酸性環(huán)境下污泥固化體滲透性的試驗研究

酸性環(huán)境下污泥固化體滲透性的試驗研究

1污泥固化體廢水是污水處理廠在處理過程中產(chǎn)生的沉淀物質(zhì)。中國每年產(chǎn)生約550.600萬噸干污泥，呈上升趨勢。污泥中含有大量的微生物、病原體、重金屬以及有機污染物等，如果處理不善將會造成嚴(yán)重的二次污染。目前污泥的處置主要以轉(zhuǎn)為農(nóng)用、焚燒和填埋為主，但是由于污泥的含水率高、力學(xué)性質(zhì)差、污染物含量高等特點，這些處理方式往往存在環(huán)境污染、處理成本過高或容易引起填埋場工程災(zāi)害等問題。針對上述污泥處理中存在的問題，采用固化技術(shù)將污泥轉(zhuǎn)化為可以再生利用的土材料，是符合我國國情的資源化途徑之一。固化技術(shù)主要是通過水化反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物將污泥顆粒膠結(jié)、包裹，形成整體性較好的固化體。根據(jù)污泥含水率高，無機固體顆粒成分少的特點，提出采用含黏土礦物較多的廢棄疏浚淤泥作為污泥的骨架材料進行固化處理的新技術(shù)，處理后污泥的力學(xué)性質(zhì)得到改善，對其中的污染物也起到物理封閉和和化學(xué)穩(wěn)定的作用，污泥固化體可以作為土工材料進行再生資源利用。由于污泥中的污染物含量高，污泥固化處理后對污染物的封閉以及穩(wěn)定作用的長期效應(yīng)問題是其能否作為土工材料使用的關(guān)鍵。文對固化處理中污染物的穩(wěn)定化機理進行了初步探討，認(rèn)為污泥和凝結(jié)劑間的化學(xué)鍵合力、凝結(jié)劑對污泥的物理包封及凝結(jié)劑水化產(chǎn)物對污泥的吸附等共同作用造成了固化后污染物溶濾性能降低，即污泥固化體的低滲透性是控制其中污染物溶出的重要因素。相關(guān)研究也表明，如果固化體的滲透系數(shù)降低到原來的3倍，污染物的鋒面濃度僅相當(dāng)于沒有固化前的十分之一。所以保持污泥固化體的低滲透特性是控制其產(chǎn)生二次污染的重要手段。但是污泥固化體作為土工材料使用期間諸如酸雨等外界不利條件會對其滲透性產(chǎn)生影響，主要原因是因為骨架材料中的黏土礦物以及水化反應(yīng)所生成的水化硅酸鈣，在酸性滲濾液的長期作用下會逐漸分解，從而提高污泥固化體的透水性，造成被封閉的污染物大量溶出。污泥固化體的另外一個特點是含有大量的微生物，微生物的活動也會逐步改變土體的滲透性。所以，化學(xué)環(huán)境的改變和微生物的活動，對于污泥固化體這種特殊土材料的滲透性會產(chǎn)生什么樣的影響，這一問題的研究，不但對固化污泥的二次污染的評價有著重要的意義，而且對于研究生物化學(xué)條件對水泥土、固化土性質(zhì)的影響有重要的理論意義。污泥固化體是一種透水性非常低的土材料，要研究固化污泥在不同化學(xué)條件、不同微生物條件下滲透性的變化，必須考慮與傳統(tǒng)方法不同的研究設(shè)備和方法。本文采用改進的柔性壁滲透儀(flexiblewallpermeameter)作為研究低滲透性介質(zhì)的主要設(shè)備，通過強化滲濾液的酸性，在實驗室尺度內(nèi)模擬自然界酸雨條件，對不同的固化水平、不同濃度的酸對滲透性的影響以及固化措施對于酸的緩沖作用開展了研究；通過在滲透液中添加營養(yǎng)劑加速污泥中的微生物的新陳代謝，研究微生物活動對于污泥固化體滲透性的影響，為評價污泥固化體作為材料使用在外界生物化學(xué)條件發(fā)生改變時滲透性的變化提供基礎(chǔ)資料。2在土壤硬化和滲透試驗中2.1預(yù)處理污泥io2試驗所用的水泥為南京江南水泥廠32.5#普通硅酸鹽水泥。污泥取自某化纖廠污水處理廠脫水后的污泥。淤泥取自深圳大亞灣疏浚淤泥。污泥和淤泥的基本指標(biāo)如表1所示。