填埋污泥固化改性作回填土工程特性與環(huán)境風險

王 磊，譚學軍，鄭曉光

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.上海申環(huán)環(huán)境工程有限公司，上海市200092]

0 引言

城鎮(zhèn)污水處理過程伴隨產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物污泥，2020 年我國污水處理廠產(chǎn)生污泥干固體總量達到1 162.77 萬t[1]。早期我國污泥以填埋為主，侵占了大量土地資源[2]。隨著城鎮(zhèn)化建設推進，許多填埋場面臨著二次開發(fā)問題，歷史填埋的污泥亟需尋找出路。

上海某城鎮(zhèn)污水處理廠自2004 年開始在廠內(nèi)填埋脫水污泥，2010 年填埋場覆膜封場。近來由于污水廠改擴建亟需征用填埋場土地，擬將填埋污泥挖出進行二次處理處置。污泥處置方式主要包括焚燒、土地利用和建材利用[3]。經(jīng)過長時間填埋，污泥中有機物逐漸降解[4]，熱值相應大幅降低，焚燒經(jīng)濟效益較差。填埋污泥中仍然富集有重金屬等污染物，農(nóng)用、園林綠化等土地利用存在環(huán)境風險，且消納量隨季節(jié)波動穩(wěn)定性差。污泥建材利用主要將污泥作為輔料燒制水泥熟料、制磚、制陶粒等[5]，極度依賴水泥窯、磚窯等設施，且污泥摻加比例較低[6]，消納量有限。與新鮮污泥相比填埋污泥處理處置更加困難[7]，然而目前污泥處理處置技術研究主要聚焦于新鮮污泥[8，9]，關于填埋污泥的研究卻鮮有報道。

與此同時，該污水廠改擴建過程中場地平整、景觀造坡、道路施工、管槽回填需要大量回填土，外購土方既增加經(jīng)濟成本，土方開采過程還會破壞生態(tài)環(huán)境。利用填埋污泥制備回填土有利于破解污泥出路缺乏和工程土方短缺兩大困境[10]。河道疏浚底泥固化改性制備填方材料、回填土、路基材料目前已有較多研究[11-13]，而針對填埋污泥的研究卻較少。因此，本研究針對該污水廠填埋污泥進行固化改性研究，對改性產(chǎn)物的工程特性和環(huán)境風險進行分析，論證填埋污泥固化改性后用作回填土的技術可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用污泥取自上海某城鎮(zhèn)污水廠的污泥填埋場。該填埋場建成于2004年，底部及四壁鋪設有防滲膜，填埋對象為污水廠脫水污泥，污泥含水率為80%左右，2010 年該污泥填埋場覆膜封場。2021 年從該填埋場取泥，用清水稀釋至含水率92%，摻加PAM和FeCl3進行化學調(diào)理，然后采用隔膜壓濾機進行深度脫水，進泥壓力為0.8 MPa，壓榨壓力為1.5 MPa，壓榨時間為120 min。隔膜壓濾機卸泥口所采集泥餅性質(zhì)見表1。

表1 污泥性質(zhì)

污泥固化改性試驗所用藥劑為專利藥劑申環(huán)固土16 土壤固化劑（NOWA-SH），屬鈣基活性激發(fā)類復合型土壤固化劑，以鈣基無機類活性材料、激發(fā)劑與外加劑為原料，經(jīng)調(diào)配而成。

1.2 試驗方法

污泥隔膜壓濾脫水泥餅呈塊狀，使用ALUU 破碎篩分斗進行泥餅破碎，破碎后粒徑不大于10 mm。

將破碎后污泥分成體積約20 m3的3 個堆體，按照0%、5%、7.5%三個藥劑投加比例（藥劑質(zhì)量占污泥干重的比例），分別向污泥中摻加藥劑并混合均勻，堆置反應3 h，取樣進行檢測分析。

