消化污泥作為垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料的研究
隨著城市生活污水處理技術(shù)的日趨成熟，我國(guó)年產(chǎn)干污泥量約為500萬(wàn)t，且呈不斷上升趨勢(shì)。污泥的處理和處置刻不容緩，如處理不當(dāng)，會(huì)造成二次污染。為解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)污泥“減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化、資源化”的目標(biāo)，研究者提出將污泥作為垃圾填埋場(chǎng)覆蓋物的設(shè)想，并對(duì)其進(jìn)行綜合利用。其中，MALMSTEAD等利用小型試驗(yàn)填埋場(chǎng)研究一種高有機(jī)質(zhì)土——造紙廠污泥作覆蓋材料的可行性，但該試驗(yàn)只是在小范圍進(jìn)行，對(duì)環(huán)境影響因素分析較少；KIM等利用轉(zhuǎn)爐爐渣對(duì)城市污泥進(jìn)行改性，研究了污泥作為垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料的可能性；楊石飛等用自來(lái)水廠脫水污泥與石灰混合進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明污泥經(jīng)過(guò)改性后有望達(dá)到作垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料的各項(xiàng)指標(biāo)。借鑒國(guó)內(nèi)外成功的經(jīng)驗(yàn)，研究了城市污水處理廠改性污泥作為填埋場(chǎng)覆蓋物的技術(shù)可行性和具體的污泥改性方法。
1 實(shí)驗(yàn)材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)材料
消化污泥取自重慶市唐家橋污水處理廠；石灰為化學(xué)純；爐渣取自重慶市同興垃圾焚燒廠，其含水率約為15%。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
模擬降雨實(shí)驗(yàn)中滲透系數(shù)的測(cè)定方法：取樣品5kg放入樣桶（截面積855cm2，高度60cm，桶底透水）中，壓實(shí)密度為1kg/L，即壓實(shí)到距桶底5.8cm的高度，簡(jiǎn)易模擬降雨裝置，降雨強(qiáng)度控制在80mm/h（參照重慶市氣象局提供的重慶市歷史上的降雨強(qiáng)度），降雨量取5L，降雨歷時(shí)為44min，然后通過(guò)式（1）計(jì)算滲透系數(shù)。
其他指標(biāo)的測(cè)定儀器或方法見(jiàn)表1。
表1 各指標(biāo)的測(cè)定儀器或方法
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1.3參照標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，生活垃圾填埋場(chǎng)的防滲層的滲透系數(shù)應(yīng)小于10-7cm/s。因此，污泥作為覆蓋材料時(shí)的滲透系數(shù)應(yīng)小于或接近該值；污泥作為垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料使用后，為了使污水水質(zhì)不超過(guò)污水處理廠的設(shè)計(jì)工作負(fù)荷，其浸出液的污染因子濃度應(yīng)與垃圾滲濾液的相當(dāng)。故模擬降雨實(shí)驗(yàn)浸出液的COD、氨氮以及pH等應(yīng)在垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中各指標(biāo)的濃度范圍之內(nèi)（見(jiàn)表2）。
表2 垃圾填埋場(chǎng)滲濾液污染指標(biāo)質(zhì)量濃度
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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1消化污泥本底指標(biāo)的測(cè)定
按照1.2節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行多組平行實(shí)驗(yàn)，得出消化污泥本底的含水率為77.0%，揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.6%。
2.2不同含水率消化污泥各指標(biāo)的測(cè)定
