林順官
1.福建省建筑科學研究院有限責任公司,福建 福州 350025;2.福建省綠色建筑技術重點實驗室,福建 福州 350025
福州市某集污池建設于上世紀九十年代,依山而建,三面山坡陡峭,與集污池液面高差約30m,截污壩與池底高差超過30m,成漏斗狀,現場施工條件十分惡劣,且與外界連接的園區道路狹窄、坡陡、路彎,大型車輛難以進入,園區內無法提供工作面,此外,池底淤積污泥量大且含水率極高,因此,常規處理方式皆無法滿足現場施工要求,經過多方案討論并經專家論證后,決定采用工期短且人為可控的原位污泥固化方案,只在池內對污泥進行處理,有效防止處理過程對周邊環境的影響。
淤泥固化技術是一種加入淤泥后通過與淤泥的物理和(或)化學反應,改善淤泥工程性能(包括凝結時間、無側限抗壓強度、水穩系數等)的藥劑,是土壤固化劑[1]的一種。淤泥固化劑通過一系列的水化、水解反應,生成數量可觀的水化產物和膠凝物質,通過包裹、粘結、錨固等作用,使淤泥中的細小顆粒團?;?,形成穩定的骨架結構,淤泥因而最終成為具有一定強度和穩定性的整體結構。污泥固化劑是在淤泥固化劑的基礎上,根據污泥的特性,結合化學平衡理論、吸附理論、沉淀理論,通過高效原材料的選擇、功能性組分的添加和配合比的優化開發而成,能快速固化超高含水率、超高有機質含量的流態污泥,并消除其難聞臭味,具有較好的消毒殺菌作用。
集污池清淤及后續池底改造工作完全在池內進行,因此必須對池內超過4 萬方污泥進行固化處理,滿足一定的強度要求才能保證池底的穩定性和現場施工的安全性。設計對底泥固化的要求如下:
(1)固化土含水量≤60%。7 天無側限抗壓強度大于0.1MPa(基于現場施工考慮),28 天無側限抗壓強度大于0.3MPa(基于最終地基穩定性考慮);
(2)耐浸泡性要求試樣在用清水浸泡 28 天不破壞;
(3)固化土的重金屬浸出檢測,達到環保部門一般固體廢棄物標準,可用于工程回填。
2.1.1 取樣
現場利用浮橋在集污池深凹處通過拉線挖斗下探,挖去液面下約14m 的污泥泥漿,由于拉線挖斗挖泥后會閉合,在上拉過程不會有過多污水進出,取樣可靠性較好。
2.1.2 污泥固化劑
本項目所處理的污泥淤積多年,有機質含量極高,且多為流態,采用河道淤泥固化劑無法達到快速固化效果,故采用福建建工建材科技開發有限公司生產的閩建科污泥固化劑。污泥與固化劑按質量比混合,通過攪拌器攪拌均勻并成型,養護至齡期后進行相關性能檢測。
2.2.1 響應面分析法
響應面分析法(Response Surface Methodology,RSM)[2],是利用合理的試驗設計,通過有限次數的實驗得到數據,采用多元二次回歸方程擬合多因素與響應值之間的函數關系,并通過統計分析尋求設計最優化參數,解決多變量問題的分析方法。
2.2.2 含水率試驗
含水率試驗參照GB/T 50123《土工試驗方法標準》進行,使用的主要儀器設備為:
①電熱烘箱,溫度設定為68±1℃;
②天平,量程1000g,最小分度值0.01g。
污泥含水率按下式計算,精確至0.1%:
式中md——干土質量
m0——濕土質量
2.2.3 無側限抗壓強度強度測試
無側限抗壓強度測試依據GB/T 50123《土工試驗方法標準》進行。
由于原狀污泥有機質含量極高,因此需要在較低溫度下烘干,直至恒量,測得原狀污泥含水率約為92%。
使用Design-Expert軟件中的Box Behnken Design進行試驗設計,以固化劑摻量、固化時間和污泥含水率3 因素為自變量,以無側限抗壓強度為響應面,設計試驗因素與水平和測試結果見表 1。
表1 配合比設計及測試結果
通過軟件分析,模型、固化劑、固化時間的p 值皆<0.001,此影響因素與實驗結果相關性極為顯著,為優化模型,去除相關性極小的項目,優化后分析結果如表 2 所示,模型的校正決定系數0.9916,說明此模型優化后對數據的擬合程度良好;預測決定系數0.9826,與校正決定系數只相差不到0.01(一般情況下不大于0.2 即可用),說明模型優化很好,回歸方程可用于大部分數據的預測,其回歸方程為關于無側限抗壓強度的二元方程式:
