_固化污泥制作回填土及营养土的研究

固化污泥制作回填土及营养土的研究
周海燕
（上海老港废弃物处置有限公司，上海201302）
摘要：采用镁系固化剂（M1固化剂）对污泥进行固化预处理，对预处理后的污泥的物理性质、水力学性质和土力学性质以及重金属存在形态等进行监测，同时通过现场试验和监测确定未经填埋的固化污泥是否达到资源化利用的标准，是否具有制作回填土及营养土的可能性。

关键词：固化污泥；回填土；营养土
中图分类号：X705文献标识码：A 文章编号：1005－8206（2011）01－0046－05
Manufacturing Backfill and Nutrition Soil with Solidified Sludge
Zhou Haiyan
（Shanghai Laogang Waste Treatment Co.,Ltd,Shanghai 201302）
Abstract ：The Mg -curing agent (M1curing agent)was applied to sludge solidification pretreatment.The physical properties,hydrodynamic properties,soil mechanical properties and existing form of heavy metals of pretreated sludge were monitored.It is ascertained that whether the solidified sludge can meet the utilization standards and the possibility of manufacturing backfill and nutrition soil with sludge by field experiments and monitoring.
Key words ：solidified sludge ；backfill soil ；nutrition soil
收稿日期：2010-08-20
1研究背景
污泥中含有N 、P 、K 等营养元素［1］，但由于其同时含有病原菌、重金属，因此难以直接作为肥料施用，同时，由于其水力学和土力学性质的限制，也无法作为土壤进行回填。

上海老港废弃物填埋场的污泥现采用镁系固化剂（M1固化剂）进行固化预处理，将含水率降至45%左右，机械强度增强至50kPa 以上，完全满足填埋要求后进行填埋处置。

同时，固化污泥填埋稳定化过程试验研究表明，固化污泥填埋2~3a 后，可以开挖进行资源化利用。

但对于固化后未经填埋的污泥，尚未对其是否适合直接资源化利用进行研究，本研究的目的是确定未经填埋的固化污泥是否达到资源化利用的标准。

2固化污泥的基本性质
于2008年10月在老港废弃物填埋场现场采集2008年7、8、9、10月进行固化的污泥（即固化时间分别为3、2、1、0个月），测试其物理性质、水力学性质和土力学性质的变化。

2.1物理性质的变化
2.1.1颜色
污泥固化后已经失去了污泥原有的颜色，由黑色变成土黄色，与土壤的颜色类似。

2.1.2含水率和VS
原污泥的含水率为80%左右，VS 为64.83%，
固化后经过一段时间的放置，含水率和VS 都发生了很大的变化，测定结果见表1。

随着放置时间延长，含水率降低幅度更大，放置3个月后，含水率降至10%~15%，已经较松散。

外观与土壤类似，但颗粒较细，属于粉土类。

2.1.3有机质含量
固化污泥有机质含量测定结果见表2。

虽然固化后，随着放置时间的延长，固化污泥的含水率逐渐降低，但部分有机物逐渐降解，有机质含量逐渐降低，放置3个月的固化污泥的有机质含量降至18.00%。

有机质含量高，说明固化污泥可以作为营养土，为植物提供营养，但作为回填土，要求有机质含量越小越好（最好小于5%~7%），因此，作为回填土，可以考虑将固化污泥放置更长时间，以减少有机物质含量，提高其稳定性。

放置时间含水率/%VS/%3个月14.6133.112个月10.6130.731个月18.3534.06新固化
54.21
35.44
表1
固化污泥含水率与VS 含量
放置时间有机质含量/%
3个月18.002个月20.381个月25.29新固化
26.83
表2
固化污泥有机质含量
环境卫生工程
Environmental Sanitation Engineering Vol．19No．1February
第19卷第1期
2011年2月·46·
第1期
2.2固化污泥风险性指标测试
2.2.1重金属和难降解有机物
固化污泥在使用过程中，一般需要达到GB 15618—1995土壤环境质量标准中的Ⅲ类土壤标准，即三级标准，标准中规定了土壤的pH、各种重金属以及难降解有机物的含量。

