酸雨作用下污泥固化土長期強度研究

1、酸雨作用下污泥固化土長期強度研究     酸雨作用下污泥固化土長期強度研究#李磊*基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金資助課題（200802941001）作者簡介：李磊，（1976-），男，副教授，主要從事環(huán)境巖土工程方面的研究工作. E-mail: dr.lilei（河海大學地球科學與工程學院，南京 210098）5 摘要：污泥固化土的強度主要依靠水化產物來維持，在酸雨作用下水化產物存在分解的可性能，直接影響到污泥固化土的材料性能。采用室內強化實驗和化學動力學方法，建立了水化產物分解率與強度損失之間的關系，預測了酸雨作用下污泥固化土的長期

2、強度變化。實驗結果表明，所建立的化學動力學模型能夠模擬污泥固化土強度的損失，能夠預測污泥固化土在酸雨作用下的長期強度變化。而且一般的酸雨條件下不會對泥固化土的強度產生顯著影響，10 能夠滿足工程的要求。關鍵詞：污泥固化土；長期強度；酸雨；化學動力學中圖分類號：TU4Research of Solidification Sludge Long-term Strength under15 Acid RainLi Lei(College of Earth Sciences and Engineering, HoHai University, NanJing 210098)Abstract: Soli

3、dification sludge strength depends on hydration products. Hydration productsdecomposed by acid rain maybe inflence the strength of solidification sludge. The augmentation20 experiment and chemical kinetics were used on research and the relation of hydration productsdecomposed ratio between strength

4、loss ratio was established. The long-term strength under acidrain was predicted. The strength loss of solidification sludge can be simulated and long-termstrength change can be predicted under acid rain by chemical kinetics model. The strength ofsolidification sludge would not be influenced and coul

5、d meet engineering requirements under25 general acid rain.Keywords: solidification sludge; long-term strength; acid rain; chemical kinetics0 引言污泥是城市污水處理廠的主要副產品之一，預計到2010 年我國城市污水排放總量將達30 464×108m3，將產生0.125×1080.21×108t 污泥（含水率400%）。由于污泥中含有大量的有機質、病菌、寄生蟲及、重金屬、有機污染物等，將其任意堆放或處理不當，都可能造成嚴重的二次

6、污染1-2。根據(jù)我國目前的經(jīng)濟發(fā)展水平，短期內解決污泥的安全處置，長期實現(xiàn)資源化利用，是符合我國國情的污泥處理處置技術路線。其中采用固化處理技術，提高污泥的物理力學性質，35 將污泥處理為可以再生資源利用的土材料，是一條可行的污泥處理處置技術路線之一。該方法提高了污泥的物理力學性能，滿足了對污泥中污染物封閉的要求，實現(xiàn)了污泥的資源化利用，而且工藝技術路線簡單，處理成本較低，已經(jīng)在上海、深圳等地的進行了應用3-4。但是污泥固化土是一種以水泥為固化基材的改性土材料，其材料性質的穩(wěn)定主要依靠其中呈堿性水化產物的膠結作用來維持。目前酸雨危害已經(jīng)成為普遍存在的問題，污泥固化土40 作為土材料在使用過程中

7、如果受到酸雨的作用，污泥固化土中的水化產物具有發(fā)生分解的可能，從而污泥固化土的材料穩(wěn)定性將會受到影響5。為了明確污泥固化土在酸雨作用條件下強度變化規(guī)律，采用室內試驗強化酸雨環(huán)境，獲 得污泥固化土材料穩(wěn)定性與環(huán)境因子的關系，并采用化學動力學理論預測酸雨作用長期條件下污泥固化土的強度變化規(guī)律，為污泥固化技術的推廣提供材料穩(wěn)定性方面的理論依據(jù)。45 1 污泥固化土與酸反應的化學動力學方程污泥固化后產生強度的根本原因是因為水泥水化產物的膠結以及和粘土礦物中活性成分反應的結果，生成的水化產物主要包括水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣以及碳酸鈣等6。這些水化產物的一個共同點是其中都有鈣元素，水化產