從表可以看出，污泥主要由有機質(zhì)和生物體內(nèi)結(jié)合水組成，無機干物質(zhì)極少。對淤泥的礦物成分分析表明，其中的主要礦物及所占比例：SiO2為40.93%，CaO為11.51%，F(xiàn)e2O3為11.13%，MgO為2.45%，Al2O313.2%，可見淤泥的組成成分主要以各種形式的黏土礦物為主。固化方法是筆者研究開發(fā)的骨架構(gòu)建固化污泥方法，即在污泥中添加含有黏土礦物的淤泥和作為固化材料的水泥。根據(jù)前期的研究結(jié)果，選擇的固化方案為污泥:淤泥:水泥(質(zhì)量比)分別為5:3:2和5:3:1兩種，這兩種固化方案的7d后的無側(cè)限抗壓強度分別達(dá)到了103kPa和63kPa，滿足一般工程用土的要求。制樣時，首先將淤泥按比例摻入污泥當(dāng)中，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，再加入水泥進行攪拌，分3層裝入制樣模具(模具直徑10cm，高度5cm)，每層振動2min后再裝入下一層。制樣后置于恒溫恒濕箱中養(yǎng)護1d后脫模，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護至試驗齡期(7d)進行滲透試驗。兩種固化方案下試樣的密度分別為1.31g/cm3,1.19g/cm3，含水率分別為102.5%和124.3%。2.2柔性壁滲透儀試樣污泥固化后的滲透系數(shù)很低，采用常規(guī)的試驗方法試驗周期較長，而且由于蒸發(fā)等因素的影響難以得到精確的結(jié)果。如果采用增大壓力水頭的方法，可以縮短試驗的時間，但是存在側(cè)壁滲漏的問題。參考美國材料實驗協(xié)會(ASTM)關(guān)于滲透試驗的方法，對柔性壁滲透儀進行了改進。該滲透儀主要采用施加圍壓的方法解決了低滲透性介質(zhì)的透水性試驗問題。同時，通過對滲濾液的收集，不但解決了滲透流量的問題，也便于分析滲濾液的成分。筆者主要改進其加壓系統(tǒng)，采用氮氣施加側(cè)壁壓力，防止污泥固化體原有的生化條件受到影響；并且將多個柔性壁滲透儀串聯(lián)起來實行統(tǒng)一加壓，可以保證在同一試驗條件下開展研究。柔性壁滲透儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。試樣置于氣密性良好的有機玻璃圓筒內(nèi)，圓筒內(nèi)充滿一定壓強的氣體，其壓強首先通過減壓閥減壓輸出至一定范圍，再通過調(diào)壓閥精確調(diào)整至所需要的壓強；試樣外包裹一層橡皮膜，膜內(nèi)排除空氣后在圓筒內(nèi)氣壓的作用下將緊緊的包裹住試樣，在較高水頭的作用下不至于發(fā)生側(cè)滲，保證了試驗的準(zhǔn)確性；滲透液由測壓管加入，測壓管可以根據(jù)要求升降以獲得不同大小的水頭；隔一定的時間讀取滲透液的水位，并定期補充滲透液，保證維持一定的水頭；滲透液由下而上經(jīng)過試樣，收集滲濾液便于分析其成分；滲透系數(shù)按照變水頭試驗的公式(1)求解。其中a,A分別為測壓管和試樣的截面積；L為試樣高度；試驗時只要記錄t1和t2時刻對應(yīng)的水位h1和h2即可求出滲透系數(shù)。本文所研究的污泥固化體主要用于填土或者作為垃圾填埋場的蓋層，根據(jù)Moo-Young的研究試驗中氣壓取30kPa。為了在較短時間內(nèi)獲得酸性滲透液作用的長期效應(yīng)，試驗中采用濃度分別為0.2mol/l和0.5mol/l的鹽酸作為滲透液，在本試驗周期內(nèi)其作用的效果相當(dāng)于pH=4的酸雨，按照1500mm/a的降水量作用100～200a（根據(jù)滲透液累計H+的量進行估算）。試驗共分6組，其中污泥:淤泥：水泥(質(zhì)量比)為5:3:2的試樣分別采用0.2mol/l、0.5mol/l的鹽酸、pH=6.8的中性滲透液以及為激活微生物配制的營養(yǎng)液(3000ppm的CH3COONa和300ppm的(NH4)H2PO4混合溶液)，營養(yǎng)液的粘度與水基本相同。