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1、第一章緒論1.1課題研究背景城市污水污泥是城鎮污水處理廠對污水進行處理過程 中產生的沉淀物質以及污水 表面漂出的浮沫，其成分復雜, 含有大量的微生物、病原體、重金屬以及有機污染物等，如 處理不善將會造成嚴重的二次污染，如何對污泥進行處理 成為世界各國關注的重點課題之一。目前，國內外污水污泥 最終處理與資源化利用的主要方法是填埋、土地利用、熱能 利用（焚燒）、建材利用等。但是由于污泥本身含水率高、 工程性質差，并含有多種污染物，上述的處理手段受到了 不同程度的限制。固化是指將液態物質、污泥或結構松散的 物質變成固化整體，從而將污染物包裹在具有結構完整的 固化整體中，最大程度的減少污染物釋放到環境2、中去，同 時又提高廢物的土工力學性質1。將污泥通過固化技術處理 成為可以再生資源利用的土工材料或者作為填埋處置的預 處理手段能夠解決污泥處理中的一系列難題，是一種極有 市場前景和應用前途的污泥處理和資源化手段。對污泥進 行固化提高材料強度的機理主要是水泥水化反應生成的水 化硅酸鈣對固體廢物顆粒產生膠結作用。污泥由于含水率高, 其中的無機固體顆粒成分非常少，固化處理后所形成的強 度主要是依靠水泥水化反應形成的水化產物，而污泥顆粒 自身對強度的貢獻很少，這樣就需要消耗大量的水泥才能獲得一定的強度，所以處理費用非常高昂，尚不能為國內市 場所接受，影響了這一技術在我國的推廣和應用。1. 2課題研究目的3、針對上述問題，本實驗通過添加本地土與水泥反應， 形成骨架，達到提高固化污泥強度，降低處理成本的技術 目標。添加本地土具有材料資源廣泛、價格便宜、固化體強 度高的優點。第二章污泥的產生與固化技術研究現狀固化的定義其實包含著兩方面含義，即固化和穩定化， 為了敘述方面往往在習慣中統稱為固化。美國環保署對固化 /穩定化的概念解釋如下：固化是指在廢棄物中添加固化劑，使其形成固體或變為 不可流動性的過程，而不管是否有化學結合在廢棄物與固化 劑間產生。穩定化是指將有毒、有害污染物轉變成低毒性、低溶解 性及低移動性的物質，以減少有害物污染潛力的技術2. 1污泥的來源隨著人的日益增加和全球社會城鎮化的日益加劇，4、城 市污水的產生量也不斷增加，生態環境面臨嚴峻的壓力，存 在著日益遭到嚴重破壞的可能，因此，城鎮污水的處理就顯 得刻不容緩、勢在必行。在城鎮污水處理及廢水處理中，污 泥是不可避免的副產品，它是一種極其復雜的非均質體，其 主要由有機殘片、無機顆粒、細菌菌體、膠體等組成。污泥 主要來源于污水處理廠的初級沉淀池的沉淀物與二級沉淀 池的剩余活性污泥。2. 2污泥的產量按體積計算，污泥產量通常約占污水處理量的 0.3%0.5%，按質量計算則為污水處理量的1%2%，污泥的產 量還會在深度污水處理下提高05 1倍左右。污泥的產量也 會隨著污水處理效率的提高而增大。據估計，全球一年可能 產生高達1億噸左右的干5、污泥量。我國也有著相當可觀的污 泥產量，目前我國每年產生超過3萬噸的污泥，并且每年 的增長速度達到10%左右。2. 3污泥固化處理方法的分類按照不同的固化劑劃分，固化技術可分為水泥固化、石 灰固化、熔融固化、瀝青固化、玻璃固化等。處理大量的無 機廢物時適用前兩種方法。其余各種方法一般有著比較高的 處理成本。水泥固化法水泥為一種無機膠結劑，堅硬的水泥塊能在水化反應后 形成，其可以將砂、石等添加牢固地粘結在一起。利用水泥 的這一特征，可以用水泥固化有害廢物。進行有害污泥的固 化時，凝膠由水泥與污泥中水分發生水化反應生成，可將有 害污泥微粒包容，并逐步硬化而形成污泥固化體。水泥的水 化反應物3CaO6、 - SO3是這種固化體的主要結構，水化結晶體內 包進了污泥微粒，使得固化體內封閉了污泥中的有害物質， 從而達到無害化、穩定化的處理要求。通過實踐證明，處理 各種含有重金屬的污泥時采用水泥固化方法是十分有效的。 由于水泥在固化過程中產生較高的pH值，使得在堿性條件下 污泥中的重金屬離子生成的氫氧化物或碳酸鹽等難溶于水。 水泥基體的晶格中可以固定某些金屬離子，重金屬的浸出可 以得到有效的控制。