8、物遇酸反應意味著水化產物中結合態(tài)的鈣轉化為離子態(tài)的鈣，可溶態(tài)鈣離子量可以間接作為反映水化產物被酸反應掉的量。50 假定水化產物和酸反應是一個n 級反應，其化學方程式可表述為：C-M+H+Ca2+M+H2O (1)式中M 表示不同的水化產物基團。在溫度T 時水化產物和酸反應的化學動力學方程可以表示為： Ca 2 C M H += = k dtd(2)55 式中為反應速率，Ca2+、C-M 、H+分別表示反應體系中Ca2+、水化產物以及酸的濃度，、為水化產物和酸的反應級數(shù)，k 為速率常數(shù)，t 為反應時間。式(2)中 可以通過試驗測定，待求參數(shù)為k、 和。根據(jù)文獻7提供的計算方法求得。2 實驗方案及

9、計算參數(shù)污泥固化土選取5 個配比，分別為5:0.5:2、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2（污泥、水泥、60 淤泥的重量比），養(yǎng)護至28 天齡期。在200ml 錐形瓶中加入100ml 不同濃度的鹽酸，磁力加熱攪拌器上預熱至一定溫度后，加入一定質量粉碎后過2mm 的篩的污泥固化土試樣，繼續(xù)保持恒溫加熱攪拌至1 小時后將懸濁液迅速過濾至裝有無水乙醇的燒杯中，阻止化學反應的繼續(xù)進行，采用原子吸收方法測定溶液中Ca2+的濃度。以水化產物形態(tài)存在的鈣采取以下方法測定：采用上述類似方案，按照1:10 的固液比65 振蕩8 小時并靜置16 小時后采用原子吸收分光光度計測其中鈣離子的量，這部分鈣離

10、子是以可溶態(tài)形式存在；然后按照EPA Method 3052，6010B(1996)方法測定其中所有鈣的量。將兩次測得的鈣的量相減得到的鈣離子量即是以水化產物形態(tài)存在的鈣。計算得到污泥固化土與鹽酸反應的化學動力學參數(shù)如表1。3 污泥固化土長期強度的預測70 3.1 水化產物分解量的計算假定水化產物的初始濃度為A，酸的初始濃度為B，經(jīng)過時間t 后水化產物的分解量為x，即生成的Ca2+量為x，消耗的酸量的2x 由式(2)可得：k(A x) (B 2x)dtdx = (3)在酸雨持續(xù)作用下可以假定酸的濃度一直保持不變，并將所求得、 代入上式并進行75 積分可以得到： = b tadx kB dtA

11、x 01 1.5(4) 可以求得經(jīng)過時間t 后生成得Ca2+濃度，即被反應掉得水化產物量為：21.5)2b = A ( A a ktB (5)80 表1 污泥固化土與鹽酸反應化學動力學參數(shù)Tab.1 chemical kinetics parameter of solidification sludge and hydrochloric acid參數(shù) 試樣 T()20 30 405:2:0 0.52 0.52 0.425:2:1 0.48 0.38 0.525:2:2 0.56 0.41 0.495:0.5:2 0.47 0.53 0.495:1:2 0.46 0.46 0.515:

12、2:0 1.43 1.42 1.415:2:1 1.48 1.55 1.435:2:2 1.48 1.42 1.425:0.5:2 1.41 1.46 1.395:1:2 1.40 1.39 1.455:2:0 5.232E-02 6.580E-02 9.262E-025:2:1 6.559E-04 7.372E-03 3.538E-025:2:2 6.144E-05 2.150E-03 1.255E-025:0.5:2 1.364E-02 4.394E-02 4.973E-02k5:1:2 1.513E-03 2.396E-03 3.158E-02由表1 可以看出污泥固化土與鹽酸反應動力學參

13、數(shù) 可以近似取0.5， 近似取1.5，k值隨溫度和材料配比不同而變化。85 3.2 水化產物分解量與強度的關系為了在實驗室時間尺度內獲得污泥固化土受酸作用造成水化產物減少引起強度損失之間的關系，采取加大酸的濃度和抽真空飽和的措施縮短時間尺度，具體試驗方案如下：(1) 采用不同配比將污泥固化土養(yǎng)護至28 天齡期，采用1:10 固液比，浸取液為去離子水，測定其中可溶態(tài)Ca2+總量；90 (2) 將試樣置于不同濃度的鹽酸中抽真空飽和24 小時再靜置一定時間后進行無側限抗壓強度試驗；(3) 測定(2)步驟中溶解在鹽酸中的Ca2+總量；(4) 將破壞后的試樣按照1:10 的固液比，浸取液為去離子水，測定