污泥:淤泥:水泥(質(zhì)量比)為5:3:1的試樣分別采用0.2mol/l的鹽酸以及pH=6.8的中性滲透液。3影響粘土固結(jié)體滲透和酸性滲出液的研究3.1污泥固化體滲透系數(shù)測定分別采用5:3:2和5:3:1兩種固化水平的試樣，在pH=6.8中性滲透液的滲透條件下進行了柔性壁滲透試驗。根據(jù)每天水頭變化，對滲透系數(shù)進行計算，得到的滲透系數(shù)隨時間變化關(guān)系如圖2所示。(1)滲透系數(shù)的確定：采用式(1)計算的滲透系數(shù)在試驗初期隨著時間的增加而增加，隨后進入一個穩(wěn)定階段。這主要是因為污泥固化體滲透性低，難以事先進行飽和，滲透試驗的初期實際上是污泥固化體飽和的過程，所以計算出的滲透系數(shù)實際上是固化體的非飽和滲透系數(shù)。只有當(dāng)固化體基本飽和后滲透系數(shù)才能達(dá)到一個穩(wěn)定值。從污泥固化體滲透性試驗這一特點出發(fā)，取進入穩(wěn)定階段后的滲透系數(shù)作為固化體的滲透系數(shù)。(2)不同固化水平下的滲透系數(shù)：大約在12d后固化體的滲透系數(shù)隨時間的變化量趨于穩(wěn)定，試樣逐漸進入了飽和滲流階段。5:3:2的試樣滲透系數(shù)穩(wěn)定在1.52×10-7cm/s,5:3:1的試樣滲透系數(shù)穩(wěn)定在3.38×10-7cm/s。從這一實測數(shù)據(jù)來看，污泥固化體的滲透系數(shù)可以降低到非常小的程度，同時提高固化能夠獲得更低的滲透系數(shù)。(3)固化污泥滲透系數(shù)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。水泥的增加不僅提高了固化污泥的強度而，且降低了其透水性，這一點和水泥土的滲透性很類似。固化處理的目的是通過水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化硅酸鈣(CSH)將原本分散的顆粒膠結(jié)起來，形成整體性良好的固化體。隨著固化水平的提高CSH的生成量隨之增加，土體中的孔隙因為膠結(jié)作用而逐步變小，同時也形成了更多的封閉孔隙，造成了滲透系數(shù)隨固化水平的提高而降低的現(xiàn)象。3.2酸雨作用下的污染物分解污泥固化體的滲透性在外界化學(xué)環(huán)境改變時有可能會發(fā)生變化，尤其是在酸雨作用下其中呈堿性的水化產(chǎn)物會發(fā)生分解，從而削弱其對污染物的封閉作用。圍繞這一問題，筆者開展了酸性滲透液作用下固化體滲透性變化規(guī)律的研究。3.2.1酸性環(huán)境滲流滲透系數(shù)的增長率對5:3:1的試樣分別采用0.2mol/l的鹽酸以及pH=6.8的滲透液進行滲透試驗，其結(jié)果圖3所示。試驗初期兩者的滲透系數(shù)差別不大，但是在第8d后酸性環(huán)境下滲透系數(shù)的增長率大于中性環(huán)境下滲透系數(shù)的增長率；進入飽和滲流階段后酸性條件下的滲透系數(shù)并沒有穩(wěn)定，而是隨著時間的增加出現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢。酸性環(huán)境下滲透性增加的原因是因為酸性溶液能夠溶解水泥的水化產(chǎn)物以及淤泥中的礦物成分，而且還可以與其中的礦物發(fā)生離子交換，這兩種作用造成污泥固化體中出現(xiàn)空洞，而且能夠?qū)⒃瓉矸忾]、不連通的孔隙連通，形成較多的滲流通道，隨著酸溶液不斷的補充，這些空洞以及滲流通道也越來越多，滲透系數(shù)隨之增大。