污泥改性及其在填埋场中的稳定化过程研究
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摘要
随着我国城市污水处理率的逐年提高，污水厂污泥的产量急剧增加，污泥的处理处置问题日益严重。常用的堆肥、填埋、焚烧和制造建筑材料等处置方法各有利弊。根据我国目前的经济现状和未来的发展趋势，在今后相当长的时间里，填埋仍然是我国污泥处理最重要的方法之一。然而，传统的污泥填埋方式存在着污泥强度低难以压实、渗透性低无法排水、卫生条件差以及场地不可持续使用等问题。
针对这些问题，本文提出了“污泥改性填埋——填埋场污泥降解与稳定化形成矿化污泥——矿化污泥开采与利用——污泥改性填埋”的循环填埋的新理念，在系统地表征污泥与填埋相关的土工性质基础上，研究了矿化垃圾、粉煤灰、建筑垃圾、泥土等改性材料对污泥进行改性后填埋的可行性；通过污泥及改性污泥在填埋场中的矿化过程、腐殖化过程、生物毒性和表面沉降的变化规律研究，系统地表征了污泥在填埋场中的稳定化过程；建立了填埋污泥稳定化程度的评价指标体系，预测了矿化污泥的形成时间。为解决污泥性质不符合填埋操作要求的问题、实现污泥填埋场的可持续使用提供了基础数据和工艺参数，为解决污泥处置问题开辟了一条新途径。主要研究结论如下：
对上海曲阳污水厂生物污泥和白龙港污水厂化学强化一级处理污泥的土工性质研究表明，化学污泥的孔隙比和压缩性低于生物污泥，抗剪和抗压性能好于生物污泥。含水率是影响污泥土工性质的主要因素，污泥的强度和内摩擦角与含水率负相关。新鲜脱水污泥抗压强度小于10kPa，抗剪强度小于5kPa，无法承受作业机械碾压。当含水率降到64％左右，污泥的抗压强度和抗剪强度分别增大到50kPa和25kPa，可以满足填埋作业的强度要求，建造成12．6°的边坡在填埋操作中不会造成滑坡问题。含水率降到60％时，污泥臭度降到3级。50kPa下白龙港化学污泥的固结系数C_v=0．010726cm~2／s。50～100kPa内压缩指数C_c=1．16。
改性材料对污泥的有效改性技术研究表明，污泥应满足的填埋作业要求有：无侧限抗压强度≥50kPa，十字板抗剪强度≥25kPa，渗透系数在10~(-6)～10~(-5)cm／s数量级，臭度低于三级等。粉煤灰、矿化垃圾、建筑垃圾、泥土四种改性剂能够不同程度的改善污泥的工程性质，包括降低污泥的含水率和持水性、提高抗剪和抗压强度、增大渗透性能、降低可压缩性及臭度。其中抗剪强度为控制性指标。与污泥的最低混合比分别为6：10、9：10、7：10和9：10时方能使改性污泥达到填埋作业要求。综合比较下，粉煤灰的效果最好，建筑垃圾次之，矿化垃圾再次之，泥土最差。
对污泥及改性污泥在填埋后的稳定化进程研究表明，经过498天的降解，曲阳污泥、曲阳污泥+矿化垃圾、白龙港污泥和老港中试污泥的有机质降解率分别为67．1％、61．6％、30．5％和51．4％。污泥初始有机质含量越高，总降解率越高。生物污泥较化学污泥易于降解。
除纯污泥的氨氮呈现不断积累外，各种污泥渗滤液COD、TOC、VFA、总磷基本上都是随时间呈波动下降趋势。除了pH外，添加改性剂的污泥渗滤液各污染指标基本都比纯污泥的低。纯污泥的渗滤液产量很小，每年只有44L／t污泥；添加矿化垃圾使污泥渗滤液的可生化性降低，产量增加到每年约287L／t污泥。
改性剂可以提高污泥的渗透性，减轻污泥水解酸化产物的积累对微生物的抑制作用，可明显缩短渗滤液有机污染物浓度到达峰值的时间，并降低峰值的大小；提高污泥的产气速率，加速污泥进入甲烷化阶段，并可提高气体的甲烷含量。
中试污泥的渗滤液COD、TOC、VFA、总磷浓度明显低于实验室小试。中试污泥的降解速度大于小试污泥。相对于环境温度，35℃时污泥降解更快，渗滤液中污染物浓度更高。增大改性剂用量，可提高污泥产气量。压实不利于产气。
污泥的腐殖化过程研究表明，随着污泥不断降解，腐殖质不断生成。随着微生物种群的演替，前期生成的腐殖质又不断被降解。四类污泥的腐殖质随时间基本上呈下降趋势，或后期保持平稳；老港中试污泥的腐殖化率和腐殖化率指数随时间呈下降趋势。曲阳污泥的呈增大趋势，曲阳污泥+矿化垃圾和白龙港污泥的腐殖化率前后差别很小。腐殖化率的大小顺序是曲阳污泥+矿化垃圾>白龙港污泥>曲阳污泥>老港中试污泥。HI大小顺序是曲阳污泥>曲阳污泥+矿化垃圾>老港中试污泥>白龙港污泥。初始有机质含量越高的污泥，腐殖化作用越强，腐殖化程度越深。
