市政污泥与含氟污泥的环境土工特性比较分析

市政污泥与含氟污泥的环境土工特性比较分析
王月香;陈茂林;丁建文
【摘要】通过试验研究了市政污泥和含氟污泥的环境土工特性,并进行了对比分析,得出结论为:两种污泥的含水率、液限、塑限、液性指数、孔隙比、有机质等都很高,除了比重、密度外,市政污泥的各项指标较含氟污泥高;市政污泥溶液为酸性,含氟污泥为碱性;市政污泥中的重金属含量以Cu、Zn居多,而在含氟污泥中污染物为Cr、Sr、Zn、F;市政污泥中Cu的残渣态比例较高,Zn酸溶态比例较高;Cu、Zn的迁移
性随溶液碱性增强而降低;含氟污泥中Sr的迁移性随溶液碱性增强而降低;含氟污泥中的氟元素以残渣态为主.Cr主要形态亦为残渣态,Cr的迁移性随着pH值的升高而降低.两种污泥的抗剪强度和渗透性都很低,其中含氟污泥略高,均不能满足填埋要求;两种污泥压缩性都很高,且市政污泥略高;两种污泥的压实性均差,压实效果不佳.
【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2014(040)007
【总页数】4页(P71-74)
【关键词】市政污泥;含氟污泥;环境;土工
【作者】王月香;陈茂林;丁建文
【作者单位】苏州科技学院土木工程学院江苏苏州215011;东南大学岩土所南京210096;江苏苏净集团苏净环保有限公司江苏苏州215011;东南大学岩土所南京210096
【正文语种】中文
0 引言
污泥初始的物理化学特征以及工程力学特性是对其采取相应处理技术和最终处置方式的基础。

市政污泥和含氟污泥是两种代表性污泥，两者的初始特性都有较大差异，因此有必要弄清楚两者的联系和区别，从而为后续研究工作奠定基础。

本文对两种污泥的含水率、密度、比重、有机质含量等物理性质，对重金属含量、形态、pH值等化学性质，对抗剪强度、压缩模量、固结系数、渗透系数等力学特性进行了相关的试验与测试计算，对全面了解市政污泥和含氟污泥的环境土工特性有着重要的参考价值。

1 样品及测试
1.1 样品
市政污泥(SS)取自南京某污水处理厂，机械压滤脱水，为灰黑色半流态物质。

含氟污泥(FS)取自苏州某太阳能电池生产企业，为白色或夹杂青色的似固态物质。

将所取污泥样放入聚乙烯瓶中，密闭，并放于阴凉处保存。

1.2 测试方法与仪器
参照《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)，含水率按烘干法测定;颗粒级配用筛分法和沉降分析法;比重测定用比重瓶法;密度用环刀法测定;有机质用灼烧法;液限用碟式仪，塑限用搓条法;抗剪强度用直剪试验法;压缩性测定用常规固结试验;渗透系数用变水头法;pH值用玻璃电极法;重金属含量参照《固体废弃物试验分析评
价手册》中3050方法;重金属形态用Rauret等提出的四步连续提取法［1－4］，分为酸溶态(F1)、还原态(F2)、氧化态(F3)和残渣态(R)。

氟离子含量用离子色谱法;氟离子形态测定用何振立的连续分级浸提方法［5］，分为水溶态(Ws)，可交换态(Ex)、氧化态(Fe/Mn)、束缚态(O.M.)、残渣态(Res)。

此次试验委托苏净环保有限公司分析中心提取。

2 试验结果与分析
2.1 物理性质
污泥的物理性质指标见表1。

由表1可知，除了比重与密度外，市政污泥的其他指标均比含氟污泥高。

市政污泥的含水率甚至高达数百。

根据两者的液性指数都大于1，可知都处于流塑状态。

市政污泥的有机质比含氟污泥要高40%，表明市政污泥是生物固体的本质，从而市政污泥的持水性较强。

而含氟污泥其主要成分为氟化钙颗粒，未经生物处理，无机固体颗粒含量高，因而比重及密度比市政污泥大。

根据《岩土工程勘察规范》(GB500212—2009)，由于市政污泥和含氟污泥有机质质量分数均在10%～60%之间，因而从土工角度分析，两种污泥均属于泥炭质土范畴。

由孔隙比可知，两者结构均比较疏松，因而可压缩性大。

表1 污泥的物理性质指标SS FS含水率w指标/% 335 114相对密度 ds 1.55
2.85密度ρ/(g·cm－3) 1.12 1.48有机质 Wu/% 5
3.2 13.1孔隙比 e 8.33 3.12液限wL/% 287 109塑限wp/% 163 54塑性指数Ip 124 52液性指数 IL 1.39 1.15不均匀系数 Cu 8.33 3.50曲率系数Cc 1.88 1.14
图1为污泥的颗粒级配曲线。

由图1可知，市政污泥的颗粒极细，集中在
0.001～0.1mm，而含氟污泥的颗粒粒径范围在0.001～2.0mm，颗粒比市政污泥粗。

由试验可知，市政污泥由于不均匀系数Cu＞5，且曲率系数Cc在1～3之间，因而级配良好。

而含氟污泥颗粒比较均匀，级配不良。

图1 污泥的颗粒级配曲线
2.2 化学性质
(1)污染物中重金属和氟含量。

试验测得污泥中污染物类型、含量及浸出毒性见表
2、表3。

由表2可知，市政污泥中的重金属以Cu、Zn居多，而含氟污泥中污染
物为Cr、Sr、Zn、F。

从溶液的酸碱度来分析，市政污泥溶液为酸性，含氟污泥
为碱性，这是由于含氟污泥是投加碱性钙盐沉淀而成，因而溶液碱性较强。

根据
《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3—2007)，可见市政污泥不属于危险废弃物，但由于Pb、Ni含量较高，在处置前需进行预处理，而含氟污泥则由于Cr、F含量超标，属于危险废弃物。