具體水化反應如下：（1）硅酸三鈣的水合反應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) 硅酸二鈣的水合反應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) 鋁酸三鈣的水合反應3CaO A1O3+ xH2O+Ca(OH)2 3CaO A1O3 mH2O(4) 鋁酸四鈣的水合反應4CaO A1O3+Fe2O3+ xH2O 3CaO A1O3 mH2O+CaO FeO nH2O通過水泥固化技術提高強度的主要機要是：水泥水化反 應產生的水化8、硅酸鈣對固體廢物顆粒產生的膠結作用。由于 污泥的含水率很高，無機固體顆粒成分在其中的含量非常 少，水泥水化反應形成的水化產物是固體處理后所形成強度 的主要來源，而從污泥自身來說對強度的貢獻不大。而且水 泥水化反應對污泥中的重金屬來說還具有一定的阻礙作用。水泥固化法主要有以下的優點：1) 處理重金屬的廢物時十分有效；2) 工藝和設備，設備動力消耗、投資和運行費用都不高， 使用的水泥和其他添加劑價格低廉；3) 常溫下即可進行，操作條件簡單，尤其對電鍍污泥處 理效果非常好；4) 固化強度和長期穩定性較好，對風化和受熱有一定的 抵抗力，因而有較高的利用價值；5) 水泥固化法在對含有有害物質的污泥固化法9、中，是最 經濟的一種。其缺點是由于空隙率較高，浸出率也會比較大，通常會 達到10-410-6 g/( cm2.d );其次是固化后增容較大，增容比 可達1.54.盡管如此，水泥固化仍被應用與工程中。本實驗將利用水泥固化處理方法。石灰固化法另一種經濟有效的土壤固化穩定類材料是生石灰混合 粉煤灰。它能夠將重金屬污染的土壤中的鉛、三價和六價鉻 有效的固化穩定，使之滿足的TCLP浸出標準。浸出液的PH值 在912之間變化時，由于在化學吸附和高PH環境下重金屬 形成了難溶化合物兩方面的原因，使其具有相對較好的固化 穩定效果。固化土體的強度特性可以在硫酸鹽的使用后固化 土水化后形成鈣磯石而改變，使處理后的10、土能夠滿足工程需 要。瀝青固化法瀝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，以避免有害物質的溶出，而化學變化在其中并不涉 及。在固化過程中，必須將污泥的粒徑大小及水分進行調整， 同時將雜質盡量降低，以便處理物能夠被瀝青包覆層完全覆蓋。第三章污泥固化處理實驗研究對污泥進行水泥固化，固化體產生強度的機理主要是水 泥水化反應生成的水化硅酸鈣對固體廢物顆粒產生膠結作 用。由于污泥含水率高，其中的無機固體顆粒成分較少，所 以污泥顆粒對固化的強度的貢獻很少，固化體的強度主要是 依靠水泥水化反應形成的水化產物。要獲得一定強度的固化 體就需要消耗大量的水泥，導致其處理費用非常高，到目前 為止不能11、被國內市場廣泛接受，影響了污泥固化在我國的應 用和推廣刃。針對這些問題，本實驗通過添加本土與水泥反 應形成骨架，提高固化體無機固體顆粒成分，進而達到提高 固化污泥強度與降低處理成本的技術目標。3.1材料與儀器污泥取自乂乂市xx村污水處理廠經脫水后的污泥，取回后 采用聚乙烯袋封存，排除空氣，浸泡在水中以保持其原始 含水率，在密封、遮光的環境中保存防止污泥失水和降解， 污泥的各項性質見表1;外加劑本地土取自XX市的普通土， 本地土的主要成分見表2；普通硅酸鹽水泥，主要成分見表 3。表1污泥的各項性質總氮項目含水率/% 密度 PH值 TOC總磷 氨氮 熱值測定結果 79.011.157.8249.512、15.6781.78813.16314.746表2本地土的化學成分礦物成分平均含量/%Fe2O 34.66A l2O312.43C aO8.49M gO2.38T iO20.83S iO 255.04SO 30.06KO22.44N a2O1.64燒失量10.79合計98.76表3水泥的基本性質項目GB175- 1999標準細度0. 08mm篩余/%45終凝時間/h2.528 d 抗折 /M Pa5.5ISO膠砂強度2 d抗壓/M Pa11.028 d 抗壓 /M Pa32.5三氧化硫/%3 .5氧化鎂/%5.0燒失量/%ay(kg , 5由圖1和圖2可知：1單獨采用水泥（本地土加入量為 0的13、條件）對污泥進行固化時固化污泥的強度很低，隨水泥 量的增加，其強度增加的量很小，根據實驗結果推算，即 使水泥用量是所要處理的污泥質量25%時，其強度僅29 kPa,顯然是不可行的；2加入本地土后固化污泥的強度明顯 提高，如果使固化污泥的無側限抗壓強度達到2 kPa,單 純摻入水泥需要的水泥量是污泥質量的4倍；如果加入相當 于污泥質量40%的本地土，所需要的水泥只相當于污泥質 量的15%。