四种污泥的HA分子量及其分布表明，曲阳污泥、曲阳污泥+矿化垃圾、白龙港污泥的HA基本上都经历分子量先增大后减小，后期又增大的变化过程。分子离散度依次降低。其中曲阳污泥在后期分子合成最迅速，腐殖化深度最大。老港中试污泥的规律不同，前期分子量减小，中期后期变化很小，分子的离散度最小。污泥的FA前期呈分解趋势，后期呈合成趋势。
四种污泥植物毒性消失的快慢顺序是曲阳污泥+矿化垃圾、曲阳污泥、白龙港污泥、老港中试污泥，分别先后在填埋后的520、612、650、670天达到发芽指数80％。矿化垃圾具有一定的缓解污泥降解产生的植物毒性的作用，腐熟后的曲阳污泥+矿化垃圾具有促进种子发芽的肥效作用。
污泥在填埋场覆土封场后的长期沉降可分为应力沉降和降解沉降。纯污泥填埋初期的沉降主要是应力沉降，一年后以降解沉降为主。老港中试污泥、白龙港污泥、曲阳污泥以及曲阳污泥+矿化垃圾的最终沉降量占堆体高度的百分比分别是12．33％、20．54％、13．77％和26．57％。第一年的沉降量分别占总沉降量的98．9％、94．4％、97．4％和98．9％。四种污泥的沉降量分别可在870、1170、995和762天达到其沉降能力的99．99％。老港中试污泥的固结系数C_v=0．00215cm~2／s。
根据渗滤液和污泥固体的指标与填埋时间的定量关系，按照污泥的BDM达到4．76％和渗滤液COD降到一级排放标准预测，污泥及改性污泥的稳定化时间是3．2～5．8年。如果将污泥利用作营养土，污泥的稳定化时间只需1．4～1．8年。
Sludge disposal has become an acute problem in sewage treatment plants. Though incineration, composting, bricking making, cement production industries can use sludge as feed materials, landfill disposal is still considered to be an alternative due to its low disposal costs.
Sludge is a biosolid and biodegradable. It will be stabilized gradually and steadily as soon as being placed in a landfill. It is considered that a recycle of "landfill - sludge landfilling - sludge biodegradation - aged sludge excavation - re-landfilling of fresh sludge " should be possible, if the stabilization process is explored fully and the time for the sludge stabilization is drawn.
However, the operation of landfilling of sludge is found quite difficult as it contains over 80% moisture and extremely low strength and permeability. The objectives of this work were to transform the geotechnical properties of sewage sludge by mixing additives such as aged refuse excavated from long-term closed refuse landfill, coal ash, demolition wastes, and soil, followed by the exploration of the landfill stabilization process of the original and transformed sludge. Both bio-sludge generated from a biological treatment plant of sewage and chemical sludge generated from a primary treatment plant of sewage using AlCl_3 as main coagulant were tested.