表2 重金属类型与含量mg/kg，pH 值除外指标SS FS 6.5 7.9 Cr 3.60 528.6 Sr － 39.4 Cd 0.48 －Zn 587.3 76.4 Cu 408.5 －Pb 26.6 15.8 Ni 44.8 3.2 pH值表3 代表性污染物浸出毒性 mg/L试样Cr Cu Zn Pb Ni F SS 0.2 20.4 29.4 6.3 7.2 －FS 26.4 － 3.8 0.8 0.2 179填埋＜5 ＜100 ＜100 ＜5 ＜5 ＞100预处理＞2.5 ＞75 ＞75 ＞5 ＞5 ＞100无害＜5 ＜15 ＜30 ＜5 ＜3 ＜1危废＞15 ＞60 ＞60 ＞15 ＞12 ＞10
(2)重金属与氟元素形态。

污泥中代表性污染物元素形态见图2、图3、图4。

由图2可知，残渣态是两种污泥中Cr元素的主要形态，其次是氧化态，所占百分比最少的是还原态，酸溶态的比例比还原态略高。

市政污泥中Cr残渣态的含量比含氟污泥中高，而酸溶态却低。

因此市政污泥中Cr的迁移性较含氟污泥低。

随着pH 值的升高，市政污泥和含氟污泥中酸溶态的比例均降低，表明Cr的迁移性随之降低。

图2 两种污泥中Cr元素形态
图3 市政污泥Cu、Zn元素形态
图4 含氟污泥Sr、F元素形态
由图3可知，市政污泥中Cu的残渣态比例较高，而酸溶态的比例较低，但Zn则酸溶态比例较高。

Cu、Zn元素的酸溶态随pH值升高而减少，则表明Cu、Zn的迁移性随溶液碱性增强而降低。

图4(a)表明，含氟污泥中Sr的迁移性随溶液碱性增强而降低。

在溶液处于酸性情况下，Sr的迁移性较强。

由图4(b)表明，氟元素以残渣态为主，其余四态较少，水溶态和可交换态仅占总氟含量的2%。

这是由于含氟污泥中主要是氟化钙沉淀所
致。

由于氟在极低的浓度下即对环境造成污染，因而水溶态和可交换态所占比例虽少，仍需关注。

2.3 土力学性质
(1)抗剪强度与渗透性。

污泥的抗剪强度线见图5。

由图5看出，市政污泥抗剪强度极低。

在填埋机械压力50kPa下其τf仅2.8kPa，无法承受机械碾压。

而含氟污泥在该压力下τf为57.4kPa，勉强满足填埋泥质为50kPa要求，但按规定含氟污泥应稳定固化后单独填埋。

由该图算得市政污泥抗剪强度指标 c=1.1kPa，φ
=2.1°，而含氟污泥为 c=50.2kPa，φ=10.4°，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)，取安全系数为1.3，不考虑降解和渗流力作用，则可计算填埋允许坡度分别为2.1°和8.0°。

允许坡度很小，无法形成一定坡度的堆体，在实际填埋作业中很难。

图5 抗剪强度包线
根据渗透变水头试验，得到市政污泥与含氟污泥的渗透系数分别为1.0 ×10－6，2.1 ×10－6cm/s，均在10－6cm/s数量级，因而渗透系数都很低。

其中含氟污泥的渗透性略高，分析原因，可能是因为市政污泥中的有机质含量比含氟污泥高的缘故。

(2)压缩性和压实性。

图6和图7分别表示污泥的压缩性和压实性。

图6表明，加荷初期，压缩性很大，而后趋于稳定。

大概是因为污泥较快压缩至饱和后，由于渗透性很差，其中水难以快速有效排出，所以在压缩后期难以获得有效密实。

由试验获得市政污泥与含氟污泥压缩系数a1－2分别为2.0，0.6MPa－1，因而压缩性都很高。

图6 污泥的e-p曲线
图7 含氟污泥的压实曲线
由于含水率太高，制样困难，因而没有获得市政压实曲线，仅对含氟污泥做了相应
压实。

图7表明，含氟污泥在最优含水量为98.6%下获得的最大干密度仅为
0.80g/cm3，可见压实效果很差，这对于填埋是不利的。

3 结论
(1)除了比重、密度外，市政污泥含水率、液限、塑限、液性指数、孔隙比、有机
质均比含氟污泥高。

(2)市政污泥中的重金属以Cu、Zn居多，而含氟污泥中污染物为Cr、Sr、Zn、F。

市政污泥溶液为酸性，含氟污泥为碱性。

市政污泥中Cu的残渣态比例较高，Zn
酸溶态比例较高。

Cu、Zn的迁移性随溶液碱性增强而降低。

含氟污泥中F以残渣态为主。

Sr的迁移性随溶液碱性增强而降低。

残渣态是Cr的主要形态，市政污泥中Cr残渣态的含量比含氟污泥中高，而酸溶态却低。

(3)市政污泥和含氟污泥的抗剪强度和渗透性很低，其中含氟污泥略高，抗剪强度
指标不能满足填埋标准要求。

两者压缩性都很高，且市政污泥的压缩性略高。

两种污泥的压实性均差，压实效果不佳。

参考文献
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