摻入本地土后，可以大大減少水泥用量，提高 固化效果，降低固化成本，從經濟上和技術上都是可行的； 3本地土摻入量與固化污泥強度之間是一個非線性的關系。 在本地土摻入量較小的范圍內，隨著本地土摻入量的增加， 強度的14、增加比較明顯，當本地土摻入量超過一定量的時其 強度開始出現下降的趨勢。在本地土的摻入量中存在1個峰 值，即最大本地土摻入量。在這個值之前，本地土的摻入產 生的效果明顯，超過這一峰值之后，固化污泥的強度反而下降。可以認為，在峰值之前通過水泥的水化反應，水化產 物能夠和本地土中的粘土礦物產生反應并形成堅固的骨架， 而超過峰值后，水泥的水化物質不足以和本地土中的粘土 礦物反應并將其膠結起來，使得整體的強度難以上升甚至 開始下降；4最大本地土摻入量的大小和水泥的摻入量有關。 隨著水泥摻入量的增加，本地土的最大摻入量也會增加。就 是說，本地土是否能夠完全被膠結成為強固的骨架，與水 泥摻入量有一個適宜的比15、例，在這一比例上水泥和本地土 可以發揮最佳的效果。污泥材料的最佳摻入量實驗不同的資源化途徑對固化污泥的強度都有不同的要求， 我國對此沒有統一的標準us。國外對作為填埋處理無側限抗 壓強度 50 kP a,作為建筑填土無側限抗壓強度 2 kPa。本實驗以滿足建筑填土無側限抗壓強度為目標，以污 泥、水泥、本地土的摻入量為因素，每個因素取3個水平， 利用L9 ( 3 )正交表進行正交實驗，結果見表5。表5固化材料正交實驗結果實驗號污泥摻入量/kg水泥摻入量/ kg本地土摻入量/ kg 無側限抗壓強度/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，影響固化體抗壓強度的因素主次為：水 泥滲入量 本地土滲入量 污泥滲入量。考慮到固化費 用、增容比、固化污泥的pH值和重金屬浸出濃度等問題， 確定污泥、水泥及本地土的最佳摻入量比為110 : 12： 30, 此時無側限抗壓強度可達215 kPa。實驗結論(1) 單獨采用水泥對污泥17、進行固化時，固化污泥的強度很低; 摻入本地土后，可以大大減少水泥用量，并提高固化效果， 降低固化成本，從經濟上和技術上都是可行的。(2) 將污泥進行水泥固化處理，可以提高污泥土工力學性質, 無側限抗壓強度可達2 kP a以上，能夠滿足填埋和用于建 筑填土的要求，可實現污泥的資源化利用。（3）本實驗確定固化污泥作為建筑填土的污泥、水泥及本地土的最佳摻入量比為110 : 12 : 30。第四章結論與建議4.1結論污泥的固化處理以及資源利用屬于一個多學科交叉的前 沿問題，涉及環境工程和土木工程兩大領域，功能定位上需 要滿足經濟可行性、環境容許性和工程實用性三大要求。必 須解決三大難題：（1）經濟上可18、行的固化處理技術；（2）污染物質得到有效控制；（3）資源利用過程中的材料穩定 性。本文主要圍繞這三大問題，進行大量的試驗研究與理論 計算，得出如下結論和研究成果：（1）通過污泥固化試驗研究得出結論：單獨使用水泥進 行固化處理，固化體強度不高，且價格昂貴，在固體材料中 添加一定量的本地土可大大提高固化體強度，并降低了固化 的成本；本地土滲入量與固化污泥強度之間是一個非線性關 系；在本地土滲入量較小的范圍內，隨著本地土滲入量的增 加，強度的增加比較明顯，當本地土滲入量超過一定量的時 候其強度開始出現下降趨勢；固化污泥強度基本上隨著水泥 滲入量增加而增大。（2）通過污泥固化正交試驗研究，確定一個較優19、的污泥固化方案：固化污泥作為建筑填土的污泥、水泥及本地土 的最佳摻入量比為110 : 12 : 30。4.2建議本文的研究主要局限于室內的試驗研究結果，只具備理 論上的指導作用。實際工程中的效果將和室內的試驗結果有 所不同，因此，需要在室內試驗的基礎上，開展現場試驗， 這樣才能真正反映該技術的應用價值。第五章參考文獻1 范昭平，朱偉，張春雷，有機質含量對淤泥固化效果 影響的試驗研究J 。巖土力學，25,2(8)： 1327- 13302 A IT abbaaA, Pe re ra A S R. 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