This study investigates the geotechnical properties of the dewatered sewage sludge both generated from chemically enhanced primary treatment and biological treatment in Shanghai. The result shown that void ratio and compressibility of chemical sludge was lower and shear stress and bearing capacity was better than that of bio-sludge. Moisture has significant effect on geotechnical properties of sludge, and has negative relevant with shear stress and fiction angle. Sludge could meet the requirement of shear stress and bearing capacity no less than 50kPa and 25 kPa respectively when its moisture content decreased to 64%.side slope of 12.6°may be constructed without causing sliding problems for chemical sludge during landfill
operation. The malodor could decrease to 3~(rd) grade. Consolidation coefficient under 50 kPa was calculated to be 0.010726 cm~2/s and the compressive coefficient under 50～100 kPa was 1.16.
It was found that the geotechnical properties of sludge for landfill operation should meet the requirements of the following specifications: bearing capacity over 50kPa, vane shear strength over 25 kPa, permeability of over the magnitude of 10~(-6)～10~(-5)cm/s, and moderate odor. In this case, the sludge should be mixed with the additives and ratios of additives to sludge should be over 6:10、9:10、7:10 and 9:10 for coal fly ash, aged refuse, demolition wastes and soil, respectively.
The annual production rate of leachate from fresh sludge with moisture of 80% was about 44L/t. The biodegradability of leachate decreased and annual production of leachate increased to 287 L/t in the presence of 33% aged refuse in the mixtures. Meanwhile, it was observed that the presence of the additives can accelerate the stabilization of sludge. Pollutants concentrations in leachate from mixtures with additives were always lower than those of the fresh sludge.
A field lysimeter with 36 t of fresh sludge was established and its long-term stabilization process was monitored. It was found that pollutants concentrations in the leachate from the field-test lysimeter were significantly lower than those of the laboratory lysimeters. Moreover, it seemed that the degradation in the field lysimeter was faster. After 498 days of biodegradation, the organic matters decreased by 67.1 %、61.6%、30.5%and 51.4% for the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge, bio-sludge+aged refuse, chemical sludge and field test lysimeter of chemical sludge, respectively. The biodegradation of the bio-sludge was observed to be faster than the chemical sludge.
The humidification of sludge in the lysimeters was studied. It was found that humus, humic percentum and humic index slightly increased during the stabilization process. Molecular weight of humic acid decreased in early days revealing its mineralization process, and increased with time in metaphase and anaphase showing its maturation process. Fulvic acid decomposed in prophase and composed in metaphase and anaphase. Humic percentum decreased in the sequence of the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge+aged refuse, bio-sludge, field test lysimeter of chemical sludge, and chemical sludge, while humic index decreased in the sequence of the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge, bio-sludge+aged refuse, field test lysimeter of chemical sludge, and bio-sludge.
Biological toxicity faded during the stabilization of sludge, slow in prophase and rapaid in metaphase and anaphase, according with logarithm formula. The germinating index of aged refuse+biosludge, biosuldge, chemical sludge and field-test chemical sludge can reach to 80% at 520 d、612 d、650 d and 670 d of placement, respectively. Mixing of aged refuse could reduce the toxicity of the biosludge and increased the germinating index.
Settlement of simulated landfills could be classified into the initial stress settlement occurred mainly in the first year and secondary degradation settlement in the following years. The predicted ultimate settlement of the chemical sludge in field-test lysimeter, chemical sludge, biosludge and aged refuse+biosludge in the laboratory scale lysimeters were evaluated to be 12.33%、20.54%、13.77%, and 26.57% of the initial sludge height, and the corresponding settlements in first year were 98.9%、94.4%、97.4% and 98.9% of the ultimate settlement, respectively. 99.99% of the ultimate settlement may reach at 870 d, 1170 d, 995 d, and 762 d of the placement, respectively. Consolidation coefficient of field-test lysimeter was calculated to be 0.00215 cm~2/s.
The equations among the settlements, pollutants concentrations in leachate (COD, NH3-N, etc), chemical compositions in the sludge (organic matters, BDM, VM, TS, moisture, etc) and the placement time, were established. Taking the leachate discharge standard and the BDM in soil as reference, it was estimated that resultant biodegraded sludge can be regarded as the stabilized sludge or aged sludge which can be excavated and recycled after around 3.2 to5.8 years placement, when the BDM in the sludge decreased from around 30～60% in sludge to 4.76% in soil and COD to 100 mg/L in the leachate. If the aged sludge was to be used for planting, 1.4 to 1.8 years at lest would be needed.
