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垃圾填埋场污泥坑原位修复工程实践

北极星环境修复网  来源:《环境工程学报》  作者:罗小勇 等  2019/10/25 16:15:33  我要投稿  

北极星环境修复网讯:摘 要:垃圾填埋场内污泥坑的存在严重影响填埋场竖向扩建和填埋堆高。对某垃圾填埋场内污泥坑进行现场勘察取样、原位测试与室内实验,获得污泥的分层及沿深度变化的物理、力学特性,并针对不同分层的污泥,提出表层垃圾清除、污水抽排、泥水混合污泥土工管袋脱水、流塑、软塑污泥原位固化综合处理方法。对污泥坑抽排污水过程中垃圾堆体边坡进行渗流稳定分析,发现渗滤液水位快速下降将导致污泥坑垃圾边坡滑移失稳,在污泥坑治理过程中应采取相应措施。根据污泥坑上覆 80~120 m 垃圾堆体沿原位固化污泥滑移稳定分析,获得污泥坑原位固化处理强度指标, 不排水抗剪强度 Cu 为 40 kPa。

关键词 垃圾填埋场;污泥坑;土工管袋脱水;原位固化;边坡稳定

2017 年,我国污水处理厂市政污泥产生量约为 3 000 万 t[1],污泥填埋具有投资少、处置量大、 运行费用低等特点,一直是我国污泥处置的最主要方式,目前占 60%[2],且大部分污泥实际未进行规范化的填埋处置。我国目前大多数填埋场内填埋污泥并无详细规范可依,填埋方式简单粗放。即污泥经过简单灭菌、脱水处理后,直接倾倒于生活垃圾填埋场中的低地或谷底,形成污泥坑或污泥库。垃圾填埋场污泥坑的存在使得填埋场运行过程中容易引发如下问题[3]:

1)污泥填埋的单位面积土地容量低,严重影响填埋场的库容和使用年限,造成土地资源的严重浪费;

2)污泥含水量极高, 并含有高浓度的 BOD5、COD、NH3-N、H2S、重金属等有毒有害物质,增加了垃圾渗滤液的处理量及 处理难度;

3)污泥强度极低,污泥的流变性使得填埋体极易变形和滑坡,严重影响垃圾堆体的稳定 性[4];

4)污泥坑造成垃圾填埋场排气排水不畅,极易堵塞垃圾填埋的气体、渗滤液收集导排系统;

5)污泥坑成为人为的“沼泽地”,周边生态环境恶劣,直接威胁环境安全和公众健康,留下严重的安全隐患。

与此同时,我国垃圾产量也以 8%~10% 的速度增加,新建填埋场选址的困难,造成填埋场库容日 趋紧张,许多城市面临垃圾无处可填,垃圾围城的风险。垃圾填埋场污泥坑场地修复和填埋库容的恢复是我国目前许多城市垃圾填埋场亟需解决的难题。污泥坑场地修复包括原位固化、异位固化、 土工管袋脱水、围封覆盖等技术。关于处置场污泥库中降解污泥的工程特性、原位加固处置及污泥 坑场地修复的研究却很少。朱伟等[5-7] 通过现场及室内实验研究污泥的原位固化材料的配比及固化后工程特性。罗小勇[8]、冯源等[9] 通过对垃圾填埋场内污泥坑进行现场勘察取样,原位测试与室内实验研究,获得填埋库内污泥的物理、力学工程特性,并提出污泥坑原位加固处理方法。上述研究 虽然取得了创新性的成果,但实际工程应用却仍然处于空白。 本研究针对某垃圾填埋场污泥坑治理及库容恢复项目进行工程案例研究分析与总结,为今后类 似垃圾填埋场污泥坑治理修复项目提供工程经验和技术参考。