表3是7、8、9、10月固化污泥中重金属含量的平均值。

由表3可知，除了Zn，各种金属的含量均达到GB15618—1995中Ⅲ类土壤的标准，在使用过程中需要注意Zn造成的环境污染，应采取必要的措施进行固定。

2.2.2重金属淋溶特性
对固化污泥进行重金属淋溶实验，淋溶结果与地下水标准比较，进行综合污染指数评价，确定其资源化利用的生态风险。

固化污泥重金属淋溶实验结果见表4。

以固化污泥为基质的土柱系列淋溶液中各种金属元素的平均浓度与地下水质量标准比较基本相同。

Cd、Cr、Co全部符合地下水质量Ⅰ、Ⅱ类标准，As、Cu、Ni、Zn符合地下水质量Ⅲ类标准，基本无污染地下水的风险。

Fe、Pb、Mn符合Ⅳ、Ⅴ类标准，这3种元素超过地下水质量标准，如使用不当会对地下水造成污染。

2.2.3水力学性质
持水性和给水性是种植介质质量好坏的重要参数。

给水度和持水度反映了多孔介质滞纳和排水的能力。

持水度高，有利于植物对水分的吸收，对绿化植物的种植有利。

孔隙度适中，可以满足植物的氧气供给。

固化污泥的水力学性质见表5。

在老港废弃物填埋场，将固化污泥与自然土以1∶1的比例混合后，掺加20%的矿化垃圾后，可以满足植物生长所需的条件，植物生长良好。

2.3固化污泥强度指标测试
对于回填土，目前没有统一的标准，一般回填均指基础回填，或者对于一些对土质强度有要求的坑或平面进行回填。

在回填过程中，要根据工程设计的要求进行相应指标的测试。

固化污泥的土力学性质见表6。

固化后，污泥的抗压强度、抗剪强度均得到提高，压缩指数降低，说明固化污泥的强度比较稳定，可以满足一定强度要求的土地利用，如作为荒坡的回填土等。

3固化污泥制作回填土和营养土
于2009年3月进行了制作回填土和营养土的试验，试验分成6组，分别为脱水污泥、固化污泥、固化污泥和泥土混合（以1∶1、1∶2、1∶3）、泥土，样品编号见表7。

3.1固化污泥制作营养土
土样取自上海老港废弃物填埋场污泥煤制作场地的对面，不同污泥土样作为营养土播撒了植物种子，通过现场观察，各土样的植物生长情况不一致，结果见图1。

从植物生长状况来看，固化污泥及固化污泥与泥土的混合土中植物能够正常生长，污泥可为
指标测定结果标准限值
Cd- 1.0
Hg- 1.5
As32.540
Cu351400
Pb125500
Cr-300
Zn4100500
Ni52200
六六六- 1.0
滴滴涕- 1.0
表3固化污泥重金属及难降解有机物含量mg/kg
As Cd Co Cr Cu Fe Mn Ni Pb Zn 8月0.035-0.013-0.8142.5092.1660.0530.0860.723 9月0.032-0.015-0.8601.9712.2050.0540.0710.584地下水0.050.00010.050.01 1.0 1.5 1.50.1 1.0 1.0
质量标准Ⅲ类Ⅰ类Ⅱ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅴ类Ⅴ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅲ类
表4固化污泥重金属淋溶实验结果mg/kg
放置时间给水度/%持水度/%
3个月30.8228.24
2个月29.2526.16
1个月29.9229.25
新固化28.8130.42
表5固化污泥的水力学性质
编号名称
1脱水污泥
2固化污泥
3固化污泥∶泥土=1∶1
4固化污泥∶泥土=1∶2
5固化污泥∶泥土=1∶3
6泥土
表7样品编号
放置时间抗压强度/kPa抗剪强度/kPa
3个月130.253.5
2个月126.552.5
1个月121.752.4
新固化113.650.7
表6固化污泥的土力学性质
周海燕固化污泥制作回填土及营养土的研究·47·
环境卫生工程第19卷
植物提供必需的营养物质，促进其生长。