针对这些问题，本文提出了“污泥改性填埋——填埋场污泥降解与稳定化形成矿化污泥——矿化污泥开采与利用——污泥改性填埋”的循环填埋的新理念，在系统地表征污泥与填埋相关的土工性质基础上，研究了矿化垃圾、粉煤灰、建筑垃圾、泥土等改性材料对污泥进行改性后填埋的可行性；通过污泥及改性污泥在填埋场中的矿化过程、腐殖化过程、生物毒性和表面沉降的变化规律研究，系统地表征了污泥在填埋场中的稳定化过程；建立了填埋污泥稳定化程度的评价指标体系，预测了矿化污泥的形成时间。为解决污泥性质不符合填埋操作要求的问题、实现污泥填埋场的可持续使用提供了基础数据和工艺参数，为解决污泥处置问题开辟了一条新途径。主要研究结论如下：
对上海曲阳污水厂生物污泥和白龙港污水厂化学强化一级处理污泥的土工性质研究表明，化学污泥的孔隙比和压缩性低于生物污泥，抗剪和抗压性能好于生物污泥。含水率是影响污泥土工性质的主要因素，污泥的强度和内摩擦角与含水率负相关。新鲜脱水污泥抗压强度小于10kPa，抗剪强度小于5kPa，无法承受作业机械碾压。当含水率降到64％左右，污泥的抗压强度和抗剪强度分别增大到50kPa和25kPa，可以满足填埋作业的强度要求，建造成12．6°的边坡在填埋操作中不会造成滑坡问题。含水率降到60％时，污泥臭度降到3级。50kPa下白龙港化学污泥的固结系数C_v=0．010726cm~2／s。50～100kPa内压缩指数C_c=1．16。
改性材料对污泥的有效改性技术研究表明，污泥应满足的填埋作业要求有：无侧限抗压强度≥50kPa，十字板抗剪强度≥25kPa，渗透系数在10~(-6)～10~(-5)cm／s数量级，臭度低于三级等。粉煤灰、矿化垃圾、建筑垃圾、泥土四种改性剂能够不同程度的改善污泥的工程性质，包括降低污泥的含水率和持水性、提高抗剪和抗压强度、增大渗透性能、降低可压缩性及臭度。其中抗剪强度为控制性指标。与污泥的最低混合比分别为6：10、9：10、7：10和9：10时方能使改性污泥达到填埋作业要求。综合比较下，粉煤灰的效果最好，建筑垃圾次之，矿化垃圾再次之，泥土最差。
对污泥及改性污泥在填埋后的稳定化进程研究表明，经过498天的降解，曲阳污泥、曲阳污泥+矿化垃圾、白龙港污泥和老港中试污泥的有机质降解率分别为67．1％、61．6％、30．5％和51．4％。污泥初始有机质含量越高，总降解率越高。生物污泥较化学污泥易于降解。
除纯污泥的氨氮呈现不断积累外，各种污泥渗滤液COD、TOC、VFA、总磷基本上都是随时间呈波动下降趋势。除了pH外，添加改性剂的污泥渗滤液各污染指标基本都比纯污泥的低。纯污泥的渗滤液产量很小，每年只有44L／t污泥；添加矿化垃圾使污泥渗滤液的可生化性降低，产量增加到每年约287L／t污泥。
改性剂可以提高污泥的渗透性，减轻污泥水解酸化产物的积累对微生物的抑制作用，可明显缩短渗滤液有机污染物浓度到达峰值的时间，并降低峰值的大小；提高污泥的产气速率，加速污泥进入甲烷化阶段，并可提高气体的甲烷含量。
中试污泥的渗滤液COD、TOC、VFA、总磷浓度明显低于实验室小试。中试污泥的降解速度大于小试污泥。相对于环境温度，35℃时污泥降解更快，渗滤液中污染物浓度更高。增大改性剂用量，可提高污泥产气量。压实不利于产气。
污泥的腐殖化过程研究表明，随着污泥不断降解，腐殖质不断生成。随着微生物种群的演替，前期生成的腐殖质又不断被降解。四类污泥的腐殖质随时间基本上呈下降趋势，或后期保持平稳；老港中试污泥的腐殖化率和腐殖化率指数随时间呈下降趋势。曲阳污泥的呈增大趋势，曲阳污泥+矿化垃圾和白龙港污泥的腐殖化率前后差别很小。腐殖化率的大小顺序是曲阳污泥+矿化垃圾>白龙港污泥>曲阳污泥>老港中试污泥。HI大小顺序是曲阳污泥>曲阳污泥+矿化垃圾>老港中试污泥>白龙港污泥。初始有机质含量越高的污泥，腐殖化作用越强，腐殖化程度越深。
四种污泥的HA分子量及其分布表明，曲阳污泥、曲阳污泥+矿化垃圾、白龙港污泥的HA基本上都经历分子量先增大后减小，后期又增大的变化过程。分子离散度依次降低。其中曲阳污泥在后期分子合成最迅速，腐殖化深度最大。老港中试污泥的规律不同，前期分子量减小，中期后期变化很小，分子的离散度最小。污泥的FA前期呈分解趋势，后期呈合成趋势。
四种污泥植物毒性消失的快慢顺序是曲阳污泥+矿化垃圾、曲阳污泥、白龙港污泥、老港中试污泥，分别先后在填埋后的520、612、650、670天达到发芽指数80％。矿化垃圾具有一定的缓解污泥降解产生的植物毒性的作用，腐熟后的曲阳污泥+矿化垃圾具有促进种子发芽的肥效作用。
污泥在填埋场覆土封场后的长期沉降可分为应力沉降和降解沉降。纯污泥填埋初期的沉降主要是应力沉降，一年后以降解沉降为主。老港中试污泥、白龙港污泥、曲阳污泥以及曲阳污泥+矿化垃圾的最终沉降量占堆体高度的百分比分别是12．33％、20．54％、13．77％和26．57％。第一年的沉降量分别占总沉降量的98．9％、94．4％、97．4％和98．9％。四种污泥的沉降量分别可在870、1170、995和762天达到其沉降能力的99．99％。老港中试污泥的固结系数C_v=0．00215cm~2／s。
根据渗滤液和污泥固体的指标与填埋时间的定量关系，按照污泥的BDM达到4．76％和渗滤液COD降到一级排放标准预测，污泥及改性污泥的稳定化时间是3．2～5．8年。如果将污泥利用作营养土，污泥的稳定化时间只需1．4～1．8年。
