市政与环境工程 | 更新时间：2023-11-25 | 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 slu

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^[1]。2010年10月的“京城环保第一大案”，以及随后的“深圳污泥坑管涌威胁自然生态”、“重庆污泥不治污水处理系统将崩溃”等相继见诸媒体的报道，揭开了中国在污泥处理上的严重缺口，污泥处置问题已成为中国亟待解决的环境问题。

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^[2]。由于污泥卫生学指标、重金属指标难以满足农用标准，污泥焚烧存在汞汽化和二噁英污染等问题未能得到有效解决，污泥填埋因其有投资少、容量大、见效快的优势，已逐渐成为国内外污泥处置的主要途径之一。

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^[3-4]。近几年来的研究成果研究表明，将城市生活垃圾与污泥进行混合，其降解稳定过程比单独填埋时明显加快。比如，单华伦^[5]的研究表明，污泥和生活垃圾进行混合填埋可以促进垃圾降解和填埋体沉降，对加速填埋场稳定及扩大填埋库容有利。徐华亭^[6]通过造纸污泥与生活垃圾混合填埋的模拟实验，提出添加适量的造纸污泥可加速生活垃圾降解过程，提高垃圾降解效率。吴正松等^[7]通过生活垃圾与污泥一体化处理反应器试验后提出，生活垃圾与污泥一体化处理，对污泥和垃圾的减量及稳定效果良好。Kavitha 等^[8] 研究指出，活化污泥可提高城市生活垃圾生物降解能力，促进其稳定化进程。另外，Martin^[9]对垃圾与污泥均匀混合填埋，加速填埋层进入稳定的甲烷化阶段的机理进行了理论分析。Kong 等^[10]对城市生活垃圾与污泥混合物汽化动力学特性及其活化能和指前因子等参数进行了研究。Fang等^[11] 进行了造纸污泥与城市生活垃圾混合的共热解热重量分析。Zuhaib等^[12] 对污泥加速城市生活垃圾进入甲烷化阶段的最优组分比进行了实验分析。彭晨^[1]利用城市生活垃圾堆肥的热量可作为维持污泥中温厌氧消化这一特性，对城市生活垃圾和污水厂污泥一体化反应器小件模型试验进行了研究，试验结果确定污泥的最优运行投配率为25%。李耕宇^[13]进行了不同污泥负荷下常温厌氧活性污泥对生活垃圾填埋渗滤液处理效果研究，指出当污泥培养温度为 21 ℃，渗滤液 pH 为 7.6 时，厌氧反应池中污泥负荷约为 7.83 kgCOD/kgMLSS·d 时，反应器处理效果最佳。另外，朱英等^[14]对填埋物质分别为污泥、污泥+牛粪、污泥+铁刨花以及准好氧填埋方式的加速稳定化过程进行了研究。谢震震等^[15]研究表明，污泥和粉煤灰混合填埋比污泥单独填埋能够加大有机物的降解速率，从而缩短稳定化时间。

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^[16]。国外也有将污泥与城市生活垃圾或泥土混合填埋的应用：与生活垃圾混合填埋时，将污泥撒布在城市垃圾上面，混合均匀后铺放于填埋场内，压实覆土。污泥与垃圾的混合比为1：4-1：7，中间覆土层厚度0.15~0.3 m，填埋容量为900~7 900 m³/ha^[17]。由于中国的城市垃圾种类比国外的要复杂得多，中国污水处理厂对污泥固化/稳定预处理的标准、经费投入等与国外的相差巨大，因而国外污泥与垃圾混合填埋技术的具体参数不适用于中国国情。目前，中国对于污泥与城市垃圾土混合样的土力学性质还了解不多，对污泥与城市垃圾混合样的抗剪强度(内摩擦角、粘聚力)、固结特性(压缩指数、固结系数)等工程力学性质认识不足，从而对混合填埋时污泥与城市垃圾的适宜混合比例以及填埋的极限容量等问题不甚了解，而中国鲜有现成的资料可供借鉴，国外的又不适用于中国，从而导致中国污泥被大肆倾倒入MSW填埋场的现象屡见不鲜，填埋场工程安全隐患丛生，工程事故频繁发生，不仅造成了惨重的人员伤亡和财产损失，也给当地带来了巨大的环境灾难。比如，潮州市鸡笼山垃圾填埋场的垃圾崩塌滑坡事故、深圳下坪固体废弃物填埋场污泥坑管涌事故，以及由于污泥倾倒引发的广州大王岗垃圾填埋场崩塌事故等。

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。

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图 9所示。弹性模量E=15 MPa，泊松比0.3。计算范围取坡脚向左延伸40 m，深度取坡脚以下30 m，模型总宽280 m。左、右边界仅约束水平位移，底部边界约束水平和竖直位移。网络划分见图 10所示。Plane42单元，分成1 139个单元，1 233个节点。模型按平面应变考虑。

9  边坡计算模型

 

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10  网格划分图

 

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污泥与垃圾混填边坡的计算参数见表 11，表中的参数取自固结不排水实验结果，其中的强度指标如表 9所示。

11  垃圾混合样参数

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

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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、变形图如图 11~13，软件计算得安全系数Fs=2.1。

11  混合比10%破坏等效塑形应变

 

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12  混合比10%ΔS/ΔF_s与F_s关系

 

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13  混合比10%破坏时变形图

 

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当混合比为20%时，破坏时等效塑形应变、变形图如图 14~16，软件计算得安全系数Fs=2.03。

14  混合比20%破坏等效塑形应变

 

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15  混合比20%ΔS/ΔF_s与F_s关系

 

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16  混合比20%破坏时变形图

 

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当混合比为30%时,破坏时等效塑形应变、变形图如图 17~19，软件计算得安全系数Fs=2.13。

17  混合比30%破坏等效塑形应变

 

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18  混合比30%ΔS/ΔF_s与F_s关系

 

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19  混合比30%破坏时变形图

 

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当混合比为50%时，破坏时等效塑形应变、变形图如图 20~22，安全系数Fs=1.56。

20  混合比50%破坏等效塑形应变

 

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21  混合比50%ΔS/ΔF_s与F_s关系

 

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22  混合比50%破坏时变形图

 

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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。

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。