酸性环境下污泥固化体渗透性的试验研究

酸性环境下污泥固化体渗透性的试验研究

1污泥固化体废水是污水处理厂在处理过程中产生的沉淀物质。中国每年产生约550.600万吨干污泥，呈上升趋势。污泥中含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等，如果处理不善将会造成严重的二次污染。目前污泥的处置主要以转为农用、焚烧和填埋为主，但是由于污泥的含水率高、力学性质差、污染物含量高等特点，这些处理方式往往存在环境污染、处理成本过高或容易引起填埋场工程灾害等问题。针对上述污泥处理中存在的问题，采用固化技术将污泥转化为可以再生利用的土材料，是符合我国国情的资源化途径之一。固化技术主要是通过水化反应形成的水化产物将污泥颗粒胶结、包裹，形成整体性较好的固化体。根据污泥含水率高，无机固体颗粒成分少的特点，提出采用含黏土矿物较多的废弃疏浚淤泥作为污泥的骨架材料进行固化处理的新技术，处理后污泥的力学性质得到改善，对其中的污染物也起到物理封闭和和化学稳定的作用，污泥固化体可以作为土工材料进行再生资源利用。由于污泥中的污染物含量高，污泥固化处理后对污染物的封闭以及稳定作用的长期效应问题是其能否作为土工材料使用的关键。文对固化处理中污染物的稳定化机理进行了初步探讨，认为污泥和凝结剂间的化学键合力、凝结剂对污泥的物理包封及凝结剂水化产物对污泥的吸附等共同作用造成了固化后污染物溶滤性能降低，即污泥固化体的低渗透性是控制其中污染物溶出的重要因素。相关研究也表明，如果固化体的渗透系数降低到原来的3倍，污染物的锋面浓度仅相当于没有固化前的十分之一。所以保持污泥固化体的低渗透特性是控制其产生二次污染的重要手段。但是污泥固化体作为土工材料使用期间诸如酸雨等外界不利条件会对其渗透性产生影响，主要原因是因为骨架材料中的黏土矿物以及水化反应所生成的水化硅酸钙，在酸性渗滤液的长期作用下会逐渐分解，从而提高污泥固化体的透水性，造成被封闭的污染物大量溶出。污泥固化体的另外一个特点是含有大量的微生物，微生物的活动也会逐步改变土体的渗透性。所以，化学环境的改变和微生物的活动，对于污泥固化体这种特殊土材料的渗透性会产生什么样的影响，这一问题的研究，不但对固化污泥的二次污染的评价有着重要的意义，而且对于研究生物化学条件对水泥土、固化土性质的影响有重要的理论意义。污泥固化体是一种透水性非常低的土材料，要研究固化污泥在不同化学条件、不同微生物条件下渗透性的变化，必须考虑与传统方法不同的研究设备和方法。本文采用改进的柔性壁渗透仪(flexiblewallpermeameter)作为研究低渗透性介质的主要设备，通过强化渗滤液的酸性，在实验室尺度内模拟自然界酸雨条件，对不同的固化水平、不同浓度的酸对渗透性的影响以及固化措施对于酸的缓冲作用开展了研究；通过在渗透液中添加营养剂加速污泥中的微生物的新陈代谢，研究微生物活动对于污泥固化体渗透性的影响，为评价污泥固化体作为材料使用在外界生物化学条件发生改变时渗透性的变化提供基础资料。2在土壤硬化和渗透试验中2.1预处理污泥io2试验所用的水泥为南京江南水泥厂32.5#普通硅酸盐水泥。污泥取自某化纤厂污水处理厂脱水后的污泥。淤泥取自深圳大亚湾疏浚淤泥。污泥和淤泥的基本指标如表1所示。从表可以看出，污泥主要由有机质和生物体内结合水组成，无机干物质极少。对淤泥的矿物成分分析表明，其中的主要矿物及所占比例：SiO2为40.93%，CaO为11.51%，Fe2O3为11.13%，MgO为2.45%，Al2O313.2%，可见淤泥的组成成分主要以各种形式的黏土矿物为主。固化方法是笔者研究开发的骨架构建固化污泥方法，即在污泥中添加含有黏土矿物的淤泥和作为固化材料的水泥。根据前期的研究结果，选择的固化方案为污泥:淤泥:水泥(质量比)分别为5:3:2和5:3:1两种，这两种固化方案的7d后的无侧限抗压强度分别达到了103kPa和63kPa，满足一般工程用土的要求。制样时，首先将淤泥按比例掺入污泥当中，充分搅拌均匀后，再加入水泥进行搅拌，分3层装入制样模具(模具直径10cm，高度5cm)，每层振动2min后再装入下一层。制样后置于恒温恒湿箱中养护1d后脱模，脱模后继续养护至试验龄期(7d)进行渗透试验。