依據(jù)1.2節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，先將消化污泥預(yù)處理（烘干）到不同含水率，測(cè)定不同含水率消化污泥在模擬降雨實(shí)驗(yàn)中的滲透系數(shù)、COD、氨氮和pH，根據(jù)所得數(shù)據(jù)作含水率與各指標(biāo)間的關(guān)系圖（見(jiàn)圖1）。
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圖1 消化污泥含水率與各指標(biāo)之間的關(guān)系
從圖1可看出，消化污泥的含水率從20%增加到60%，滲透系數(shù)下降約32%，其中含水率從20%增加到40%，滲透系數(shù)只下降了3%左右，下降速率較慢；含水率從40%上升到60%時(shí)，滲透系數(shù)下降約29%，其下降速率較快。COD下降83%，其中含水率從20%增加到50%時(shí)COD下降約79%；而含水率從50%上升到60%時(shí)，COD下降只有4%左右。氨氮下降約77%，其中含水率從20%增加到40%，氨氮下降13%；而含水率從40%上升到60%時(shí)，氨氮下降64%。pH基本維持在7左右。
污泥含水率較低時(shí)，形成堅(jiān)硬的顆粒難以壓實(shí)，顆粒之間縫隙大和孔較多，雨水很快就能滲出，并且許多有機(jī)物顆粒能夠隨著水通過(guò)縫隙帶出，致使?jié)B透系數(shù)較大，同時(shí)浸出液的COD、氨氮含量較高。隨著含水率的升高，污泥顆粒的表面張力減小，同樣壓力下其壓實(shí)度提高，污泥間縫隙小和孔較少，滲透系數(shù)隨之減小，除pH之外的各指標(biāo)隨之降低。由于壓實(shí)度提高，雨水能夠帶出的有機(jī)物顆粒銳減，COD降幅較大，當(dāng)污泥含水率為50%時(shí)，COD主要來(lái)自于浸出的可溶有機(jī)物，再增大含水率COD變化較。粷B透系數(shù)、氨氮的變化與污泥含水率之間存在一個(gè)臨界點(diǎn)（即含水率為40%），當(dāng)污泥含水率到達(dá)40%時(shí)，再增大含水率，滲透系數(shù)和氨氮的變化幅度增大。對(duì)于較高含水率時(shí)，污泥層比較緊密，雨水浸出的污染物較少，故各種污染物負(fù)荷較低。消化污泥出廠時(shí)基本為中性，在預(yù)處理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未添加酸或堿，浸出液的pH基本不變。
2.3消化污泥改性后模擬降雨實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)的測(cè)定
由于較高含水率時(shí)滲透系數(shù)較小且污染負(fù)荷較低，改性達(dá)標(biāo)的可能性比低含水率時(shí)大，故分別選擇50%和60%含水率的消化污泥，改性后做模擬降雨實(shí)驗(yàn)。石灰可與污泥中的水分反應(yīng)，然后吸收空氣中的CO2，最后變成堅(jiān)硬的碳酸鈣；爐渣顆粒堅(jiān)硬，可作為凝結(jié)中心，且來(lái)源廣泛、成本低。因此，選石灰和爐渣作為改性材料。
2.3.1用石灰改性后消化污泥的模擬降雨實(shí)驗(yàn)結(jié)果
分別用含水率為50%和60%的消化污泥與石灰以2:1（質(zhì)量比，下同）、3:1、4:1混合，然后再做模擬降雨實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出消化污泥和石灰質(zhì)量比與各指標(biāo)間的關(guān)系圖（見(jiàn)圖2）。
從圖2可以看出，含水率為50%的消化污泥與石灰混合，當(dāng)質(zhì)量比從2:1上升到4:1時(shí)，模擬降雨浸出液的滲透系數(shù)從6.8×10-4cm/s左右降低到4.8×10-4cm/s左右，COD從2.5×104mg/L降到2.2×104mg/L，氨氮從4.2×102mg/L上升到1.2×103mg/L，pH維持在11左右。含水率為60%的消化污泥與石灰混合，當(dāng)質(zhì)量比從2:1上升到4:1時(shí)，模擬降雨浸出液的滲透系數(shù)從1.1×10-5cm/s左右降到1.0×10-5cm/s左右，COD從約1.4×104mg/L，升到約1.5×104mg/L，氨氮從約5.7×102mg/L上升到1.1×103mg/L，pH維持在11左右。
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圖2 消化污泥和石灰的質(zhì)工比與各指標(biāo)之間的關(guān)系