Sludge disposal has become an acute problem in sewage treatment plants. Though incineration, composting, bricking making, cement production industries can use sludge as feed materials, landfill disposal is still considered to be an alternative due to its low disposal costs.
Sludge is a biosolid and biodegradable. It will be stabilized gradually and steadily as soon as being placed in a landfill. It is considered that a recycle of "landfill - sludge landfilling - sludge biodegradation - aged sludge excavation - re-landfilling of fresh sludge " should be possible, if the stabilization process is explored fully and the time for the sludge stabilization is drawn.
However, the operation of landfilling of sludge is found quite difficult as it contains over 80% moisture and extremely low strength and permeability. The objectives of this work were to transform the geotechnical properties of sewage sludge by mixing additives such as aged refuse excavated from long-term closed refuse landfill, coal ash, demolition wastes, and soil, followed by the exploration of the landfill stabilization process of the original and transformed sludge. Both bio-sludge generated from a biological treatment plant of sewage and chemical sludge generated from a primary treatment plant of sewage using AlCl_3 as main coagulant were tested.
This study investigates the geotechnical properties of the dewatered sewage sludge both generated from chemically enhanced primary treatment and biological treatment in Shanghai. The result shown that void ratio and compressibility of chemical sludge was lower and shear stress and bearing capacity was better than that of bio-sludge. Moisture has significant effect on geotechnical properties of sludge, and has negative relevant with shear stress and fiction angle. Sludge could meet the requirement of shear stress and bearing capacity no less than 50kPa and 25 kPa respectively when its moisture content decreased to 64%.side slope of 12.6°may be constructed without causing sliding problems for chemical sludge during landfill
operation. The malodor could decrease to 3~(rd) grade. Consolidation coefficient under 50 kPa was calculated to be 0.010726 cm~2/s and the compressive coefficient under 50～100 kPa was 1.16.
