1、第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2023-01-15基金项目：国家自然科学基金（U2243244）；水利部重大科技专项（SKR-2022072）；浙江省水利防灾减灾重点实验室开放基金（FZJZSYS21002）作者简介：骆汉轩（2000-），男，硕士研究生，主要从事岩土渗流与环境土工方面的研究文章编号：1004-3918（2023）04-0495-08垃圾焚烧飞灰固化市政污泥的渗透性研究骆汉轩1，2，许红星1，2，徐浩青3，陈亮1，4（1.河海大学 岩土力学与堤防工程教育部重点试验室，南京210098；2.河
2、海大学 岩土工程科学研究所，南京210098；3.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江212100；4.西藏农牧学院 西藏土木水利电力工程技术研究中心，西藏 林芝860000）摘要：为了响应“双碳”政策，利用垃圾焚烧飞灰替代部分水泥固化市政污泥，采用电子固结仪改造的变水头渗透试验装置，分析不同飞灰替代率的固化污泥，在不同养护条件下的渗透性变化规律.研究结果表明：经过稳定化的垃圾焚烧飞灰，其颗粒形态以及表面微观孔隙为提高污泥的渗透性提供可能性；固化体的渗透系数维持在10-610-7cm/s的数量级范围内，且随着垃圾焚烧飞灰替代率的增加不断提高；由于飞灰遇水产生气体且可溶性盐易析出，固化体
3、的渗透性在水下条件中受飞灰的影响较大.关键词：垃圾焚烧飞灰；市政污泥；固化；渗透性中图分类号：X 703文献标识码：APermeability of Municipal Sludge Solidified by Waste Incineration Fly AshLUO Hanxuan1，2，XU Hongxing1，2，XU Haoqing3，CHEN Liang1，4（1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Geotechnical
4、 Research Institute，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.College of Civil Engineering and Architecture，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212100，China；4.Tibet Civil Engineering，Water Conservancy and Electric PowerEngineering and Technology Research Center，Tibet Agricultural an
5、d Animal Husbandry University，Tibet Linzhi 860000，China）Abstract：In response to the strategy of“Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals”，the waste incineration flyash was used to solidify municipal sludge for replacing part of the cement.A variable head penetration testdevice modified by an elect
6、ronic consolidation instrument was used to analyze the permeability variation of thesolidified sludge with different fly ash replacement rates.The research results show that the particle morphology andsurface microscopic pores of the stabilized waste incineration fly ash provide the possibility to i
7、mprove thepermeability of sludge.The permeability coefficient of the solidified body is maintained at the order of magnitude of 10-6to 10-7cm/s and keep improving with the increase of the replacement rate of waste incineration fly ash.Because thefly ash would generate gas in water and the soluble sa
8、lts are easily precipitated，the permeability of the solidifiedbody is greatly affected by fly ash in underwater conditions.Key words：waste incineration fly ash；municipal sludge；solidify；permeability市政污泥是在处理污水时产生的一种副产物，是污水中沉淀下来的悬浮物质1，其富含有机质，成分与性质十分复杂，属于半固体废弃物，渗透性较差.据住房和城乡建设部统计2，2020年全国干污泥产量超过1000万t，按
9、照污泥中有机质与水的含量为400%估算，2022年我国市政污泥的产出预计超过5000万t.我国对于市政污泥常规的处理手段有建材利用、焚烧、土地利用、填埋及废弃等，目前仅仅20%左右的市政污泥得第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月到安全合理的处置，绝大部分的污泥被弃置填埋3.为节约时间以及运输成本，市政污泥多数是通过大型运输工具运到指定低洼场地后直接倾倒，占用空间大，对雨水入渗、环境保护存在极大的威胁.为改善市政污泥的性质，且达到大批量处理的目的，固化污泥成为研究需要解决的主要问题.Lu等4通过发现新型催化剂铝酸盐12CaO7Al2O3，提高固化剂的水泥基性能，有效解决了市政污泥有机质含