將污泥分別攤鋪成長10 m、寬2 m 的條狀，采用寶馬格XMR403 壓路機（型號ZN490B，工作質(zhì)量4 t）進行分層碾壓，每層最大壓實厚度為200 mm，且不小于100 mm。每層污泥均碾壓10 遍（5 個來回），下層污泥碾壓完成后，攤鋪上層污泥碾壓，直至污泥最終總厚度達到500～600 mm，考察污泥壓實效果。

現(xiàn)場試驗過程照片見圖1。

圖1 試驗過程照片

1.3 檢測方法

檢測項目和檢測方法見表2。

表2 檢測方法

2 結果與討論

2.1 最大干密度與最優(yōu)含水率

土工擊實試驗過程將不同含水率的土樣分別擊實，再將擊實后的土樣分別檢測干密度，其中最大干密度土樣的含水率稱為最優(yōu)含水率。含水率低于最優(yōu)含水率時，土中的粘粒擴散層不能夠充分發(fā)展，團粒結構間作用力強，土體很難壓密；含水率高于最優(yōu)含水率時，團粒間作用力減小，顆粒趨于定向排列，孔隙比增大，密度減小[11]。土方回填時，應盡可能使填料含水率接近最優(yōu)含水率，填筑壓實后才能達到最佳效果。

本研究分別針對不摻加固化劑和摻加5%固化劑的污泥開展擊實試驗，結果見圖2。不摻加固化劑的污泥通過標準擊實試驗測得最大干密度為0.92 g/cm3，最優(yōu)含水率為57.4%；摻加5%固化劑后，最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，與不摻加固化劑相比最大干密度提高了7.6%，最優(yōu)含水率降低了10.4%。易進翔等[14]利用普通硅酸鹽水泥固化污水廠脫水污泥，也發(fā)現(xiàn)固化污泥的干密度隨著水泥材料摻加量的增加而增加、孔隙比隨著摻加量的增加而減少。

圖2 擊實試驗結果

2.2 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是試樣在無側向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強度。目前尚無標準規(guī)范對回填土的強度進行規(guī)定，林安珍等[11]提出回填土的強度應不小于0.2 MPa，以滿足車輛、機械等進場作業(yè)要求?！冻擎?zhèn)道路路面設計規(guī)范》（CJJ 169—2012）對基層材料強度進行了嚴格規(guī)定，石灰穩(wěn)定類材料用于輕交通的下基層材料時7 d 無側限抗壓強度值應不小于0.7 MPa，而用于重、中交通的下基層材料時強度值應不小于0.8 MPa。

摻加不同比例固化劑后污泥7 d 無側限抗壓強度檢測結果見圖3。不摻加固化劑的污泥強度很低，僅為0.1 MPa，無法滿足車輛、機械進場作業(yè)要求。摻加5%比例固化劑之后，污泥強度提高至0.9 MPa；進一步提高藥劑比例至7.5%，強度提高至1.9 MPa。隨著固化劑摻量提高，污泥的強度呈現(xiàn)明顯的升高趨勢，不僅可滿足車輛機械作業(yè)要求，還可滿足道路下基層材料的強度要求。

圖3 無側限抗壓強度檢測結果

2.3 現(xiàn)場壓實效果

摻加不同比例藥劑后污泥壓實效果見圖4。不摻加固化劑工況下，污泥較為松軟，碾壓過程中彈性較大，無法壓實，且污泥極易粘結在壓路機滾輪上，碾壓后污泥表面粗糙龜裂。摻加5%和7.5%固化劑后，污泥抗壓強度顯著增強，碾壓過程中粘結滾輪現(xiàn)象明顯改善，碾壓后污泥較為密實，表面也較為平整光滑。藥劑投加量越大，碾壓后密實度和平整度越好。