無側限抗壓強度=-54.2 +1.66×固化劑-0.948×固化時間+0.063×固化劑×固化時間
表2 分析優化
根據設計和現場施工要求,設定固化土無側限抗壓強度值為100kPa,再反算在不同固化時間要滿足強度要求所需的最小固化劑摻量,結果如表 3 所示。要求7d 時固化土強度達到100kPa,則固化劑摻量為底泥質量的25.6%,即274kg/m3;要求1d 時固化土強度達到100kPa,則固化劑摻量為底泥質量的55.8%,即597kg/m3;要求4h 時固化土強度達到100kPa,則固化劑摻量為底泥質量的82.6%,即884kg/m3。
表3 優化結果
根據優化結果進行試驗驗證,結果如表 4 所示,三個結果與預測值基本相當,相對而言,7d 無側限抗壓強度的預測值比實際值稍小。
表4 實驗驗證結果
若施工工期允許,且施工條件較好,固化劑摻量為300kg/m3,固化劑與污泥攪拌均勻后,養護7d 強度即可超過0.1MPa,挖機等施工設備即可直接行走在固化土上,可以繼續向前推進施工;若需要縮短工期,則可通過調整固化劑摻量的方式,縮短固化土養護時間從而使固化土強度在短時間內即滿足施工要求;若雨季施工時,固化土7d 的養護期過長,會導致固化土在養護期間大量吸水膨脹,從而導致固化效果大大下降,因此雨季施工時也必須通過提高固化劑摻量的方式縮短養護時間,從而減小雨季對固化土養護的不利影響。
根據設計要求,污泥固化土的7d 無側限抗壓強度要不低于0.1MPa,28d 無側限抗壓強度不低于0.3MPa,含水率≤60%。根據上文的強度預測公式,只能預測4h 到7d 范圍內的強度,超出界限的預測無法保證準確性,因此根據7d 無側限抗壓強度的預測,以固化劑摻量250、300 和350 進行實驗,福建建工建材科技開發有限的污泥固化劑固化性能如下列各表所示。
摻量為250 時,固化土性能滿足7d 無側限抗壓強度要求,28 天無側限抗壓強度和含水率均不符合設計要求。
摻量為300 時,固化土性能能滿足7d 和28d 無側限抗壓強度要求,其中7d 無側限抗壓強度為設計要求的2 倍,而28d含水率為61%,不符合設計要求。
摻量為350 時,固化土性能完全滿足設計要求,其中7d 無側限抗壓強度和28d 無側限抗壓強度遠大于設計要求,分別為0.3MPa 和0.62MPa,且其28d 含水率也降到57%;根據實驗結果可看出,固化劑摻量與固化土無側限抗壓強度成正比,與28d含水率成反比,因此可推測固化劑摻量為600kg/m3和900kg/m3時,固化土28d 無側限抗壓強度和含水率必定滿足設計要求。
表5 固化土性能
污泥固化劑因為其具有水硬性,因此其制備的固化土一般都具有一定的耐水性。
閩建科污泥固化土泡水試樣如圖所示,固化土表面仍保存著試樣固化前的指壓痕跡,強度很高,泡水五月沒破壞更沒泥化,所浸泡的清水中也沒有明顯的黑色污染物溶出。
圖2 閩建科污泥固化土泡水五個月試樣
根據項目環評所進行的滲瀝液污泥浸出毒性實驗,結果顯示滲瀝液污泥屬于一般工業固體廢物,重金屬含量等指標并未超標??紤]到污泥固化過程引入了大量的“污泥固化劑”,有引入重金屬的風險,因此對固化后的污泥進行重金屬的浸出毒性檢測,如表 6 所示,所有參數皆遠小于限值,固化后的污泥仍只是一般工業固廢,滿足環保要求。
表6 浸出毒性檢測結果
本實驗對污泥固化劑進行了相關的測試,通過實驗結果分析與討論,得出以下結論:
(1)閩建科污泥固化劑反應快,固化強度高,耐水性好,不引入額外污染源,適用于污泥固化;
(2)根據現場取得的污泥泥樣,當摻入350kg 閩建科污泥固化劑,固化土性能滿足設計要求,固化土現場施工環境良好時,建議實際施工按350kg/m3添加固化劑。
(3)雨季期間施工,需要縮短固化時間,可減少雨水和地下水對固化效果的影響,并提高現場場地使用效率。將固化劑摻量提高到600kg/m3,可保證固化土24h 內養護完成,可上施工設備,并不受雨水影響;將固化劑摻量提高到900kg/m3,可保證固化土4h 養護完成,可上施工設備,并不受雨水影響。