增压式真空加载固结技术在垃圾填埋场污泥减量固化工程中的应用研究

摘要：本文介绍了增压式真空固结技术处理高含水量淤泥的技术原理，以及其作为一种全新的污泥减量固化手段在处理垃圾填埋场污泥中的应用研究情况，并指出了其应用前景和存在的需要进一步解决的问题。本文的研究方法和结论对污泥处理行业人员具有一定的指导作用。

1.引言

目前国内各大中城市污水处理厂产生的大量剩余污泥（工艺尾泥）一般由当地垃圾填埋场负责接收。许多城市污水厂的污泥进场前都未经干化处理，其含水量很大且具有高流变性而无法碾压，难以实现与城市垃圾混合填筑。因此，垃圾填埋场多采用四周以垃圾填筑围堤后往中间倾倒污泥的集中填埋方式。久而久之，垃圾填埋场内形成的污泥库面积少则几万平方米，多则十几万平方米，占用了垃圾填埋场大量土地资源。

随着我国城市化进程的快速发展和民众环境保护意识的提高，垃圾处理场扩容新征地难度大幅增大，既有填埋场库容不足问题越来越突出，可供填埋污泥的场地已非常有限，有的填埋场已无地可填。如杭州天子岭垃圾填埋场从2006年6月起甚至因此拒绝接受四堡污水处理厂的污泥。

因此，找到一种经济可行的方法对既有污泥库的污泥进行脱水减容，实现减量化以提高垃圾填埋场土地利用率，成了当务之急。

2. 污泥特性

垃圾填埋场污泥库中的污泥一般是来自城市生活污水处理厂的剩余污泥（尾泥），其本质上是一种含有大量腐殖质和微生物的特殊淤泥。与常规淤泥相比，污泥具有如下特殊性质：

①高有机质含量：一般可达45%～50%；

②极高的含水量：一般可达400%～900%；

③极高的压缩性：污泥的初始孔隙比通常高达10.0以上，重度1.03～1.05。在较小的压力作用下，污泥的压缩量大，压缩模量很小；但随着荷载的增大，污泥的变形逐渐减小，压缩指数也随之减小，压缩模量则随之增大。压力增大到100～200kPa时，压缩模量一般在1～2MPa左右，压缩指数为2.0～3.0MPa-1。

④较低的渗透性：污泥初始渗透系数一般在0.3×10-7～4.0×10-7cm/s之间，渗透系数随着孔隙比的而减小而降低，且渗透系数的对数值与孔隙比基本上呈现线性关系；其固结系数常在10-5～10-6cm2/s左右，比常规淤泥低1～2个数量级，固结系数随压力的增加而显著减少。

⑤低抗剪强度：进场污泥初始状态呈流动状，粘聚力一般为0kPa，内摩擦角仅为3°左右。但随着固结程度提高，内摩擦角可上升至14°左右。

3.真空加载排水固结法

排水固结法是一种针对淤泥等饱和软弱粘性土地基的加固方法，在沿海和内陆软土地区中有着很广泛的应用。排水固结法处理软土地基的原理是先在饱和软土地基中设置砂井或塑料排水带等竖向排水体，然后在地基表面逐步加载，使土体中的孔隙水排出，土体随之逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高。真空加载排水固结法就是利用地基抽真空后产生的大气压力差实现对地表加载的一种排水固结法，其工作装置主要由排水系统和加压系统两部分组成。排水系统主要包括竖向排水体和水平排水体，竖向排水体常用塑料排水板、袋装砂井、透水软管等，水平排水体常用砂垫层（纯净中粗砂），设置排水系统主要为了改变地基原有的排水边界条件，传递真空压力，增加孔隙水的排出通道，缩短排水距离，以便在上部荷载作用下能以较快的时间使地基土的有效应力增加，迫使地基土产生固结。真空加载排水固结法加压系统主要依靠抽真空装置，超载部分由真空荷载来代替，真空荷载施加方便、迅速，几天之内就可达到80kPa 以上，不需要分级施加。只要塑料排水板有足够大的通水量，真空度就可以传递到土层深部而损失较小，使地基深层软土得到较好固结，从而在加固期间能得到较多的地基沉降。真空加载原理如下图（图1）所示。