圖4 污泥壓實表觀效果

2.4 有機物含量

研究對象污水廠新鮮污泥有機物含量約50%～55%，而本研究所取填埋污泥有機物含量為32.90%，這可能是由于污泥經(jīng)過10 余年填埋過程，易降解有機物發(fā)生了厭氧生物降解。朱英等[4]研究發(fā)現(xiàn)，污泥填埋700 d 后揮發(fā)性有機物和總有機碳的含量分別從44.7%和23.5%降低至24.2%和13.5%。齊文杰等[15]認為，污泥在填埋場中經(jīng)過長期的降解后達到穩(wěn)定化，形成礦化污泥，污泥填埋場達到穩(wěn)定化所需時間約為3 a。本研究污泥填埋時間長達10 余年，推測污泥已經(jīng)達到穩(wěn)定化，剩余有機物主要以難生物降解有機物為主。因此，污泥固化改性作為回填土后，有機物短時間內(nèi)迅速降解產(chǎn)生大量甲烷、惡臭氣體的可能性較小。

《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB 50068—2018）規(guī)定：臨時性建筑設計使用年限為5 a，易于替換結構構件的建筑設計使用年限為25 a，普通房屋和構筑物的設計使用年限為50 a。在較長的時間尺度下，污泥中殘留的難降解有機物在微生物的作用下仍然會發(fā)生緩慢的降解。冉孟膠等[16]研究發(fā)現(xiàn)，填埋固化污泥用作地基土時，因有機質(zhì)降解引起的不均勻沉降不可忽略，需考慮地基長期穩(wěn)定性?！锻练郊氨乒こ淌┕ぜ膀炇找?guī)范》（GB 50201—2012）規(guī)定：有機質(zhì)含量大于8%的土，不應用于有壓實要求的回填區(qū)域。本研究中填埋場污泥有機物含量為32.90%，摻加固化劑后有機物含量略微降低至27.73%，但仍然無法滿足建筑地基要求，只能用于沒有壓實要求的回填區(qū)域。

2.5 重金屬含量

污泥中重金屬含量是制約處置出路的重要因素。重金屬檢測結果見表3，各項重金屬的檢出濃度均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥泥質(zhì)》（GB 28188—2009）中相應限值，與該污水廠處理對象為生活污水的特點相一致。摻加固化劑后污泥中重金屬含量略有降低，這可能是由于固化劑對污泥產(chǎn)生了稀釋作用。

表3 污泥重金屬含量檢測結果

目前國內(nèi)尚無針對回填土的重金屬評價標準。《土壤環(huán)境質(zhì)量建設用地土壤污染風險管控標準》（GB 36600—2018）規(guī)定了保護人體健康的建設用地土壤污染風險篩選值，第一類用地篩選值適用于居住用地、中小學用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、社區(qū)公園等，第二類用地篩選值適用于工業(yè)用地、物流倉儲用地、道路與交通設施用地等。建設用地篩選值中未對總鉻和總鋅含量進行規(guī)定，其余重金屬指標含量均不超過第一類用地和第二類用地限值，可滿足各種建設用地要求。此外，考慮到部分區(qū)域土方回填之后可能會種植綠化植物，因此與《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486—2009）進行比對，結果表明污泥各項重金屬指標均可滿足園林綠化用泥質(zhì)要求。

2.6 易溶鹽含量

污泥中含有易溶鹽，作為回填土存在腐蝕建筑材料的風險，例如硫酸根離子、碳酸氫根離子、鎂離子等會腐蝕混凝土結構，氯離子會腐蝕鋼筋混凝土中的鋼筋。因此，本研究針對改性前后污泥中易溶鹽含量進行分析，并根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）進行腐蝕性評估，結果見表4。污泥固化改性前后各易溶鹽指標相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級均為微，對混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

表4 易溶鹽含量檢測結果 單位：mg/kg

2.7 可行性分析

研究對象污泥取自上海某城鎮(zhèn)污水廠的污泥填埋場，該污水廠主要處理市政污水，自2004 年至2010 年產(chǎn)生的污泥脫水至含水率80%左右，進行填埋封存。因污水廠改擴建亟需用地，擬將填埋污泥挖出，深度脫水后進行固化改性，用作場地平整、景觀造坡、道路施工、管槽回填等回填土。本研究對改性產(chǎn)物的工程特性和環(huán)境風險進行分析，論證填埋污泥固化改性后用作回填土的技術可行性。

