泥水化反应对污泥中的重金属来说还具有一定的阻碍作用。水泥固化法主要有以下的优点：1) 处理重金属的废物时十分有效；2) 工艺和设备，设备动力消耗、投资和运行费用都不高， 使用的水泥和其他添加剂价格低廉；3) 常温下即可进行，操作条件简单，尤其对电镀污泥处 理效果非常好；4) 固化强度和长期稳定性较好，对风化和受热有一定的 抵抗力，因而有较高的利用价值；5) 水泥固化法在对含有有害物质的污泥固化法9、中，是最 经济的一种。其缺点是由于空隙率较高，浸出率也会比较大，通常会 达到10-410-6 g/( cm2.d );其次是固化后增容较大，增容比 可达1.54.尽管如此，水泥固化仍被应用与工程中。本实验将利用水泥固化处理方法。石灰固化法另一种经济有效的土壤固化稳定类材料是生石灰混合 粉煤灰。它能够将重金属污染的土壤中的铅、三价和六价铬 有效的固化稳定，使之满足的TCLP浸出标准。浸出液的PH值 在912之间变化时，由于在化学吸附和高PH环境下重金属 形成了难溶化合物两方面的原因，使其具有相对较好的固化 稳定效果。固化土体的强度特性可以在硫酸盐的使用后固化 土水化后形成钙矶石而改变，使处理后的10、土能够满足工程需 要。沥青固化法沥青固化法是借助材料的不透水性，把污泥的表面包覆 和固定，以避免有害物质的溶出，而化学变化在其中并不涉 及。在固化过程中，必须将污泥的粒径大小及水分进行调整， 同时将杂质尽量降低，以便处理物能够被沥青包覆层完全覆盖。第三章污泥固化处理实验研究对污泥进行水泥固化，固化体产生强度的机理主要是水 泥水化反应生成的水化硅酸钙对固体废物颗粒产生胶结作 用。由于污泥含水率高，其中的无机固体颗粒成分较少，所 以污泥颗粒对固化的强度的贡献很少，固化体的强度主要是 依靠水泥水化反应形成的水化产物。要获得一定强度的固化 体就需要消耗大量的水泥，导致其处理费用非常高，到目前 为止不能11、被国内市场广泛接受，影响了污泥固化在我国的应 用和推广刃。针对这些问题，本实验通过添加本土与水泥反 应形成骨架，提高固化体无机固体颗粒成分，进而达到提高 固化污泥强度与降低处理成本的技术目标。3.1材料与仪器污泥取自乂乂市xx村污水处理厂经脱水后的污泥，取回后 采用聚乙烯袋封存，排除空气，浸泡在水中以保持其原始 含水率，在密封、遮光的环境中保存防止污泥失水和降解， 污泥的各项性质见表1;外加剂本地土取自XX市的普通土， 本地土的主要成分见表2；普通硅酸盐水泥，主要成分见表 3。表1污泥的各项性质总氮项目含水率/% 密度 PH值 TOC总磷 氨氮 热值测定结果 79.011.157.8249.512、15.6781.78813.16314.746表2本地土的化学成分矿物成分平均含量/%Fe2O 34.66A l2O312.43C aO8.49M gO2.38T iO20.83S iO 255.04SO 30.06KO22.44N a2O1.64烧失量10.79合计98.76表3水泥的基本性质项目GB175- 1999标准细度0. 08mm筛余/%45终凝时间/h2.528 d 抗折 /M Pa5.5ISO胶砂强度2 d抗压/M Pa11.028 d 抗压 /M Pa32.5三氧化硫/%3 .5氧化镁/%5.0烧失量/%ay(kg , 5由图1和图2可知：1单独采用水泥（本地土加入量为 0的13、条件）对污泥进行固化时固化污泥的强度很低，随水泥 量的增加，其强度增加的量很小，根据实验结果推算，即 使水泥用量是所要处理的污泥质量25%时，其强度仅29 kPa,显然是不可行的；2加入本地土后固化污泥的强度明显 提高，如果使固化污泥的无侧限抗压强度达到2 kPa,单 纯掺入水泥需要的水泥量是污泥质量的4倍；如果加入相当 于污泥质量40%的本地土，所需要的水泥只相当于污泥质 量的15%。掺入本地土后，可以大大减少水泥用量，提高 固化效果，降低固化成本，从经济上和技术上都是可行的； 3本地土掺入量与固化污泥强度之间是一个非线性的关系。 在本地土掺入量较小的范围内，随着本地土掺入量的增加， 强度的14、增加比较明显，当本地土掺入量超过一定量的时其 强度开始出现下降的趋势。在本地土的掺入量中存在1个峰 值，即最大本地土掺入量。在这个值之前，本地土的掺入产 生的效果明显，超过这一峰值之后，固化污泥的强度反而下降。可以认为，在峰值之前通过水泥的水化反应，水化产 物能够和本地土中的粘土矿物产生反应并形成坚固的骨架， 而超过峰值后，水泥的水化物质不足以和本地土中的粘土 矿物反应并将其胶结起来，使得整体的强度难以上升甚至 开始下降；4最大本地土掺入量的大小和水泥的掺入量有关。 随着水泥掺入量的增加，本地土的最大掺入量也会增加。就 是说，本地土是否能够完全被胶结成为强固的骨架，与水 泥掺入量有一个适宜的比15、例，在这一比例上水泥和本地土 可以发挥最佳的效果。污泥材料的最佳掺入量实验不同的资源化途径对固化污泥的强度都有不同的要求， 我国对此没有统一的标准us。国外对作为填埋处理无侧限抗 压强度 50 kP a,作为建筑填土无侧限抗压强度 2 kPa。