垃圾渗沥液腐蚀下污泥灰改性黏土压缩特性及孔隙结构

董祎挈，陆海军，李继祥 （武汉轻工大学多孔介质力学研究所，湖北 武汉 430023）

垃圾渗沥液腐蚀下污泥灰改性黏土压缩特性及孔隙结构

董祎挈，陆海军*，李继祥 （武汉轻工大学多孔介质力学研究所，湖北 武汉 430023）

采用市政污泥为原材料烧制污泥灰，并将污泥灰作为改良添加剂对传统填埋场压实黏土衬垫系统进行改性，以达到实现污泥资源化利用以及减少黏土作为衬垫防渗材料的用量.为评价污泥灰改性黏土作为填埋场衬垫材料的工程特性以及微观结构，通过固结压缩试验、低温氮气吸附试验、颗粒分析试验分别检测改性黏土的压缩特性、微观孔隙结构、颗粒组成.压缩试验结果表明，受垃圾渗沥液腐蚀后的改性黏土，随污泥灰含量的增加，孔隙比增大、压缩量减小；经垃圾渗沥液腐蚀后，改性黏土的压缩系数（α1-2）为0.310～0.391MPa-1，固结系数（Cv）为2.446～2.768cm2/s.低温氮气吸附试验结果表明，改性黏土的吸附-脱附等温线属于Ⅴ型等温线；对于垃圾渗沥液腐蚀的改性黏土，孔径分布呈双肩峰形式，孔径为3～7nm的孔隙占比较大，累计孔容为0.509～0.530cm3/g.颗粒分析试验结果显示，受渗沥液腐蚀后改性黏土颗粒组成差异性明显，粒径＞11.5 µm的颗粒为35.09%～49.42%；粒径为2.3～1.5 µm的颗粒为2.35%～7.28%；粒径＜2.3 µm的颗粒为46.57%～57.63%.污泥灰改性黏土具有较好的抗垃圾渗滤液腐蚀效果，可将其作为填埋场衬垫材料使用.

污泥灰；垃圾渗沥液；固结压缩；孔隙结构；颗粒组成

污泥是污水处理过程中不可避免的副产品，全国城镇污水处理厂每天约产生湿污泥（含水率80%）6.14万 t，其中近半的污泥未进行妥善的处理，极易污染大气、水源和土壤.衬垫系统的结构稳定性是确保填埋场安全运行的关键因素.垃圾渗沥液pH值为4.5～9［1］，且其中含有大量有机污染物及重金属元素，其压实黏土衬垫受渗沥液腐蚀后易造成防渗功能失效及污染物渗漏等灾害.

目前已尝试利用粉煤灰、赤泥、秸秆纤维等废料对黏土改性后作为填埋场衬垫材料，以达到提高防渗与吸附能力的目的［2-4］.市政污泥经高温焚烧后产生的灰分称作污泥灰（SSA），其属于多孔材料，具有较好的比表面积和离子交换能力［5］，Li等［6］和 Vogel等［7］研究发现，污泥灰对Cd（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）等重金属离子具有较强的吸附能力. Halliday［8］通过试验发现污泥灰具有较高的硬度，作为混凝土矿物掺合料对混凝土力学性能具有增强效果.Qian［9］通过采用市政污泥焚烧飞灰和普通水泥作为固化剂对三种不同的工业污泥进行固化与稳定化，以飞灰代替水泥以增加固化体的强度.Jeyaseelan等［10］将污泥、污泥灰和碱性尾矿混合制成改良人造土壤，并将其用于生态修复领域，研究表明，掺有污泥及其灰分的改良土壤对镉离子和铅离子含量的降低有积极作用.综上所述，污泥灰作为新型环保材料，目前主要集中在吸附剂、固化剂以及土壤修复方面的研究与应用中，但污泥灰作为一种改良添加剂对黏土进行改性，并作为填埋场衬垫防渗材料使用的研究还未开展.为了探究污泥灰改性黏土衬垫防渗材料受垃圾渗沥液腐蚀后的变形特性及微观结构，通过室内固结试验、低温氮气吸附试验、颗粒分析试验，研究垃圾渗沥液腐蚀下污泥灰改性黏土的压缩特性、孔隙结构与颗粒组成.