真空加载固结法原理图（图1）

4.真空加载法固结污泥存在的技术难题及最新研究进展

4.1技术障碍

与普通淤泥一样，污泥同样能在在真空压载作用下排出水分逐渐固结，移除排出的水分后，剩下的污泥体积较原始体积大为减小，这就是真空压载法实现污泥减量化的技术原理。但是由于垃圾场污泥的特殊性，利用常规的真空预压法固结污泥效果并不理想，这主要是因为：

①污泥起始强度极低，机械作业条件困难：常规真空压载施工方法首先要在软基场地上铺设厚度1米以上的中粗砂等透水性材料作为排水通道，然后再施工竖向排水体（插板或打砂桩），最后铺设土工膜封闭后开始抽真空。但垃圾场污泥强度极低，呈流动状，根本不具备机械上场作业条件，使得工程难以实施。

②污泥渗透性低、脱水困难：污泥多数颗粒处于胶体状态，胶体颗粒很小，比表面积大，故表面张力作用吸附水分较多。表面吸附水的去除较难，特别是细小颗粒或生物处理后污泥，其表面活性及剩余力场强，粘附力更大，水分子迁移要克服的阻力很大。因此需要比常规预压固结更大的启动压力才能使水分排出。

③排水板容易淤堵：污泥中胶体颗粒很小，且不同来源的污泥粒径差异较大。排水板用土工织物作为滤层，孔径选择不当很容易淤堵。此外，污泥中存在活性细菌等微生物的生物化学作用，容易在排水板内形成絮状的胶团，从而逐步堵塞排水板内的排水通道影响排水效果。

④污泥固结后沉降变形极大，纵向排水体易因过大变形产生裂缝或折断而失效。

4.2最新研究进展

4.2.1新型真空加载排水固结法：目前国内已有科研和施工单位针对流动状淤泥的特殊性质对常规的真空加载排水固结施工方法进行研究改良，如金亚伟等人近几年研究出了并于2011年获得专利的增压式真空预压（OVPS系统）固结工法，该工法已在含水量很高的天津临港工业区吹填淤泥软基真空预压加固等工程实践中取得了明显的效果。增压式真空预压（OVPS系统）主要技术措施有：

①分级分层固结技术：针对流动状淤泥起始强度极低，机械作业条件困难的问题，将淤泥固化脱水过程分为两个阶段，第一阶段处理深度3m内的浅层污泥，完全采用手持轻便工具作业以避免机械下陷问题。具体做法为取消中粗砂粉砂垫层，人工打设3m长特制排水板，并采用专门的手接头直接连接每根排水板与真空管，然后地表直接铺设土工网和土工膜抽真空。该法缩短了真空传递路径，减少真空度的沿程损失，加快了淤泥固结过程，可以在较短的时间内在原来极稀软的淤泥表层形成一层厚度3～4m的硬壳，从而为第二阶段作业机械进场创造了作业条件。第二阶段的排水固结施工与常规方法相同，插板深度可达20m以上，目标是处理深部淤泥，使其排水固结以缩减体积。

②超压固结技术

在土体均匀设置增压管，增压管内可输入压强为3～4个大气压力的空气，增大了土体内的压力梯度差，从而使增压管有效影响范围内地基土极大地加快了固结速度。

③防淤堵塑料排水板

淤泥具有含水量大、高压缩性、颗粒较小等特点，真空预压过程中塑性排水板容易出现排水通道堵塞的情况。增压式真空预压（OVPS系统）的排水板是由滤膜和芯板通过特殊工艺熔合成一体，使其具有整体性好、抗拉强度大、通水量大的特点。该塑料排水板的滤膜采用双层组合式，可通过调整内外层相对位置改变设计孔径的大小，以保证应用在不同粒径的淤泥时滤膜孔径能满足渗透准则和梯度比准则，达到最好的排水及防淤堵效果。