本实验以满足建筑填土无侧限抗压强度为目标，以污 泥、水泥、本地土的掺入量为因素，每个因素取3个水平， 利用L9 ( 3 )正交表进行正交实验，结果见表5。表5固化材料正交实验结果实验号污泥掺入量/kg水泥掺入量/ kg本地土掺入量/ kg 无侧限抗压强度/kPa110.120.25179210.150.3256310.180.428441.10.120.16、321551.10.150.423761.10.180.2525371.20.120.421481.20.150.2519291.20.180.3251K 1719608624K 2705685712K 3657778725k 1240203208k 2235228237k 3219259241R215633由表5可知，影响固化体抗压强度的因素主次为：水 泥渗入量 本地土渗入量 污泥渗入量。考虑到固化费 用、增容比、固化污泥的pH值和重金属浸出浓度等问题， 确定污泥、水泥及本地土的最佳掺入量比为110 : 12： 30, 此时无侧限抗压强度可达215 kPa。实验结论(1) 单独采用水泥对污泥17、进行固化时，固化污泥的强度很低; 掺入本地土后，可以大大减少水泥用量，并提高固化效果， 降低固化成本，从经济上和技术上都是可行的。(2) 将污泥进行水泥固化处理，可以提高污泥土工力学性质, 无侧限抗压强度可达2 kP a以上，能够满足填埋和用于建 筑填土的要求，可实现污泥的资源化利用。（3）本实验确定固化污泥作为建筑填土的污泥、水泥及本地土的最佳掺入量比为110 : 12 : 30。第四章结论与建议4.1结论污泥的固化处理以及资源利用属于一个多学科交叉的前 沿问题，涉及环境工程和土木工程两大领域，功能定位上需 要满足经济可行性、环境容许性和工程实用性三大要求。必 须解决三大难题：（1）经济上可18、行的固化处理技术；（2）污染物质得到有效控制；（3）资源利用过程中的材料稳定 性。本文主要围绕这三大问题，进行大量的试验研究与理论 计算，得出如下结论和研究成果：（1）通过污泥固化试验研究得出结论：单独使用水泥进 行固化处理，固化体强度不高，且价格昂贵，在固体材料中 添加一定量的本地土可大大提高固化体强度，并降低了固化 的成本；本地土渗入量与固化污泥强度之间是一个非线性关 系；在本地土渗入量较小的范围内，随着本地土渗入量的增 加，强度的增加比较明显，当本地土渗入量超过一定量的时 候其强度开始出现下降趋势；固化污泥强度基本上随着水泥 渗入量增加而增大。（2）通过污泥固化正交试验研究，确定一个较优19、的污泥固化方案：固化污泥作为建筑填土的污泥、水泥及本地土 的最佳掺入量比为110 : 12 : 30。4.2建议本文的研究主要局限于室内的试验研究结果，只具备理 论上的指导作用。实际工程中的效果将和室内的试验结果有 所不同，因此，需要在室内试验的基础上，开展现场试验， 这样才能真正反映该技术的应用价值。第五章参考文献1 范昭平，朱伟，张春雷，有机质含量对淤泥固化效果 影响的试验研究J 。岩土力学，25,2(8)： 1327- 13302 A IT abbaaA, Pe re ra A S R. S tate o f prac tice report, UK so lidification /s20、tabilization treatm ent and rem ed ia tion: b ind-eisand technologies-part1basicprinc iplsAIn： proce ed ing s of the Interna tiona l Conference on Solid ification /Stab ilization T reatm ent and R emad iation C . Cambr idge, UKia lkem a, 25: 365 385.3 涂洁，侯浩波.HA S 土壤固化剂对电镀污泥处 理效果的研究J.环境工程，23, 21 ( 4)21、: 44 47.4 Grasso, D.Hazardous waste Site Remediation SourceControl M.USA： LEWIS Pub, 19935 周少奇.城市污泥处理处置与资源化M.广州：华南理 工大学出版社，226 Klein,E.W.andJ.DelPjco.RO Comes of Age for Plating Pollution ControlJ,Prod.Fin.1947 (38)7 范昭平.有机质对淤泥固化的影响机理及对策研究J。 南京：河海大学，248 金儒霖.中国城市污水厂污泥处理的综述J武汉城市 建设学院学报，1994,11 ( 2 )： 1-129 王星华.粘土固化浆液固结过程的SEM研究J. 岩土工程学报,1999, 21 ( 1) : 34 40.10 宁建国，黄新.固化土结构形成及强度增长 机理试验J.北京航空航天大学学报，26, 32 ( 1): 97 102.