1 工程概况及场地条件

1.1 工程概况

国内某垃圾填埋场一期工程于 1993 年建成并投入运行,属于典型的山谷型填埋场,设计库容为 470 万 m3,设计使用年限为 15 年。2007 年,填埋场进行水平拓展区和竖向堆高扩建,扩建工程库容 约为 800 万 m3,设计使用年限为 16 年,最终封场标高为 120 m。随着扩建工程投入运营,填埋库区西南侧由于填埋市政污泥在现状垃圾堆体内形成污泥坑,污泥坑占地面积 2.1 万 m2,如图 1 所示。污泥坑内污泥呈流塑状,强度极低,渗滤液水位高,对下游现状垃圾堆体边坡稳定性产生不利影响。 污泥坑所在位置为垃圾填埋场竖向堆高库区的一部分,污泥坑的存在导致库区西南侧竖向堆高扩建工程无法实施,如图 2 所示。随着生活垃圾填埋量的增加,2017 年底,扩建工程东南侧库容即将告 罄,亟需对西南侧污泥坑进行修复治理,恢复库容,为后续竖向堆高扩建工程的实施创造条件。


1.2 污泥坑场地条件

污泥坑占地面积约为 2.1 万 m2,平均深度约为 20 m,污泥污水总量约为 40.3 万 m3,污泥坑表面漂浮大量的垃圾,杂草、树木丛生,如图 3 所示。

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利用岩土工程勘察方法[10],对污泥坑进行不同位置不同深度现场勘察取样,进行室内土工实验分析,获得污泥的工程特性指标及变化特征。污泥 坑从上至下依次可划分为垃圾土层、污水层、泥水混合层、流塑污泥层和软塑污泥层,如图 2 所示。各层性状如下。

1)污泥坑上覆垃圾土厚度为 0~2 m,平均厚度 1 m;污水层基本没有强度,厚度为 2~5 m;流塑污泥层厚度为 6~10 m;软塑污泥土层厚度为 1~2 m。

2)污泥的初始含水率为 83%~97%,平均值为 86%;在埋深 4~15 m 内,含水率在 90% 以上;在埋深 15 m 以下,含水率随深度减小,为 83%~90%。

3)污泥的密度为 1.0~1.08 g·cm-3,平均值为 1.02 g·cm-3;土粒比重为 1.73~1.99,平均值为 1.79; 有机质含量为 37.59%~40.02%,平均值为 38.96%。

4)污泥的初始孔隙比为 8~14;在 3.13、12.5、 25 kPa 等较小压力作用下,污泥的压缩量大,压缩模量很小;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,在 100~200 kPa 压力作用下,压缩模量为 1.4~2.6 MPa,压缩指数为 2.2~3.3。

5)污泥初始渗透系数为 3.8×10-8~2.96×10-7cm·s -1,平均值为 1.52×10-7cm·s -1。

6)在 12.5~100 kPa 压力作用下,污泥的固结系数为 6×10-6~9×10-5 cm2·s -1,100 kPa 压力作用时 固结系数为 4×10-5~5×10-5 cm2·s -1。

7)污泥的黏聚力为 0 kPa,内摩擦角为 13.8◦~15.0◦,平均值为 14.4◦。

2 污泥坑原位修复处理方案

由 1.2 节可知,污泥坑分层较明显,从上至下依次为表层垃圾、污水层、泥水混合层、流塑污泥土层和软塑污泥土层。污泥坑各层性质差异较大,应分别进行针对性处理。污泥坑原位修复处理方案为:清除表层垃圾 → 导排污水层上清液(含水率 ≥95%)→ 泥水混合层土工管袋脱水(90%≤ 含 水率 <95%)→ 流塑、软塑污泥原位固化(含水率 ≤90%)。

2.1 表层垃圾清除

表层垃圾总体积约 86 100 m3,如不进行清理,污水层上清液的导排、流塑污泥的固液分离均无 法作业,同时会影响软塑污泥的原位固化施工和固化效果。表层垃圾的清理考虑采用岸边式挖掘机 及浮船式挖掘机协同作业,清理出来的垃圾就近运至填埋场进行卫生填埋处置。

2.2 污水层抽排与处理

污泥坑内污水层体积约 218 000 m3,含水率 ≥95%,泵送性能较好,本工程考虑将污水层直接 用潜污泵抽排后进行污水处理。对污泥坑不同深度的污水取样,进行水质化验,常规指标检测结果 如表 1 所示。