两种固化方案下试样的密度分别为1.31g/cm3,1.19g/cm3，含水率分别为102.5%和124.3%。2.2柔性壁渗透仪试样污泥固化后的渗透系数很低，采用常规的试验方法试验周期较长，而且由于蒸发等因素的影响难以得到精确的结果。如果采用增大压力水头的方法，可以缩短试验的时间，但是存在侧壁渗漏的问题。参考美国材料实验协会(ASTM)关于渗透试验的方法，对柔性壁渗透仪进行了改进。该渗透仪主要采用施加围压的方法解决了低渗透性介质的透水性试验问题。同时，通过对渗滤液的收集，不但解决了渗透流量的问题，也便于分析渗滤液的成分。笔者主要改进其加压系统，采用氮气施加侧壁压力，防止污泥固化体原有的生化条件受到影响；并且将多个柔性壁渗透仪串联起来实行统一加压，可以保证在同一试验条件下开展研究。柔性壁渗透仪的结构如图1所示。试样置于气密性良好的有机玻璃圆筒内，圆筒内充满一定压强的气体，其压强首先通过减压阀减压输出至一定范围，再通过调压阀精确调整至所需要的压强；试样外包裹一层橡皮膜，膜内排除空气后在圆筒内气压的作用下将紧紧的包裹住试样，在较高水头的作用下不至于发生侧渗，保证了试验的准确性；渗透液由测压管加入，测压管可以根据要求升降以获得不同大小的水头；隔一定的时间读取渗透液的水位，并定期补充渗透液，保证维持一定的水头；渗透液由下而上经过试样，收集渗滤液便于分析其成分；渗透系数按照变水头试验的公式(1)求解。其中a,A分别为测压管和试样的截面积；L为试样高度；试验时只要记录t1和t2时刻对应的水位h1和h2即可求出渗透系数。本文所研究的污泥固化体主要用于填土或者作为垃圾填埋场的盖层，根据Moo-Young的研究试验中气压取30kPa。为了在较短时间内获得酸性渗透液作用的长期效应，试验中采用浓度分别为0.2mol/l和0.5mol/l的盐酸作为渗透液，在本试验周期内其作用的效果相当于pH=4的酸雨，按照1500mm/a的降水量作用100～200a（根据渗透液累计H+的量进行估算）。试验共分6组，其中污泥:淤泥：水泥(质量比)为5:3:2的试样分别采用0.2mol/l、0.5mol/l的盐酸、pH=6.8的中性渗透液以及为激活微生物配制的营养液(3000ppm的CH3COONa和300ppm的(NH4)H2PO4混合溶液)，营养液的粘度与水基本相同。污泥:淤泥:水泥(质量比)为5:3:1的试样分别采用0.2mol/l的盐酸以及pH=6.8的中性渗透液。3影响粘土固结体渗透和酸性渗出液的研究3.1污泥固化体渗透系数测定分别采用5:3:2和5:3:1两种固化水平的试样，在pH=6.8中性渗透液的渗透条件下进行了柔性壁渗透试验。根据每天水头变化，对渗透系数进行计算，得到的渗透系数随时间变化关系如图2所示。(1)渗透系数的确定：采用式(1)计算的渗透系数在试验初期随着时间的增加而增加，随后进入一个稳定阶段。这主要是因为污泥固化体渗透性低，难以事先进行饱和，渗透试验的初期实际上是污泥固化体饱和的过程，所以计算出的渗透系数实际上是固化体的非饱和渗透系数。只有当固化体基本饱和后渗透系数才能达到一个稳定值。从污泥固化体渗透性试验这一特点出发，取进入稳定阶段后的渗透系数作为固化体的渗透系数。(2)不同固化水平下的渗透系数：大约在12d后固化体的渗透系数随时间的变化量趋于稳定，试样逐渐进入了饱和渗流阶段。5:3:2的试样渗透系数稳定在1.52×10-7cm/s,5:3:1的试样渗透系数稳定在3.38×10-7cm/s。从这一实测数据来看，污泥固化体的渗透系数可以降低到非常小的程度，同时提高固化能够获得更低的渗透系数。(3)固化污泥渗透系数降低原因分析：提高污泥的固化水平主要是增加水泥的添加量。水泥的增加不仅提高了固化污泥的强度而，且降低了其透水性，这一点和水泥土的渗透性很类似。固化处理的目的是通过水化反应产生的水化硅酸钙(CSH)将原本分散的颗粒胶结起来，形成整体性良好的固化体。随着固化水平的提高CSH的生成量随之增加，土体中的孔隙因为胶结作用而逐步变小，同时也形成了更多的封闭孔隙，造成了渗透系数随固化水平的提高而降低的现象。3.2酸雨作用下的污染物分解污泥固化体的渗透性在外界化学环境改变时有可能会发生变化，尤其是在酸雨作用下其中呈碱性的水化产物会发生分解，从而削弱其对污染物的封闭作用。围绕这一问题，笔者开展了酸性渗透液作用下固化体渗透性变化规律的研究。