3.2固化污泥制作回填土
从6个试验区分别取样，每个土样3kg 左右，用编织袋带回测试物理化学性质和土力学性质，进行制作回填土的分析。

3.2.1
物理化学性质
污泥物理化学性质测定结果见表8。

根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范规定，5%≤W U ≤10%为有机质土，10%<W U ≤60%为泥炭质土，其中W U 为有机质含量，上述数据说明泥土及脱水污泥均属于有机质土范围，而固化污泥则属于泥炭质土范畴。

也说明，污泥经过固化后，有机物的降解速率比纯污泥慢。

而且，污泥和固化污泥放置时间不同，也导致了有机质降解程度不同，需要了解各自放置的时间。

按照GB/T 50123—1999土工试验方法标准规
定的有机质试验方法测定的有机质即环境工程中所测的VS 含量，用于回填的土料中有机质含量不得超过5%，因为有机质含量高，回填后发生有机质降解，将导致回填场地的塌陷。

所以固化污泥需要经过更长时间的填埋稳定期，有机质含量低于5%才可以开挖，作为回填土使用。

3.2.2土力学性质
测试污泥的土力学指标，需要先将污泥烘干，并粉碎，过5mm 筛子。

测定结果见表9。

土的相对密度取决于土的矿物成分，不同土类的相对密度变化幅度不大，在有经验的地区可按经验值选用，对于一般土而言，砂土相对密度约为2.65~2.69，砂质粉土相对密度约为2.70，黏质粉土相对密度约为2.71，粉质黏土相对密度约为2.72~2.73，黏土相对密度约为2.74~2.76。

从测试结果可知，脱水污泥、固化污泥及固化污泥与泥土1∶1混合土均属于黏质粉土，1∶2、1∶3混合土及泥土属于粉质黏土。

脱水污泥和固化污泥的孔隙比、孔隙率都比一般的土高很多，干化或固化脱水后，孔隙中的水分脱除后，变成空的孔隙，更为松软，承压时将发生更大的变形。

3.2.3压缩性能
压缩系数是表示土的压缩性大小的主要指标。

压缩系数愈大，表示土在某压力范围内孔隙比减少愈多，压缩性就愈大。

压缩系数不是常数，与所取压力有关。

GB/T 50123—1999规定采用100kPa 和200kPa 下所得到的压缩系数α1-2评价土的压缩性。

压缩模量也不是常数，而是随着压力大小而变化。

压缩模量E S 是土的压缩性指标的又一个表达方式，压缩模量E S 与压缩系数α成反比，E S 愈大，α就愈小，土的压缩性愈低。

所以E S 也具有划分土压缩性高低的功能。

一般认为，E S <4MPa
固化污泥固化污泥∶泥土=1∶1
固化污泥∶泥土=1∶2
固化污泥∶泥土=1∶3
泥土
样品编号
含水率/%VS/%有机质/%143.0311.04 1.24239.6725.6316.80325.3414.228.96423.0810.28 4.50519.168.01 1.346
19.23
6.77
0.26
表8
污泥物理化学性质
样品编号含水量/%
密度/（g/cm 3
）干密度/
（g/cm 3
）相对密度孔隙比孔隙率/%1
44.3 1.45 1.00 2.71 1.7062.92250.2 1.58 1.05 2.71 1.5861.18329.8 1.65 1.27 2.71 1.1353.09425.7 1.84 1.46 2.730.8746.38524.4 1.83 1.47 2.730.8646.116
29.3
1.85
1.43
2.73
0.91
47.59
表9
常规指标测试结果
注：①土工实验常用含水量，环境工程领域习惯使用含水率，两者测试方
法一样，但计算方法不同。

含水量=污泥中水的质量/干质的质量，含水率=污泥中水的质量/污泥总质量。

②相对密度指土样质量与相同体积的4℃时纯水的质量之比，无纲量。

图12009年4月7日植物生长情况
·48·
第1期
时为高压缩性土；E S>15MPa时为低压缩性土；
E S=4~15MPa时属中压缩性土。

其测定结果见表10，具体指标值见表11。

从压缩系数及压缩模量的测试结果可知，固化污泥、泥土属于高压缩性土，压缩模量分别为2.8MPa和2.76MPa，且固化污泥的压缩性接近泥土，在环境安全的条件下，完全可以代替泥土用作回填。

