- 污泥与城市生活垃圾混填的力学特性及稳定性
- Mechanical properties and stability analysis of sludge-municipal solid waste mixture landfill
- 于小娟
- 土木建筑与环境工程 2016年38卷第3期 页码:80-89
- DOI:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.012
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纸质出版日期:2016-06,
收稿日期:2015-12-25
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随着社会经济快速发展和城市化水平的不断提高,工业污水和生活污水的排放量日益增多,污水处理厂污泥产量急剧增加,据中国住房和城乡建设部 2013 年 2 月公布的数据,截止 2012年底,中国设市城市、县累计建成城镇污水处理厂共 3 340座,污水处理能力约1.42 亿m3/d,假设污水处理负荷率为 75%,每万吨污水产生 6 t含水率为 80%的污泥,则中国每天将产生含水率 80%的污泥 6.39万t[
目前,污泥处置与利用的方式主要有填埋、焚烧、农用以及资源化利用等[
与污泥填埋相关的土工性质或力学性质的研究在其它国家70年代已经开始进行,主要在污泥用作填埋场覆盖材料方面有较为深入研究[
尽管以上研究成果表明污泥城市生活垃圾混合填埋可加速污泥稳定化进程,减少污泥对垃圾填埋场稳定的不利影响,但目前的研究成果多数停留在城市垃圾与污泥混合填埋对加快填埋场降解与稳定过程有促进作用的描述上,中国具体的工程应用鲜有报道。相比而言,国外的污泥与城市垃圾混合填埋技术相对成熟些[
为解决上述问题,进行了污泥及其城市生活垃圾混合样室内试验的基础性研究工作,获取了污泥与城市生活垃圾土混合样的物理、力学性质等土性参数,为全面了解污泥城市垃圾混合样的土工性质提供重要基础数据。同时,对污泥与城市垃圾混合样的变形、强度随污泥掺入量的变化规律进行实验与分析,从而对混合填埋时污泥与城市生活垃圾的适宜混合比作了探索性研究。最后,用数值模拟方法对不同配合比的污泥城市生活垃圾混合边坡的稳定性进行了分析。
1 污泥与城市生活垃圾混合样的工程力学特性室内实验研究
1.1 污泥物理性质指标及城市生活垃圾样制备
实验中的污泥取自盐城市城东污水处理厂,污泥的物理力学指标如
含水率/% | 密度/(g·cm-3) | 有机质含量/% | 液限指数 | 塑限指数 | C/kPa | φ/(°) | Es1-2/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
86.3 | 1.22 | 32.5 | 5.4 | 26.8 | 8.14 | 8.30 | 0.405 |
根据盐城市区城市生活垃圾的现场取样,测得垃圾样平均含水率ω=49.92%,ρ=1.69 g/cm3,ρd=1.13 g/cm3。
实验中的城市生活垃圾,根据盐城市区城市生活垃圾的分拣资料,进行了人工配制,城市生活垃圾各组分如
根据
在现场,垃圾填埋工程都要进行碾压,机械碾压所达到的压实程度以及通过碾压所获得的密实度是实验室模拟现场状态时所面临的两个重要问题,为此,分别配置不同含水率的垃圾样,进行室内标准击实试验。根据《土工试验规程》,进行室内标准击实试验。击实试验结果见
1 城市生活垃圾样的室内击实曲线
击实实验,含水率越高,干密度越大,曲线无显著下降,造成这一现象的原因是垃圾土与正常土体性质上的差异。城市固体废弃物(MSW)以其特殊的物理、力学及工程特性而显著有别于无机土,虽然其高压缩性与泥炭和有机质土有相似之处,但其变形机制以及生物降解特性与现有天然土体有本质的差别。