將含水率為50%和60%的消化污泥以相同質(zhì)量比與石灰混合改性后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，后者模擬降雨的滲透系數(shù)、浸出液的COD小得多，氨氮含量稍大，而兩者的pH差不多。這是由于前者較后者易形成顆粒，模擬雨水沿顆粒縫隙下流，帶出的有機(jī)物量較大，從而使其滲透系數(shù)、COD要比后者大。氨氮主要來(lái)源于錢(qián)鹽的溶出，滲透系數(shù)越小，雨水在污泥中停留的時(shí)間越長(zhǎng)，銨鹽越容易溶出，故后者的氨氮較高。
相同含水率的消化污泥與石灰以不同的質(zhì)量比混合，當(dāng)石灰所占比例越大（即質(zhì)量比越。⿻r(shí)，越能與消化污泥中的水分反應(yīng)，從而使整個(gè)污泥層變得疏松多孔，致使?jié)B透系數(shù)越大；同時(shí)，消化污泥中的銨鹽與強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氨氣逸出，石灰比例越大接觸越充分、錢(qián)鹽消耗量越大，則浸出液中的氨氮就越低。這3種質(zhì)量比中的石灰含量都比較高，其在水中的溶解度基本達(dá)到飽和。
2.3.2用爐渣改性后消化污泥的模擬降雨實(shí)驗(yàn)結(jié)果
分別用含水率為50%和60%的消化污泥與爐渣以2:1（質(zhì)量比，下同）、3:1、4:1混合，然后做模擬降雨實(shí)驗(yàn)，測(cè)定各指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出消化污泥和爐渣質(zhì)量比與各指標(biāo)間的關(guān)系圖（見(jiàn)圖3）。
從圖3可以看出，含水率為50%的消化污泥與爐渣混合，當(dāng)質(zhì)量比從2:1上升到4:1時(shí)，模擬降雨浸出液的滲透系數(shù)從1.5×10-3 cm/s左右降到1.4×10-3 cm/s左右，COD從8.1×103mg／L升到1.2×104mg/L，氨氮從7.4×102mg/L上升到1.1×103mg/L，pH維持在6.5左右。含水率為60%的消化污泥與爐渣混合，當(dāng)質(zhì)量比從2:1上升到4:1時(shí)，模擬降雨浸出液的滲透系數(shù)從5.4×10-6 cm/s左右升到5.6×10-6 cm/s左右，COD從6.9×103mg／L升到7.3×103mg/L，氨氮從5.2×102mg/L上升到1.1×103mg/L，pH維持在7.0左右。
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將含水率為50%和60%的消化污泥以相同質(zhì)量比與爐渣混合改性后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，后者模擬降雨的滲透系數(shù)比前者小很多，約為前者的1/300，浸出液的COD、氨氮也比前者低，而兩者的pH相差不大。
含水率為60%的消化污泥與爐渣混合后，模擬降雨實(shí)驗(yàn)的滲透系數(shù)達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)，主要是由于污泥含水率較高而易壓實(shí)，混合物間的縫隙小，摻入的爐渣在混合后作為凝結(jié)中心，有利于增大混合物的剪切性；模擬雨水所能帶出的有機(jī)物、銨鹽濃度低，而使COD、氨氮隨著爐渣所占比例的增加而減。晃勰啾镜拙褪侵行，爐渣并不改變其酸堿性，所以浸出液的pH維持中性。
3 結(jié)論
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，含水率為60%的消化污泥與爐渣以2:1混合時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到10-6數(shù)量級(jí)，已經(jīng)接近垃圾填埋場(chǎng)防滲層對(duì)滲透系數(shù)的要求，且各種污染物負(fù)荷較小，如再稍微增大壓實(shí)力度，各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到污泥作為垃圾填埋場(chǎng)覆蓋材料的要求。因此，可選用爐渣作為改性材料。但重慶主城區(qū)處于酸雨區(qū)，雨水pH為4.11，垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的pH接近該值，故需向1L滲濾液中投加少量堿（如石灰約3.7mg），既降低其氨氮濃度又將pH調(diào)到6.0，便于后續(xù)處理。爐渣來(lái)自垃圾焚燒廠，可實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的綜合利用，且基本不造成額外的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)可行性較好。
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