由表 1 可知,污泥坑内污水含固率随深度的增加而上升,污水 COD、BOD5 污染物浓度随含固率的 升高而升高,5 m 深度位置含固率明显增大,为污水层与泥水混合层分界面,污水 B/C 比为 0.37~0.54, 可生化性较好。对于含固率小于 0.167% 的污水,COD、BOD5、SS 浓度满足《污水排入城镇下水道水 质标准》(CJ 343-2010)的要求(对应标准分别为 500、300、400 mg·L -1)。对于含固率大于 0.347% 的v> 污水,SS、COD、BOD5 浓度均超出 CJ 343-2010 的排放要求。对于含固率为 4.171% 的污水,SS、COD、 BOD5、NH3-N、TN、TP 分别为 39 000、31 200、17 000、655、3 020、1 350 mg·L -1,各项污染物指标严重超出 CJ 343-2010 的排放要求,接近垃圾渗滤液水质指标。含固率与各污染物浓度的关系表明: 控制外排污水中的含固率可以有效控制 COD、BOD5、SS 的排放浓度,使之满足 CJ 343-2010 的排放要求。因此,污水层抽排通过控制抽排深度、并经固液分离设施控制含固率后,可有序排入城市污水处理厂统一处理。

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2.3 泥水混合层土工管袋脱水

泥水混合层污泥呈流态,含水率为 90%~95%,泵送性能较好。泥水混合层污泥通过管道泵送至 土工管袋进行固液分离处理[11]。由于污泥中水分包含胞内水、表面水、毛细水、自有水[12],胞内水占比大,分子结合能大,不容易分离,直接采用土工管袋脱水,效果不明显,需加入一定量的化学 调理剂,改善污泥脱水性能[13]。通过污泥真空抽滤中试实验,污泥原泥抽滤量很小,每 1 m3 污泥加入 1 200 g 浓度为 1.7% 的 PAC(聚合氯化铝)后,抽滤量增大 5 倍左右;联合加入 200 g 浓度为 0.05% PAM(聚丙烯酰胺)后,污泥脱水效果更加明显, 如图 4 所示。因此,本工程在污泥充填土工管袋的过程中加入 PAC、PAM(聚丙烯酰胺)调理剂,经絮凝剂的作用,污泥中的水经过土工管袋渗出,并且通过场地周边设置的污水收集导排设施至污水收集池,污水最终送至污水处理厂进行处理。本工程土工管袋脱水处理规模为 500 m3·d -1,经土工管袋脱水后的污泥含水率由 90% 降低为 80%,脱水后污泥掺入 10% 的水泥异位固化后十字板强度达到 25 kPa,最终进入填埋库区与生活垃圾混合填埋。

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2.4 流塑、软塑污泥层原位固化

污泥坑表层垃圾、污水层、泥水混合层处理后,底部为流塑及软塑污泥,其厚度分别约为 3.8 m 和 1.4 m,含水率在 80%~60% 左右,不排水抗剪强度 Cu 为 25 kPa,承载力低,不能满足上覆竖向堆 高垃圾荷载的要求。为了提高污泥的强度,对底部污泥进行固化处理。污泥固化分为原位固化和异 位固化。污泥异位固化的工艺流程为:含水率 80% 的污泥 → 运至固化处理车间堆放 → 固化处理 → 运至填埋场进行填埋。异位固化技术成熟,效果较好,需要较大固化场地,污泥开挖运输过程中容 易引起二次污染。本工程污泥坑内底层污泥含水率高、不便开挖运输,垃圾填埋场内不存在固化场地,只能进行原位固化。污泥中的水分多为分子内部胞内水,石灰、水泥、粉煤灰、有机聚合物等常规固化剂对污泥的固化效果较差。本项目通过现场中试实验,在常规固化剂的基础上加入化学调理剂,改善污泥的脱水性能,获得污泥的固化剂重量配比[14]:硅酸 33.2% 盐水泥,15.4% 粉煤灰,23.7% 生石灰,18.1% 硫酸亚铁,7.2% 硫酸铝,2.4% 氯化钙。本工程污泥原位固化采用原位混合搅拌机械, 该装置主要为螺旋状的搅拌头,其内部为中空设计,固化材料的输送依靠空压机将固化材料从中空的搅拌头中喷出,喷出的过程中搅拌头旋转,将固化材料与污泥混合均匀。污泥固化最大施工深度为 10 m,每 1 m3 污泥固化剂的添加量为 20%~25%,固化后污泥的含水率为 60%,十字板剪切强度为 40~50 kPa。