脱水污泥及混合比例大于1∶1的混合土均属于中压缩性土，其中脱水污泥的压缩模量为4.1MPa，基本属于高压缩性土的界限范围。

混合土样的压缩模量随着泥土的比例增大逐渐增大，压缩性比固化污泥及泥土都要低。

3.2.4直接剪切强度实验
土的抗剪强度指土体抵抗剪切破坏的极限能力。

在外荷载和自重的作用下，土中各点任意方向的平面上都会产生法向应力和剪应力。

当通过某点的任一平面上的剪应力达到其抗剪强度时，一部分土体将沿剪应力作用方向相对于另一部分土体产生相对滑动。

随着荷载的增加，地基中各点的剪应力不断增大。

当地基中局部范围的剪应力达到土的抗剪强度时，地基中将出现局部剪切破坏区。

如果局部剪切破坏区的范围逐渐扩大连成滑动面，则整个地基就会丧失稳定而被破坏。

土的内摩擦角Φ和粘聚力C是构成土的抗剪强度的基本要素。

因此，准确测定和合理选用C、Φ对建筑工程的安全使用和工程造价具有十分重要的意义。

本研究主要通过测定直接剪切强度和三轴不排水剪切实验得到内摩擦角和粘聚力数值。

直接剪切实验可以直接测出土样预定剪切面上的抗剪强度。

直接剪切实验的试验土样直径为61.8mm，高度20mm，采用非饱和固结快剪法确定。

先使土样在某一级垂直压力作用下，固结至排水变形稳定，再以每分钟0.8mm的剪切速率施加剪力，直至剪坏，一般在3~5min内完成。

测定结果见表12。

参照DL/T5395—2007碾压式土石坝设计规范和交通部《港口工程技术规范》的规定，安全系数大于1.3即可认为是安全的。

从允许坡度可看出，只有脱水污泥的允许边坡较小，泥土、固化污泥以及混合土的允许边坡都比较大，均超过了15.77，确定了固化污泥或混合土在作为回填土或其它土工用途时，可以造坡的角度，在该坡度范围内，不需考虑滑坡风险。

3.2.5三轴不排水剪切实验
三轴剪切实验是测定土的抗剪强度的一种较完善的方法，与直接剪切实验相比较，三轴压缩实验样品的应力相对比较明确和均匀。

三轴实验的优点是对圆柱形试样造成沿三个轴向的受力条件，使试样在一定应力条件下沿着最薄弱的面上发生剪切破坏，其应力条件比较明确。

三轴实验土样直径39.1mm，高度80mm，采用非饱和不固结不排水实验法，确定C、Φ，结果见表13。

固化污泥的粘聚力达到了63.3kPa，比泥土高出很多，内摩擦角为12.7°，与直接剪切实验的结果相似，这说明固化污泥经过一段时间的填埋，在用作回填土或者其它工程用途时，具有较高的强度及较大的安全坡角。

3.2.6渗透系数
渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标。

土的矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造以及土中气体等都影响黏性土的渗透性。

本实验采用浸水饱和后在固结压力100kPa作用下进样品编号粘聚力/kPa内摩擦角/°
114.0015.0
263.312.7
326.510.3
424.410.0
521.79.4
69.98.6
表13污泥的三轴不排水剪切强度
样品编号压缩系数α1-2/MPa-1压缩模量E S/MPa
10.6 4.10
20.9 2.80
30.6 3.44
40.4 4.24
50.5 3.76
60.6 2.76
表10污泥压缩系数及压缩模量
表11评价土的压缩性指标值
压缩系数α/MPa-1压缩模量E S/MPa 低压缩性土α1-2＜0.1E S>20
中压缩性土0.1≤α1-2＜0.54≤E S≤20
高压缩性土α1-2≥0.5E S<4样品编号内摩擦角/°粘聚力/kPa允许坡度/°117.1924.0013.23 240.1129.8130.82 322.4132.2217.24 430.5633.0023.49 520.5035.2515.77 636.2918.9727.89
表12污泥的直接剪切强度
周海燕固化污泥制作回填土及营养土的研究·49·
环境卫生工程第19卷
行渗流，由于渗流速度很慢，因此在不同的渗透压力下进行。