It was found that the geotechnical properties of sludge for landfill operation should meet the requirements of the following specifications: bearing capacity over 50kPa, vane shear strength over 25 kPa, permeability of over the magnitude of 10~(-6)～10~(-5)cm/s, and moderate odor. In this case, the sludge should be mixed with the additives and ratios of additives to sludge should be over 6:10、9:10、7:10 and 9:10 for coal fly ash, aged refuse, demolition wastes and soil, respectively.
The annual production rate of leachate from fresh sludge with moisture of 80% was about 44L/t. The biodegradability of leachate decreased and annual production of leachate increased to 287 L/t in the presence of 33% aged refuse in the mixtures. Meanwhile, it was observed that the presence of the additives can accelerate the stabilization of sludge. Pollutants concentrations in leachate from mixtures with additives were always lower than those of the fresh sludge.
A field lysimeter with 36 t of fresh sludge was established and its long-term stabilization process was monitored. It was found that pollutants concentrations in the leachate from the field-test lysimeter were significantly lower than those of the laboratory lysimeters. Moreover, it seemed that the degradation in the field lysimeter was faster. After 498 days of biodegradation, the organic matters decreased by 67.1 %、61.6%、30.5%and 51.4% for the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge, bio-sludge+aged refuse, chemical sludge and field test lysimeter of chemical sludge, respectively. The biodegradation of the bio-sludge was observed to be faster than the chemical sludge.
The humidification of sludge in the lysimeters was studied. It was found that humus, humic percentum and humic index slightly increased during the stabilization process. Molecular weight of humic acid decreased in early days revealing its mineralization process, and increased with time in metaphase and anaphase showing its maturation process. Fulvic acid decomposed in prophase and composed in metaphase and anaphase. Humic percentum decreased in the sequence of the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge+aged refuse, bio-sludge, field test lysimeter of chemical sludge, and chemical sludge, while humic index decreased in the sequence of the laboratory-scale lysimeters of bio-sludge, bio-sludge+aged refuse, field test lysimeter of chemical sludge, and bio-sludge.
Biological toxicity faded during the stabilization of sludge, slow in prophase and rapaid in metaphase and anaphase, according with logarithm formula. The germinating index of aged refuse+biosludge, biosuldge, chemical sludge and field-test chemical sludge can reach to 80% at 520 d、612 d、650 d and 670 d of placement, respectively. Mixing of aged refuse could reduce the toxicity of the biosludge and increased the germinating index.
Settlement of simulated landfills could be classified into the initial stress settlement occurred mainly in the first year and secondary degradation settlement in the following years. The predicted ultimate settlement of the chemical sludge in field-test lysimeter, chemical sludge, biosludge and aged refuse+biosludge in the laboratory scale lysimeters were evaluated to be 12.33%、20.54%、13.77%, and 26.57% of the initial sludge height, and the corresponding settlements in first year were 98.9%、94.4%、97.4% and 98.9% of the ultimate settlement, respectively. 99.99% of the ultimate settlement may reach at 870 d, 1170 d, 995 d, and 762 d of the placement, respectively. Consolidation coefficient of field-test lysimeter was calculated to be 0.00215 cm~2/s.
The equations among the settlements, pollutants concentrations in leachate (COD, NH3-N, etc), chemical compositions in the sludge (organic matters, BDM, VM, TS, moisture, etc) and the placement time, were established. Taking the leachate discharge standard and the BDM in soil as reference, it was estimated that resultant biodegraded sludge can be regarded as the stabilized sludge or aged sludge which can be excavated and recycled after around 3.2 to5.8 years placement, when the BDM in the sludge decreased from around 30～60% in sludge to 4.76% in soil and COD to 100 mg/L in the leachate. If the aged sludge was to be used for planting, 1.4 to 1.8 years at lest would be needed.
引文
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