（1）工程特性

污泥中粉性土或粘性土等細粒土含量偏高，抗剪切強度較低，回填過程中挖土機、裝載車等機械難以直接在污泥上進行施工操作，回填后也無法壓實。摻加固化劑后，污泥的7 d 無側限抗壓強度明顯提高，不僅可滿足車輛機械作業(yè)要求，還可滿足各種不同等級道路路基對填料強度的要求，現(xiàn)場碾壓過程中污泥粘結滾輪現(xiàn)象明顯改善，碾壓后污泥較為平整密實。摻加5%固化劑后，污泥最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，污泥強度提高至0.9 MPa，可滿足各種不同等級道路路基層位對填料強度的要求。進一步提高藥劑比例至7.5%，強度提高至1.9 MPa，碾壓后密實度和平整度更好。

然而，填埋污泥有機物含量為32.90%，在較長的時間尺度下，污泥中殘留的難降解有機物仍然會發(fā)生緩慢的降解，可能影響填土基礎的穩(wěn)定性，只能用于沒有壓實要求的回填區(qū)域，如場地平整、景觀造坡、綠化填土或臨時設施墊層等，無法作為永久性建構筑物、道路、管溝的墊層，應用場景較為有限。將污泥與黃土、石灰、建筑渣土等無機材料混合可以降低有機物含量，擴大適用回填范圍。程冠軍等[17]向污泥中摻加30%的黃土和6%～10%的水泥基改性固化劑，實驗發(fā)現(xiàn)污泥改性處理后其強度完全滿足道路填料要求。

（2）環(huán)境風險

污泥填埋時間長達10 余年，現(xiàn)場從填埋場取泥時，填埋區(qū)存在明顯的泥水分界面，污泥層上部有1.0～2.2 m 深的污泥水，污泥水上部與覆膜之間的污泥氣存在明顯臭味，經(jīng)檢測致臭組分主要為氨氣（154 mg/m3）和甲硫醇（6.8 mg/m3），但污泥本身散發(fā)臭味并不明顯，結合類似研究推測污泥已經(jīng)達到穩(wěn)定化[4，15]，剩余有機物主要以難生物降解有機物為主。污泥固化改性作為回填土后，有機物短時間內(nèi)迅速降解產(chǎn)生大量甲烷、惡臭氣體，進而造成安全和環(huán)境風險的可能性較小。

污泥中各項重金屬指標可滿足第一類和第二類建設用地篩選值以及園林綠化用泥質(zhì)標準限值，可用于各種類型建設用地。此外，污泥填埋過程中重金屬的生物可利用性會進一步降低[18]，因此重金屬污染風險相對較小。污泥固化改性前后各易溶鹽指標相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級均為微，對混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

3 結論

（1）填埋污泥較為松軟，7 d 無側限抗壓強度僅為0.1 MPa，碾壓過程中彈性較大，無法壓實。摻加5%固化劑后，污泥最大干密度為0.99 g/cm3，最優(yōu)含水率為51.4%，污泥強度提高至0.9 MPa，可滿足機械作業(yè)以及各種不同等級道路路基對填料強度的要求，碾壓后污泥較為平整密實。進一步提高藥劑比例至7.5%，強度提高至1.9 MPa，碾壓后平整度更好。

（2）污泥中各項重金屬均可滿足第一類和第二類建設用地篩選值以及園林綠化用泥質(zhì)標準限值，可用于各種類型建設用地。污泥固化改性前后各易溶鹽含量相差不大，碳酸根離子、碳酸氫根離子、硫酸根離子、氯離子、鎂離子的腐蝕等級均為微，對混凝土、鋼筋等建筑材料的腐蝕性較小。

（3）污泥經(jīng)過10 余年填埋過程，有機物從50%～55%降低至32.90%，散發(fā)臭味已不明顯，但有機物含量仍然較高，只能用于沒有壓實要求的回填區(qū)域。