测定结果见表14，并参考有关规范、文献提供的经验数据见表15。

比较可知，所有土样的渗透性能均落在粉质黏土的范畴，各土样的渗透性能差别也不大。

相比于原始污泥（含水率80%的污泥）的渗透系数1.18×10-8～2.07×10-8cm/s，固化污泥或脱水污泥的渗透性能大大增强，如果经过更长时间的填埋矿化，则固化污泥的渗透系数会进一步增大。

3.2.7击实实验
回填土在施工过程中需要经过碾压，目的是提高回填土的强度，增加土的密度，降低压缩性。

在压实过程中，空气被挤出，土颗粒被压碎，大小颗粒相互位移，重新排列，靠拢挤紧。

在一定的压实能量下使土最容易压实，并能达到最大密实度的含水量，称为土的最优含水量，对应的密度为最大干密度。

在工程建设中，经常会遇到填土或松软地基，为了改善这些土的工程性质，常采用压实的方法使土变得密实。

击实实验就是模拟施工现场压实条件，采用锤击方法使土体密度增大、强度提高、沉降变小的一种方法。

土在一定的击实效应下，如果含水量不同，则所得的密度也不相同，击实实验的目的就是测定试样在一定击实次数下或某种压实功能下的含水量与干密度之间的关系，从而确定土的最大干密度和最优含水量，为施工控制填土密度提供设计依据。

击实实验中的击实筒的容积为1000cm3，锤重2.5kg，落距300mm，击实试样分3层分别装入击实筒内，每层击实数为30击。

实验中最优含水量及最大干密度结果见表16。

由表16可知，固化污泥的击实强度最低，脱水污泥次之，混合土与泥土的最大干密度比较接近。

由于固化污泥的孔隙率较大，所取样品的含水量相对泥土要高，因此其密度相对于污泥要小，但随着填埋时间的延长，有机质的降解程度增大，其密度也会随着增大。

在作为回填土施工中，需要控制不同土样在最优含水量附近，才能保证碾压后其强度最大，施工过程中不会发生变形情况。

4结论
固化污泥需要经过一定时间的填埋稳定期，有机质含量低于5%，具有较高的强度及较大的安全坡角，才可以开挖作为回填土使用。

在作为回填土施工中，需要控制不同土样在最优含水量附近，才能保证碾压后其强度最大，施工过程中不会发生变形情况。

也可以采取其他措施，使固化污泥的抗压强度和抗剪强度分别升高到130 kPa和53.5kPa，压缩系数降至3.43MPa-1，满足一定强度路面的要求，可以作为回填土使用。

在老港废弃物填埋场填埋3个月后的固化污泥与自然土以1∶1的比例混合后，可以满足植物生长所需的条件，植物生长良好。

若再掺加20%的矿化垃圾，植物生长会更好。

参考文献
［1］薛澄泽，马会，张增强，等.污泥制作堆肥及复合有机肥料的研究［J］.农业环境保护，1997，16（1）：11-15.
作者简介：周海燕（1969—），高级工程师。

现任上海老港废弃物处置有限公司总工程师，科技和信息管理部经理。

主要研究生活垃圾填埋技术、垃圾渗沥液的处理处置技术、市政污泥的处理处置技术、垃圾填埋场臭气污染控制技术等。

已发表核心期刊论文5篇，已获得授权专利7项。

E-mail：lgzhouhy@。

（责任编辑：刘冬梅）
样品编号渗透系数/（cm/s）
1 1.5×10-6
28.2×10-6
38.9×10-6
49.4×10-6
5 5.4×10-6
6 1.4×10-6
表14污泥的渗透系数
表15各类土渗透系数变化范围土的种类渗透系数/（cm/s）卵石、碎石、砾石>0.1
砂0.001~0.1
粉土1×10-4~1×10-3
粉质黏土1×10-6~1×10-5
黏土≤1×10-7
样品编号最优含水量/%最大干密度/（g/cm3）134.7 1.13
245.2 1.04
324.8 1.46
420.2 1.55
520.7 1.55
624.2 1.53
表16污泥的击实实验结果
注：此含水量为工程参数，非环境学参数。

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