14、其中可溶態(tài)Ca2+總量；(5) 將(3)和(4)中得到的Ca2+量相加再減去(1)中得到的Ca2+量即為在酸的作用下被分解95 的水化產物量。3.3 污泥固化土長期強度預測采用上述試驗方案獲得了不同配比的污泥固化土在酸的作用下水化產物分解量(即Ca2+損失量)和強度損失量之間的關系，如圖1、2 所示。從圖中可以看出，強度的損失率和水化產物分解率基本成較好的線性相關關系。100 采用公式(5)可以計算得到不同酸雨條件下以及不同作用時間污泥固化土水化產物分解率；通過圖1 和圖2 能夠得到水化產物分解率和強度損失率的關系。將這兩個步驟相結合可以對不同酸雨條件下不同配比的污泥固化土長期強度進行預測，本

15、文計算了pH=4 和pH=5兩種條件下不同配比污泥固化土從10 年100 年強度損失率，如表2 所示。 表2 不同酸雨條件下不同固化污泥強度損失率Tab.2 loss ration of solidification sludge strength under different acid rain condition時 間 pH=4 pH=5(年) 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:1 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:110 0.12 0.01 0.00 0.38 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.0020

16、0.25 0.01 0.00 0.76 0.01 0.01 0.00 0.00 0.02 0.0030 0.37 0.02 0.00 1.14 0.01 0.01 0.00 0.00 0.04 0.0040 0.49 0.03 0.00 1.52 0.01 0.02 0.00 0.00 0.05 0.0050 0.61 0.03 0.00 1.90 0.02 0.02 0.00 0.00 0.06 0.0060 0.74 0.04 0.00 2.28 0.02 0.02 0.00 0.00 0.07 0.0070 0.86 0.05 0.00 2.66 0.03 0.03 0.00 0.00

17、0.08 0.0080 0.98 0.05 0.00 3.03 0.03 0.03 0.00 0.00 0.10 0.0090 1.10 0.06 0.00 3.41 0.03 0.03 0.00 0.00 0.11 0.00100 1.23 0.07 0.00 3.79 0.04 0.04 0.00 0.00 0.12 0.00110 從表2 可以看出，酸雨的強度對污泥固化土的長期強度存在影響，例如5:0.5:2 的污泥固化土在pH=4 的酸雨作用100 年條件下其強度損失為1.23%，但是在pH=5 的酸雨作用同樣的時間其強度損失僅為0.04%。所以根據(jù)本地區(qū)酸雨的實際情況選擇最為經(jīng)濟的固

18、化材料和比例顯得較為重要。4 結論115 (1) 從研究的結果來看，正常的酸雨強度對污泥固化土的強度影響很小，基本可以忽略不計，因此在實際的工程設計當中可以不予考慮酸雨對污泥固化土強度的影響。(2) 本文的計算結果主要依據(jù)室內試驗的結果進行預測，而室內試驗采用諸如抽真空飽和等手段強化了酸對試樣的溶蝕能力，而實際條件下污泥固化土的滲透性非常低，如何將試驗室所得出的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場進行聯(lián)系有待于進一步的發(fā)掘。120 (3) 采用化學動力學方法研究環(huán)境敏感因素對巖土體長期材料性能的影響，為巖土體長期材料服役性能的研究提供了一條可行的技術途徑。參考文獻 (References)1 趙慶祥. 污泥資源化技術M

19、. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2002125 2 黃雅曦, 李 季, 李國學. 污泥處理與資源化利用現(xiàn)狀分析J. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 2003, 22(6): 765-763 蔣建國, 王 偉. 危險廢物固化/穩(wěn)定化技術的現(xiàn)狀與發(fā)展J. 環(huán)境科學進展, 1998, 6(1): 55-624 王詩元, 崔玉波, 王翠蘭. 污泥處理技術展望J. 吉林建筑工程學院學報, 2000, 1: 25-285 Hills, C.D., Barnard, L.H., Bone, B., Carey, P.J., Jones, H.M., Boardman, D.I., Tyrer, M. and MacLeod, C.L.The science of stabilization/solidification technolog