酸對于污泥固化體的侵蝕作用可以用以下的化學(xué)方程式表示：3.2.2酸性溶液對滲透系數(shù)的影響對5:3:2的試樣分別采用0.2mol/l(1號試樣)和0.5mol/l(2號試樣)的鹽酸作為滲透液進行滲透性試驗，本次試驗不但測定了滲透系數(shù)的變化，也對滲濾液的pH值和滲透通過試樣的H+量(根據(jù)滲濾液的體積進行換算)進行了實測，試驗結(jié)果如圖4所示。圖中上半部分表示滲透系數(shù)隨時間的變化關(guān)系，下半部分左右坐標(biāo)軸分別表示滲濾液pH值以及通過試樣的累計H+量隨時間的變化關(guān)系。由圖可以看出：(1)2號試樣的滲透系數(shù)及其增長率要大于1號試樣的滲透系數(shù)，主要原因是高濃度的酸比低濃度的酸具有更強的溶解能力，而且在相同時間內(nèi)電解出的H+數(shù)量也大于低濃度酸的電解量，交換能力更強，使得2號試樣形成的滲透通道較1號試樣更多，速度也更快，所以2號試樣的滲透系數(shù)及其增長率要大于1號試樣。(2)結(jié)合H+的累積曲線可以看出，2號試樣的滲濾液中的累計H+量增加很快。而且即使?jié)B透過兩種試樣H+的累積量達(dá)到相同的程度(比如0.1mol)，即H+的溶解和交換能力達(dá)到相等的強度，此時2號試樣的滲透系數(shù)(3.12×10-7cm/s)依然大于此時1號試樣的滲透系數(shù)(2.42×10-7cm/s)。其原因在于2號試樣采用酸的濃度大于1號試樣采用的酸的濃度，強度高的酸能夠更快的破壞土體對酸的緩沖機制。文的研究表明，土體中存在2個緩沖體系：初級和次級緩沖體系。前者系指陽離子交換過程，反應(yīng)較為迅速但緩沖能力小；后者系指礦物的溶解過程，緩沖能力較大但溶解速度較慢。在試驗剛開始時進入2個試樣滲透液的體積雖然相同，但是酸度較大的酸帶入試樣中的H+的量要大于酸度低的酸帶入試樣中H+的量，酸度低意味著少量的H+能夠迅速被土體的一級緩沖體系所中和，而不至于發(fā)生對礦物的溶解作用；酸度高意味著大量的H+短時間內(nèi)不能夠完全被一級緩沖體系中和而發(fā)生部分離子交換和礦物溶解，形成較多的滲流通道而導(dǎo)致較高的滲透系數(shù)。(3)由滲濾液pH值的變化規(guī)律可以看出，1號試樣滲濾液pH值降低的幅度不大，表示試樣的一級緩沖體系尚未被破壞，而2號試樣滲濾液的pH值在第22d時出現(xiàn)突變，降低幅度突然急劇增加，表示其一級緩沖體系已經(jīng)被破壞，H+進入溶解試樣中的礦物階段，導(dǎo)致滲透系數(shù)在第22d后的增長趨勢也更加明顯。(4)由上述的分析可以看出，酸性溶液對滲透系數(shù)的影響，不僅取決于酸的總量，而且在很大程度上還受到酸的強度的控制。所以今后研究酸雨等對土體滲透性影響時，不僅要研究酸雨的降雨量，還要注意研究酸雨的強度。4微生物活動引起的滲透系數(shù)降低為了研究微生物活動對滲透性的影響，文采用在滲透液中分別添加葡萄糖和氯霉素的方法對比微生物激活和抑制情況下稻田土滲透性的變化；文采用CH3COONa和(NH4)H2PO4混合溶液促進微生物活性，研究了海相淤泥作為衛(wèi)生填埋場墊層滲透性的變化。本文選用文的方法配置營養(yǎng)液對5:3:2的污泥固化體試樣進行了滲透試驗，并采用普通滲透液(蒸餾水)和其進行對比。滲透系數(shù)的變化對比如圖5所示。由圖中可以看出，兩種滲透液作用下滲透系數(shù)在試驗初期變化不大，在15d以后以營養(yǎng)液作為滲透液的試樣的滲透系數(shù)出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢，試驗結(jié)束時兩者的滲透系數(shù)差別接近2倍，而且其滲透系數(shù)仍有降低的趨勢。污泥固化體中微生物活動造成滲透系數(shù)的降低可以從3方面進行解釋：(1)文獻的研究表明，微生物獲得活動所需的養(yǎng)分后，生成包裹于細(xì)胞外的聚合物——生物膜，這些生物膜以及微生物新陳代謝生成的多聚糖類物質(zhì)附著在土顆粒表面，減少了土體中的