10、量高的问题.陈萍等5以生活垃圾焚烧底灰为骨料，水泥、生石灰、石膏作为固化剂，通过抗压强度、耐水性以及浸出特性试验分析对污泥的固化效果.垃圾焚烧飞灰是生活垃圾在焚烧过程中产生的悬浮细粒，主要组成为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，与水泥的成分相似，具有火山灰性6.不少学者针对这一特点对垃圾焚烧飞灰进行资源化.欧洲一些国家利用飞灰-水泥窑协同处理技术，将水泥、焚烧飞灰、炉渣混合处理后，用来制作建筑材料；不少日本的厂家利用熔融固化技术，将飞灰用于水泥、玻璃的生产7.我国不少学者研究垃圾焚烧飞灰作为水泥熟料的固化效果8-9，但主要集中在其对固化体强度的影响，对渗透性的影响研究较少.固化污泥的
11、渗透性是其能否资源化利用的关键评价因素之一.Qian和Koerner10对15个填埋场进行稳定性分析，发现其中8个是由渗沥液水位升高导致的填埋场失稳.因此，固化污泥作为材料进入填埋场，对其渗透性要求极高.Fan等11将固化污泥用作填埋场覆土材料，根据年降水量，给出了不同区域的渗透系数要求，其中干旱地区应不低于10-6cm/s，湿润地区不低于10-5cm/s.胡学涛12研究了固化污泥在冻融循环条件与干湿循环条件下的渗透系数，随着冻融和干湿循环次数的增加，渗透性提升并逐步稳定.王超峰13对化学腐蚀条件下的固化污泥的渗透系数进行测定，随着浸泡时间的增长，渗透系数呈下降趋势.针对上述分析，本文利用垃圾
12、焚烧飞灰替代部分水泥固化市政污泥.采用变水头渗透实验，分析不同飞灰替代率的固化污泥在标准条件、加压条件以及水下条件养护7 d和28 d的渗透系数变化规律，为分析垃圾焚烧飞灰对固化体渗透性的影响提供数据支持.1试验介绍1.1试验材料市政污泥取自某城市污水处理厂.未经搅拌前，污泥接触空气的表面呈现棕黄色，表观干硬，无气味散出；搅拌后呈现黑色，表观黏稠，有臭味.市政污泥的基本参数指标见表1.表1市政污泥的基本性质Tab.1Basic properties of sewage sludge土粒比重Gs2.2重度/（kNm-3）10.5塑限wP/%56液限wL/%120含水率w/%365有机质质量分数/
13、%32.32垃圾焚烧飞灰取自某城市灰渣填埋场，该填埋场的飞灰来源于该城市生活垃圾焚烧发电厂.垃圾焚烧飞灰经过固化和稳定化后多呈块状，利用高速粉碎机，每次工作10 s，共工作3次，将块状飞灰粉碎为粉末状，如图1所示.（a）块状（b）粉末状图1垃圾焚烧飞灰Fig.1Waste incineration fly ash-496引用格式：骆汉轩，许红星，徐浩青，等.垃圾焚烧飞灰固化市政污泥的渗透性研究 J.河南科学，2023，41（4）：495-502.垃圾焚烧飞灰比重为2.54，堆积密度1.011.03 g/cm3，气干含水率为26.34%，饱和含水率为50.51%，主要粒径范围为02.25 mm.
14、其主要化学元素包含Ca、Si、Al、Mg、Fe、K、Na等，主要以氧化物的形式存在，具体含量见表2.表2垃圾焚烧飞灰中氧化物含量Tab.2Oxide compositions in MSWI fly ashCaO21.3SiO215.6Al2O310.2Na2O6.6SO33.5K2O4.1MgO2.4Fe2O31.0P2O52.1水泥采用国标普通硅酸盐P.O42.5水泥，其氧化物含量见表3.表3水泥中氧化物含量Tab.3Oxide compositions in P.O42.5CaO62.43SiO220.01Fe2O34.12Al2O34.65MgO1.33SO32.87Na2Oeq1.4
15、7其他3.121.2试样设计与制样通过文献 14-15 与前期的预实验结果，发现当固化剂掺量低于50%时，对于实验所用市政污泥的固化效果不明显，因此固定每组试样中垃圾焚烧飞灰与水泥的总质量为市政污泥湿基质量的50%.每组实验制作6个不同配比的试样，试样编号与配比以及飞灰替代水泥的替代率的对应关系见表4.表4试样编号与配比Tab.4The notations and the proportions of test samples编号w（水泥）w（飞灰）飞灰替代率/%C10F010 00C8F28 220C6F46 440C4F64 660C2F82 880C0F100 10100将市政污泥与垃圾
16、焚烧飞灰和水泥按照上述的比例进行混合，使用小型搅拌器搅拌10 min以上至确保均匀，将充分搅拌后的土样分层装入内径为6.18 cm、高为2 cm的钢制环刀中，可以用手将土样按实，并上下振动，避免气泡、孔隙的产生，最后用钢尺刮平毛边.成型脱模后分别放在标准条件、加压条件以及水下条件养护，具体的养护要求列于表5.制样过程如图2所示.表5三种养护条件的试验要求Tab.5Test requirements for three curing conditions养护条件标准养护加压养护水下养护养护要求养护箱中，湿度为95%，温度为（202）试样承受竖向荷载12.5 kPa将试样没于水面下养护龄期/d728728728试验组数666666单位：%单位：%图2渗透实验的制样过程Fig.2The preparation process of the penetration experiment-497第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月1.3试验方案根据试行标准 生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范（试行）16规定，垃圾焚烧飞灰未经任何处理不得直接资源化利用.飞灰中含有高浸出浓度的二噁英、可溶性盐