1　材料与方法

1.1试验材料

试验所用黏土取自武汉市常青花园某一施工现场，取土深度为 3m，土样取出后置于密封袋中，减少外界环境对土体性质的影响.黏土基本物理性质指标如表1［11］，击实曲线如图1所示，可以看出，黏土的最优含水率为 22.4%，最大干密度为1.66g/cm3.黏土的化学组成成分如表2所示［12］.

表1　黏土的基本物理指标Table 1　The basic physical properties of clay

图1　黏土的击实曲线Fig.1　The compaction curve of tested clay

表2　黏土的化学成分Table 2　The chemical compositions of clay

表3　垃圾渗沥液化学特性Table 3　The chemical properties of the landfill leachate

试验所用污泥属市政污泥，取自武汉市汉西污水处理厂，出厂前污泥已经过机械脱水，并确保其属新鲜污泥，减少因堆放时间过长对污泥性质产生影响.经试验测得污泥中含水率为80.3%［13］，有机物含量为43.2%.试验所用垃圾渗沥液取自武汉市陈家冲生活垃圾填埋场，其基本性质如表3所示.

表4　污泥灰的化学组成Table 4　The chemical compositions of SSA

图2　污泥灰微观形貌Fig.2　The microstructure of SSA

图3　污泥灰的孔容和孔径随粒径的变化Fig.3　The pore volume and pore size of SSA

将所取污泥置于恒温水浴箱（金坛市成辉仪器厂）内，控制温度为 80℃水浴烘干 24h，取出后置于恒温干燥箱内，控制温度为 105℃，并每隔 2小时称量其质量，至恒重后取出.人工破碎后将其分批次放入坩埚，置于马弗炉（天津玛福尔科技有限公司）中，厌氧条件下850℃高温焚烧3h［6］，其后取出红褐色、粉末状污泥灰，过200目标准筛后，置于干燥器中保存备用［14-15］.污泥灰的化学成分如表4所示，表面微观形貌与孔容孔径分布如图2～3所示，由图可以看出，污泥灰残片形状不规则且具有较多孔隙，单片残片体积较小，空间骨架结构有利于承压，且孔容分布较为均匀，2～4nm孔径分布所占比例较大.

1.2试验方法

1.2.1固结压缩试验将试验黏土人工破碎，通过 2mm标准筛，污泥灰改性黏土的组成分别为1%污泥灰+99%黏土、3%污泥灰+97%黏土、5%污泥灰+95%黏土.取适量不同掺合比的改性黏土制成固结试验的试样，其尺寸为直径61.8mm、高20mm，将其放入垃圾渗沥液中浸泡30d后取出.

在最优含水率与最大干密度条件下采用WG型单杠杆固结仪（南京宁曦土壤仪器有限公司）进行固结试验［11］，保持透水板的湿度与试样湿度接近，同时为避免水分蒸发，采用湿棉围住加压盖板四周.分别记录载荷压力为 12.5，25，50，100，200，400，800kPa下改性黏土与纯黏土受渗沥液腐蚀前后的轴向位移.

1.2.2低温氮气吸附试验取少量固结试验中载荷压力为200kPa的表层土样，采用JW-BK低温氮吸附仪（北京精微高博科学技术有限公司）进行低温氮气吸附试验，检测荷载压力200kPa下各试样的孔隙结构特性.土颗粒粒径为 1～2mm.在液氮饱和温度下，以氮（99.99%）为吸附介质，在相对压力P/P0（P与P0分别为氮低温吸附的平衡压力及饱和压力）为0.01～0.995之间，取22个比压力点进行等温吸附与等温脱附，根据标准BET方法［16-17］检测孔径、孔容分布情况.

1.2.3颗粒分析试验采用密度计法［11］针对固结试验中载荷压力为200kPa的土样开展颗粒分析试验.试验前，将试样通过 0.075mm标准筛，测定不同粒径颗粒所占百分数.试验被重复3次，减少因偶然误差产生的数据失真.