④耐变形高强真空管

含水量很高的厚层流动性淤泥经真空预压处理后，地基沉降变形较大。为了防止土体变形过程对抽真空管的破坏，浅层抽真空管选用高强PVC螺旋型弹性钢丝管。抽真空主管直径为Φ50mm，支管直径为Φ25mm，管材的强度能承受400kPa以上的压力。

其原理图如下（图2）：

增压式真空预压（OVPS系统）固结法原理图（图2）

4.2.2新法在污泥中的应用性试验情况：天津临港工业区吹填土的高含水量性质（参见下图2）与垃圾场污泥很相似，该工程中增压式真空预压（OVPS系统）固结工艺的成功实施，为垃圾场污泥库中的污泥原位脱水减量提供了新的途径。但由于垃圾场污泥库中污泥物质来源和成因不同，其物理力学性质亦存在差异。为了探索增压真空预压工艺对垃圾场污泥的实用性，国内某垃圾填埋场取其污泥库内的污泥进行了现场试验，下面介绍其试验过程和试验结果。

4.2.2.1试验概况

试验池长×宽×高为6m×4m×3.5m，污泥试样取自大污泥池，总容积约79 m3，平均含水量（水重/干土重）900%，有机质含量为46%。

4.2.2.2试验过程

试验完成了采集试验样本、人工插板、真空系统建立和抽真空等工作，中间还进行了沉降观测，实验前后进行了含水量测试。试验从插设排水板开始，至结束抽真空去除试验池密封膜为止，历时两个半月。

4.2.2.3实验结果

污泥液面变化情况：从2012年10月26日抽真空至2013年1月12日平均沉降为187cm，沉降最大处沉降值为196cm。试验前后污泥面变化情况分别见图3和图4。

污泥含水率变化情况：试验污泥的初始含水量为900%，试验结束时在池中设5个含水率检测取样点，每个取样点按深度20cm、50cm、120cm各取3个样品，总共15个样品。测试后发现含水量最高为361%，最低为73%，平均含水量为184%。且上部含水量小，底部含水量大，说明加固效果随深度增加而衰减。

污泥强度变化情况：试验污泥的初始呈流动状态，不具备可测量的强度。试验结束后取样测试其强度最低值不小于10kPa。

试验开始时液面高度300cm（图3）

试验结束时污泥液面高度降落197cm（图4）

4.2.2.4效果评价

增压式真空预压工艺污泥处理试验使污泥成功缩减了超过50%的体积，并将表层3m深度范围内的污泥强度cu值提高到10kPa以上，说明该方法可以实现污泥减量的目的，并且处理后的污泥具有一定强度化可满足一般堆载需要。

5. 结束语

5.1增压式真空预压工艺用于填埋场污泥的脱水处理，可将污泥在原位进行压缩体积，相当于新增加了可供填埋的空间，开创了一种全新的污泥减量处置方法。

5.2增压式真空预压工艺针对高流动性污泥采用特殊技术措施，能够使流动状态的污泥表面固化成含水率仅为75%左右且具有一定强度的硬壳层，突破性地解决了原位处理污泥缺乏稳固的施工作业平台难题，从而使进一步的原位工程处理施工成为了可能。因此其可以作为其它原位工程处理措施的预固化处理手段。

5.3增压式真空预压处理专用设备已经初步形成了系列产品，设备的核心技术问题已经解决。从试验性施工效果来看，较其它污泥减量化/固化处置方法具有节约材料用量、处理效率高、减量效果好等诸多优势，可以预见其将来会拥有广阔的应用前景。

5.4增压式真空预压法处理垃圾填埋场污泥目前尚处于起步阶段，存在污泥生物作用旺盛引发排水通道淤堵、深部处理效果偏差等问题还需进一步研究解决。

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