1.2 污泥与城市生活垃圾混合样固结压缩实验研究
将填埋场准入污泥(含水率小于60%)与城市生活垃圾样按照不同配比混合进行固结压缩实验,固结压缩实验共分5组,纯污泥以及污泥与城市垃圾混合样,污泥与垃圾湿重百分比分别为10%、20%、30%、40%,每组两个平行样。纯污泥及其污泥垃圾混合样加荷等级分别为100、200、300 kPa。
污泥及其与城市生活垃圾混合样的压缩模量,压缩系数及次固结系数分别见
荷载/kPa | 压缩模量Es/MPa | 压缩系数α/MPa-1 | 次固结系数 |
---|---|---|---|
100 | 0.405 | 0.014 | 2.89 |
200 | 0.516 | 0.014 | 1.32 |
300 | 0.590 | 0.006 | 0.75 |
荷载/kPa | 压缩模量Es/MPa | 压缩系数α/MPa-1 | 次固结系数 |
---|---|---|---|
100 | 0.553 | 0.011 | 1.09 |
200 | 0.590 | 0.014 | 0.51 |
300 | 0.631 | 0.006 | 0.25 |
荷载/kPa | 压缩模量Es/MPa | 压缩系数α/MPa-1 | 次固结系数 |
---|---|---|---|
100 | 0.557 | 0.011 | 0.93 |
200 | 0.645 | 0.010 | 0.48 |
300 | 0.782 | 0.008 | 0.18 |
荷载/kPa | 压缩模量Es/MPa | 压缩系数α/MPa-1 | 次固结系数 |
---|---|---|---|
100 | 0.537 | 0.014 | 1.11 |
200 | 0.559 | 0.014 | 0.56 |
300 | 0.615 | 0.009 | 0.28 |
荷载/kPa | 压缩模量Es/MPa | 压缩系数α/MPa-1 | 次固结系数 |
---|---|---|---|
100 | 0.541 | 0.013 | 1.23 |
200 | 0.631 | 0.009 | 0.65 |
300 | 0.711 | 0.007 | 0.19 |
从
固结实验纯污泥(实测含水率分别为56%和60%)轴向位移与时间的关系图如
2 纯污泥固结压缩量与时间关系图
污泥(含水率为60%,与垃圾湿重百分比分别为10%、20%、30%、40%)的混合样的固结压缩实验结果如
3 污泥/垃圾混合样固结压缩量与时间关系图
由
对于纯污泥以及污泥与垃圾混合样,其次固结系数与污泥与垃圾湿重百分含量的关系如
4 纯污泥以及不同湿重百分比的污泥垃圾混合样次固结系数与荷载关系图
以上固结压缩实验结果表明,污泥与城市生活垃圾混合,可较好地改善污泥的固结压缩特性,但要控制污泥的填入量,污泥含量增大,混合样的压缩性会增大;污泥与城市生活垃圾混合,可较大地减小纯污泥的次固结系数,污泥与垃圾湿重百分比较小时,次固结系数小,表明合宜比例的污泥与垃圾混合,可较大地改良污泥的流变特性。
1.3 污泥与城市生活垃圾混合样强度特性实验研究
在三轴固结不排水实验和无侧限抗压强度实验,污泥与城市垃圾混合样中污泥与垃圾湿重百分比分别为10%、20%、30%、40%、50%,其中污泥含水率为60%。
三轴固结不排水实验结果见
纯污泥 | 污泥与垃圾湿重百分比/% | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
10 | 20 | 30 | 40 | 50 | ||
C/kPa | 8.14 | 8.71 | 10.32 | 12.65 | 13.26 | 10.73 |
φ/(°) | 8.3 | 12.04 | 10.63 | 10.34 | 10.24 | 9.3 |
5 污泥/垃圾混合样粘聚力与污泥/垃圾湿重比关系图
6 污泥/垃圾混合样内摩擦角与污泥/垃圾湿重比关系