2　结果与讨论

2.1压缩特性

垃圾渗沥液腐蚀下污泥灰改性黏土孔隙比随载荷压力变化关系如图4所示，可以看出，载荷压力12.5kPa下的各试样孔隙比差别较小，均在 0.95～0.973，而随着载荷压力逐渐增大，孔隙比降低，且各试样孔隙比间差距逐渐增大.载荷压力800kPa下，未受腐蚀的黏土孔隙比为0.829，较12.5kPa压力下孔隙比下降 14.8%，受渗沥液腐蚀后黏土试样孔隙比大幅降至0.674，较12.5kPa时下降29.1%，而添加污泥灰后的改性黏土试样孔隙比有所上升，但均未超过未受渗沥液腐蚀时黏土的孔隙比.

图4　固结试验载荷压力-孔隙比曲线Fig.4　The curve of pressure-void ratio in consolidation test

土颗粒受到渗沥液腐蚀后易发生团聚现象，颗粒间距离增大，孔隙率增加，在较低的载荷压力时，颗粒团聚体能够抵抗载荷压力，起到支撑作用，故试样变形较小，孔隙率差别较小，而随着载荷压力提高，颗粒团聚体无法承受载荷压力发生破碎与颗粒重组现象，且由于受渗沥液腐蚀后颗粒承压能力降低，颗粒易随压力增大再次破碎，孔隙间被更小颗粒所挤占，故孔隙比大幅降低［18］.而由于污泥灰具有一定的强度特性与吸附污染物特性，不易发生破碎，能够作为支撑骨架抵抗一定载荷压力，传递上层土体对下层的压力，故添加污泥灰后改性黏土的孔隙比有一定程度的提升.

载荷压力200kPa下各试样轴向位移随时间变化曲线如图5，压缩参数如表5所示.试验初期轴向位移瞬间增大，但各试样间差别较小，均在0.5～0.8mm之间，试验开始1min渗沥液腐蚀试样的曲线下降明显加快，而添加污泥灰后试样的轴向位移增量有一定减缓，这是由于受渗沥液腐蚀后孔隙较大，试验初期存在部分黏土颗粒仍具有一定强度可支撑上层土体，而在长时间的载荷压力作用下，其力学特性逐渐下降致使发生变形，轴向位移增大，而此时污泥灰可继续承受上层土体及加载带来的压力，故添加污泥灰的试样轴向位移有所减小.试验 1h后，轴向位移增加速率减缓，试验结束时，受腐蚀后黏土的轴向位移是未受腐蚀黏土的1.30倍，而添加污泥灰后改性黏土轴向位移约为未添加时的59.8%～85.7%.

图5　载荷压力200kPa下轴向位移随时间的变化Fig.5　The axial displacement curve as time changes under the pressure of 200kPa

表5　压缩系数Table 5　The compression coefficients

由表5可以看出，试验所用黏土属于中压缩性土［19］.而当黏土受到渗沥液腐蚀后，其固结系数有小幅上升，说明此时固结速率略有加快，渗沥液腐蚀后生成的黏土颗粒团聚体强度较弱，与未受腐蚀的黏土相比，发生破碎重组的时间略短，使固结速率有小幅增加.添加污泥灰后的固结系数与未受腐蚀时的纯黏土相似，可见污泥灰对提高试样强度，降低其固结速率，阻止试样固结变形存在一定效果，满足作为填埋场衬垫材料压缩性能要求.

2.2孔隙结构

改性黏土受渗沥液腐蚀前后的吸附-脱附等温线如图6所示，由于不同污泥灰含量改性黏土的吸附-脱附等温线类似，故以污泥灰含量为 3%的改性黏土作为引例.根据 IUPAC的分类，均属于Ⅴ型等温线.P/P0＜0.1，吸附等温线微向上凸起，该阶段主要是氮气在污泥灰和黏土颗粒微孔孔壁的吸附，并逐渐达到单层吸附饱和状态.当0.1≤P/P0＜0.65时，吸附量出现增大，不同工况下黏土的吸附-脱附曲线出现分离，由于受渗沥液腐蚀后的黏土颗粒结构松散，吸附能力较弱，吸附量小于未受腐蚀的黏土，污泥灰属多孔介质，自身吸附能力较强，且渗沥液对其腐蚀效果较弱，故掺入污泥灰后吸附量增加明显，此阶段主要是多层吸附.当P/P0≥0.65时，曲线急剧上升，吸附量剧增，氮气在大孔中发生了毛细凝聚现象.