3.2.1酸性环境渗流渗透系数的增长率对5:3:1的试样分别采用0.2mol/l的盐酸以及pH=6.8的渗透液进行渗透试验，其结果图3所示。试验初期两者的渗透系数差别不大，但是在第8d后酸性环境下渗透系数的增长率大于中性环境下渗透系数的增长率；进入饱和渗流阶段后酸性条件下的渗透系数并没有稳定，而是随着时间的增加出现持续增加的趋势。酸性环境下渗透性增加的原因是因为酸性溶液能够溶解水泥的水化产物以及淤泥中的矿物成分，而且还可以与其中的矿物发生离子交换，这两种作用造成污泥固化体中出现空洞，而且能够将原来封闭、不连通的孔隙连通，形成较多的渗流通道，随着酸溶液不断的补充，这些空洞以及渗流通道也越来越多，渗透系数随之增大。酸对于污泥固化体的侵蚀作用可以用以下的化学方程式表示：3.2.2酸性溶液对渗透系数的影响对5:3:2的试样分别采用0.2mol/l(1号试样)和0.5mol/l(2号试样)的盐酸作为渗透液进行渗透性试验，本次试验不但测定了渗透系数的变化，也对渗滤液的pH值和渗透通过试样的H+量(根据渗滤液的体积进行换算)进行了实测，试验结果如图4所示。图中上半部分表示渗透系数随时间的变化关系，下半部分左右坐标轴分别表示渗滤液pH值以及通过试样的累计H+量随时间的变化关系。由图可以看出：(1)2号试样的渗透系数及其增长率要大于1号试样的渗透系数，主要原因是高浓度的酸比低浓度的酸具有更强的溶解能力，而且在相同时间内电解出的H+数量也大于低浓度酸的电解量，交换能力更强，使得2号试样形成的渗透通道较1号试样更多，速度也更快，所以2号试样的渗透系数及其增长率要大于1号试样。(2)结合H+的累积曲线可以看出，2号试样的渗滤液中的累计H+量增加很快。而且即使渗透过两种试样H+的累积量达到相同的程度(比如0.1mol)，即H+的溶解和交换能力达到相等的强度，此时2号试样的渗透系数(3.12×10-7cm/s)依然大于此时1号试样的渗透系数(2.42×10-7cm/s)。其原因在于2号试样采用酸的浓度大于1号试样采用的酸的浓度，强度高的酸能够更快的破坏土体对酸的缓冲机制。文的研究表明，土体中存在2个缓冲体系：初级和次级缓冲体系。前者系指阳离子交换过程，反应较为迅速但缓冲能力小；后者系指矿物的溶解过程，缓冲能力较大但溶解速度较慢。在试验刚开始时进入2个试样渗透液的体积虽然相同，但是酸度较大的酸带入试样中的H+的量要大于酸度低的酸带入试样中H+的量，酸度低意味着少量的H+能够迅速被土体的一级缓冲体系所中和，而不至于发生对矿物的溶解作用；酸度高意味着大量的H+短时间内不能够完全被一级缓冲体系中和而发生部分离子交换和矿物溶解，形成较多的渗流通道而导致较高的渗透系数。(3)由渗滤液pH值的变化规律可以看出，1号试样渗滤液pH值降低的幅度不大，表示试样的一级缓冲体系尚未被破坏，而2号试样渗滤液的pH值在第22d时出现突变，降低幅度突然急剧增加，表示其一级缓冲体系已经被破坏，H+进入溶解试样中的矿物阶段，导致渗透系数在第22d后的增长趋势也更加明显。(4)由上述的分析可以看出，酸性溶液对渗透系数的影响，不仅取决于酸的总量，而且在很大程度上还受到酸的强度的控制。所以今后研究酸雨等对土体渗透性影响时，不仅要研究酸雨的降雨量，还要注意研究酸雨的强度。4微生物活动引起的渗透系数降低为了研究微生物活动对渗透性的影响，文采用在渗透液中分别添加葡萄糖和氯霉素的方法对比微生物激活和抑制情况下稻田土渗透性的变化；文采用CH3COONa和(NH4)H2PO4混合溶液促进微生物活性，研究了海相淤泥作为卫生填埋场垫层渗透性的变化。本文选用文的方法配置营养液对5:3:2的污泥固化体试样进行了渗透试验，并采用普通渗透液(蒸馏水)和其进行对比。渗透系数的变化对比如图5所示。由图中可以看出，两种渗透液作用下渗透系数在试验初期变化不大，在15d以后以营养液作为渗透液的试样的渗透系数出现了较为明显的下降趋势，试验结束时两者的渗透系数差别接近2倍，而且其渗透系数仍有降低的趋势。污泥固化体中微生物活动造成渗透系数的降低可以从3方面进行解释：(1)文献的研究表明，微生物获得活动所需的养分后，生成包裹于细胞外的聚合物——生物膜，这些生物膜以及微生物新陈代谢生成的多聚糖类物质附着在土颗粒表面，减少了土体中的