从
对以上结果进行解读:城市垃圾中,掺入污泥时,污泥会包附在垃圾土的颗粒表面,形似类似的“膜”,随着污泥含量的增大,这层“膜”会越来越完整,污泥在垃圾混合样中所发挥的作用将越来越大。有机质的黏性性质大约只有粘性土的几分之一,污泥含量越高,混合样中的有机质含量就越大,从而导致高污泥含量混合样的粘聚力相比低污泥含量的混合样必将大为降低。另外,污泥中的有机质在混合样的土颗粒之间会起到 “润滑剂”的作用,因此,随着污泥含量的增大,有机质增多,此润滑作用将越显著,从而混合样的摩擦角将随着污泥含量的增加而降低。三轴固结不排水主应力差与轴向应变关系曲线如
7 三轴固结不排水主应力差与轴向应变关系
无侧限抗压强度实验:共分6组,每组3个平行样。尺寸:直径40 mm,高度10 cm。无侧限抗压强度实验结果如
8 污泥垃圾混合样的无侧限抗压强度
上述图表显示,随着污泥含量的增加,混合样的无侧限抗压强度增大,但增加到一定值后,随着污泥含量的进一步增加,其qu值会显著降低。解读:污泥填入城市生活垃圾,污泥含量不高时,随着污泥含量的增加,流动性较强的污泥细颗粒能更好地填充垃圾土颗粒之间的空隙,促进各组分间能更紧密排列,从而使混合样粘聚力增大,无侧限抗压强度增大;但随着污泥含量的增大,污泥在混合样中的作用将渐趋呈主导,污泥的“膜”作用及其有机质的润滑作用将越趋增大,从而导致其无侧限抗压强度显著下降。
2 污泥与垃圾混填边坡的ANSYS数值模拟分析
污泥与垃圾混填边坡的ANSYS数值模拟,坡角为15.5°,边坡形状及计算模型如
9 边坡计算模型
10 网格划分图
污泥与垃圾混填边坡的计算参数见
污泥百分比/% | γ/(kN·m-3) | C/kPa | φ/(°) |
---|---|---|---|
10 | 13.2 | 8.71 | 12.04 |
20 | 14.3 | 10.32 | 10.63 |
30 | 15.1 | 12.65 | 10.34 |
50 | 15.9 | 10.73 | 9.30 |
不同混合比数值模拟如下:
当混合比为10%时,破坏时等效塑形应变、变形图如
11 混合比10%破坏等效塑形应变
12 混合比10%ΔS/ΔFs与Fs关系
13 混合比10%破坏时变形图
当混合比为20%时,破坏时等效塑形应变、变形图如
14 混合比20%破坏等效塑形应变
15 混合比20%ΔS/ΔFs与Fs关系
16 混合比20%破坏时变形图
当混合比为30%时,破坏时等效塑形应变、变形图如
17 混合比30%破坏等效塑形应变
18 混合比30%ΔS/ΔFs与Fs关系
19 混合比30%破坏时变形图
当混合比为50%时,破坏时等效塑形应变、变形图如
20 混合比50%破坏等效塑形应变
21 混合比50%ΔS/ΔFs与Fs关系
22 混合比50%破坏时变形图
由上述的数字模拟分析结果可知,污泥含量为10%、30%左右的混填边坡的安全系数较高,但当污泥含量增大到50%时,其安全系数会激剧下降。因此,污泥与垃圾混合填埋时,一定要控制污泥的掺入量,以确保填埋体边坡的稳定安全。
3 结 论
1) 通过污泥及其与城市生活垃圾土混合样的压缩及强度等实验,获取了污泥及其与城市生活垃圾土混合样的物理、力学性质指标,为全面了解污泥城市垃圾混合样的土工性质提供重要基础数据。
2) 对污泥与城市垃圾混合样的变形、强度随污泥掺入量的变化规律进行实验与分析,从而对混合填埋时污泥与城市生活垃圾的适宜混合比作了探索性研究:合宜比例的污泥与垃圾混合,可较好地改善污泥的流变特性和强度。
3) 通过污泥与垃圾混填边坡的ANSYS数值模拟分析可知,污泥含量为10%、30%左右的混填边坡的安全系数较高,但当污泥含量增大到50%时,其安全系数会骤然下降。因此,污泥与垃圾混合填埋的实际工程,一定要结合混合样的固结压缩特性、强度特性试验和边坡稳定计算结果,控制污泥的适宜掺入比例,以确保填埋体边坡的稳定安全。