图6　吸附-脱附等温线Fig.6　The adsorption-desorption isotherm

图7　孔容和孔径随粒径的变化Fig.7　The distribution curves of pore volume and pore size

吸附-脱附等温线均存在滞后环，而滞后环的形状差异性反应了孔结构的差异［20］，试验所得均属 H3型滞后环，吸附分支与脱附分支在P/P0=0.25之前是重合的，说明颗粒的孔隙多为瓶口状，当孔径小于1.38nm（kelvin方程求得）时，孔隙多为一端封闭不透气型的，而孔径大于1.38nm的孔隙多为两端开放型［21］.

改性黏土受渗沥液腐蚀前后的孔容孔径分布曲线如图7所示.根据国际理论与应用化学协会（IUPAC）颁布的标准，多孔物质的孔可按孔径大小分为：孔径大于50nm的大孔，孔径为2～50nm的介孔，孔径小于 2nm的微孔［22］.可以看出，试样中 2～8nm孔径占比较大，属于介孔类别.受渗沥液腐蚀前，孔径分布具有较宽的双肩峰，3nm和7nm分布较多，且总孔容在宽峰处略有增大.受渗沥液腐蚀后，削弱了土体的强度，3～7nm间孔径分布规律性减弱，渗沥液改变介孔内部结构使孔隙变大，此外，受到长时间固结作用的影响，7nm及以上介孔发生压缩致使孔隙减小，故双肩峰发育不明显，5～6nm孔径占比有所增加，但2nm以下孔径数量变化不大，这是由于2nm以下微孔的数量主要由晶面间距控制，而渗沥液对矿物晶格物质组成影响较小，仅对其连结方式存在影响所致［16］.随着污泥灰含量的逐渐增加，孔径分布逐渐恢复双肩峰，这是因为污泥灰在固结试验中抵抗荷载压力使7nm左右孔径的颗粒受荷载影响较小，此外，由图3可知，污泥灰孔径在3nm左右分布较多，故随着污泥灰含量的增加，3nm与7nm孔径占比增加，双肩峰发育明显.试样的总孔容曲线近似于一条直线，孔容分布较为均匀，且由于受到渗沥液腐蚀与固结压缩的共同作用，累计孔容变化较小，均在0.509～0.530cm3/g之间.

2.3粒度组成

改性黏土受渗沥液腐蚀前后的粒度成分组成如图8所示.未受渗沥液腐蚀时，粒度成分组成较为均匀，但受到渗沥液腐蚀后粒度组成存在明显变化，11.5µm以上粒径占比 35.09%～49.42%，2.3～11.5µm 之间颗粒所占比例仅为 2.35%～7.28%，较未受腐蚀时下降 79.1%～93.3%，而2.3µm以下粒径所占比例达到 46.57%～57.63%，较未受腐蚀时增加了1.63～2.02倍.

图8　颗粒质量百分数随粒径的变化Fig.8　The curve of particle size composition

黏土颗粒受到渗沥液腐蚀后，起胶结作用的有机无机复合胶体、游离氧化物、可溶盐等被腐蚀，导致颗粒结构黏结力减弱［23］，而试验所用渗沥液呈弱酸性，受腐蚀后易使生成的团聚体带有一定量的电荷，受到固结试验长时间荷载作用下，团聚体中电荷间库伦引力以及颗粒间结构粘结力无法抵抗上层土体带来的压力，致使团聚体破碎重组后成更为细小的颗粒，故2.3～11.5µm间颗粒占比大幅下降，而2.3µm以下粒径占比增加.此外，土体中的有机质、腐殖质分子结构中，含有多种质子配合物与有机表面官能团，而其稳定性各不相同［24］，由于试验所用渗沥液处弱酸性，产生羧基与羰基量较大，而二者容易发生解离反应，稳定性较差，产生可变电荷.未受污染的土壤有机表面官能团分布较为均匀且受到颗粒表面的掩蔽作用，对颗粒粒径影响较小.由于污泥灰颗粒孔隙较多，比表面积较大，孔隙中充满电荷，带电能力强于黏土颗粒，且污泥灰颗粒自身直径相对较大，电荷量较多，抵抗污染物腐蚀能力与抵抗外界压力变形能力较强，且具有一定吸附腐蚀物的能力，可吸引部分小颗粒黏土颗粒环绕在其周围，故 11.5µm以上粒径占比有所增加.0.4µm以下粒径的颗粒过于细小，受渗沥液与长期荷载影响较小，且极少有此粒径的新增颗粒产生，故0.4µm以下粒径占比均稳定在15.0%以下.

3　结论

3.1不含污泥灰、不受渗沥液腐蚀的黏土属于中压缩性土，其吸附-脱附等温线属Ⅴ型等温线，且孔隙多属于介孔，孔径分布具有较宽的双肩峰，3nm和7nm分布较多，粒度成分组成较均匀；

3.2受渗沥液腐蚀后的黏土试样生成的颗粒团聚体强度较弱，孔隙比大幅下降，200kPa恒定荷载下轴向位移是未受腐蚀黏土的1.30倍；颗粒的氮气吸附量小于未受腐蚀的黏土，土体强度削弱，同时受固结压缩作用影响致使孔隙不能过大，3～7nm间孔径分布规律性减弱；粒度组成中粒径＞11.5µm颗粒占 35.09%～49.42%，粒径处于2.3～11.5µm之间颗粒占比仅为2.35%～7.28%，而粒径＜2.3µm颗粒占比达到46.57%～57.63%；

3.3添加污泥灰后的改性黏土强度有所增加，孔隙比上升4.6%～11.7%，200kPa恒定荷载下轴向位移约为未添加时的 59.8%～85.7%，阻止固结变形效果明显；污泥灰改性黏土的吸附-脱附等温线属Ⅴ型等温线，随污泥灰含量的增加，吸附量有所上升，且孔径分布中双肩峰发育明显，总孔容为0.509～0.530cm3/g；粒度组成中11.5µm以上颗粒占45.4%～49.5%，0.4µm以下颗粒占15.0%以下.

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Compression properties and microstructure of modified clay containing SSA under landfill leachate.

DONG Yi-qie，LU Hai-jun*，LI Ji-xiang （Institute of Poromechanics，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China）.

China Environmental Science，2015，35（7）：2072～2078

In order to reduce clay amount needed in the landfill liner system and recycle the sewage sludge，the sewage sludge ash （SSA），which was produced in the burning of sewage sludge，was used to improve the traditional liner system. To estimate the engineering properties of the landfill compacted clay liner system containing SSA，the consolidated compression test，the low temperature nitrogen adsorption test，the particle size analysis test were performed to determine the compression characteristic，the micro pore structure，the grain composition of the compacted clay modified by SSA. The result of the consolidated compression test indicated that with the increasing of the SSA content，the void ratio of the modified clay contaminated by the landfill leachate increased and the amount of the compression of it was decreased. After the modified clay was contaminated by landfill leachate，the compressibility and consolidation coefficients of the modified clay were separately between 0.310～0.391MPa-1，2.446～2.768cm2/s. The low temperature nitrogen adsorption test suggested that the adsorption-desorption isotherm of the modified clay contaminated by landfill leachate belonged to V kind. The shoulder peak existed on the curve of the pore size distribution. The curve showed that the amount of pore between 3～7nm was larger and the accumulated pore volume was between 0.509～0.530cm3/g. The content of pore larger than 11.5µm was 35.09%～49.42%，the content of pore between 2.3～11.5µm was 2.35%～7.28%，and the content of pore smaller than 2.3µm was 46.57%～57.63%. Hence，the compacted clay containing SSA can efficiently resist corrosion，and it can be applied to landfill liner system.

sewage sludge ash；landfill leachate；consolidation；pore structure；grain composition

X705

A

1000-6923（2015）07-2072-07

2014-11-25

国家自然科学基金项目（51474168）；湖北省自然科学基金项目（2014CFB889）；湖北省教育厅科学研究计划项目（D20141703）

* 责任作者，副教授，lhj_whpu@163.com

董祎挈（1991-），男，江苏苏州人，武汉轻工大学硕士研究生，主要从事固体废弃物利用与资源化研究.发表论文4篇.