3 污泥坑修复过程垃圾边坡稳定分析

污泥坑治理过程中需清除表层垃圾及抽排污水层。根据工程地质剖面图 2 可知,污泥坑北侧为垃圾堆体边坡,边坡坡度为(1:0.75)~(1:1)。在清除污泥坑表层垃圾及抽排污水层过程中,由于污泥坑内水位快速降落,而北侧垃圾堆体边坡内渗沥液水位还处于高位,两者之间由于水位差, 地形高差,势必产生渗流及渗透力,容易引发边坡滑移失稳。为了评估表层垃圾清除及污水抽排过 程中现状垃圾堆体边坡稳定,需对该工况进行渗流稳定分析,并根据稳定分析结果,提出相应的过 程措施。

3.1 渗流稳定分析模型

利用 GEO-Studio 软件 Seep/w、Slope/w 模块建立污泥坑清除表层垃圾及污水抽排后现状垃圾堆体 边坡模型,如图 5 所示。各土层渗透系数及强度参数如表 2 所示。垃圾堆体中渗沥液水位为-3.0 m。 污泥坑内水位为流塑污泥表层深度。

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根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176-2012)[15],污泥坑北侧边坡高程约为 15 m,其工程安全等级为 3 级。本次计算主要考虑施工过程中垃圾堆体边坡稳定安全系数,不考虑遭遇 强降雨或遭遇地震工况下的稳定安全系数,因此,垃圾堆体边坡抗滑稳定最小安全系数为 Fs≥1.25。

3.2 渗流稳定分析计算结果

由 GEO-Studio 软件 SEEP/W 模块计算,得到清除表层垃圾及抽排污水层后,北侧垃圾堆体边坡渗流场及渗流量,如图 6 所示。通过单位截面的渗流量为 1.92×10-5 m3·s -1,污泥坑北侧垃圾堆体长 度为 280 m,由此可得施工期间每天渗入污泥坑的最大污水量为 460 m3·d -1,并获得稳定渗流下的浸 润线。在稳定渗流计算的基础上(考虑渗流作用),利用 SLOPE/W 模块,采用 Morgenstern-Price 法, 滑移面自动收缩对垃圾堆体边坡进行稳定计算,结果如图 7 所示,安全系数仅为 0.544,远小于规 范要求的 1.25,说明在清除表层垃圾及抽排污泥坑内污水层过程中,北侧垃圾堆体边坡存在滑移失 稳,施工过程中存在安全隐患。针对污泥坑污水抽排过程中存在边坡滑移失稳的风险,本工程在施 工过程中采取如下工程措施:1)沿污泥坑北侧边线距离隔堤 10 m 位置处打设大口径渗沥液抽排竖井,渗沥液抽排竖井间距约 40 m,打设深度约为 20 m。渗沥液水位需降低至与污泥坑流塑层顶面齐 平,即约 74 m 标高;2)污泥坑修复治理完成后,尽快在污泥坑北侧垃圾堆体坡脚位置进行垃圾填埋,利用垃圾填埋荷载作为坡脚反压;3)在污泥坑北侧隔堤设置水平位移、深层测斜、沉降等变形监测点;4)施工过程中严禁在北侧垃圾堆体边坡顶部 40 m 范围进行堆载。

对污泥坑北侧垃圾堆体采用渗滤液抽排竖井降水过程进行渗流稳定分析,获得渗流浸润线,如 图 8 所示。在此基础上计算垃圾堆体边坡稳定安全系数,如图 9 所示,安全系数 Fs 为 1.14,大于 1.0, 满足施工过程中短时工况下安全稳定;但 Fs 小于 1.25,垃圾堆体边坡长期稳定安全系数不满足规 范要求,可以通过污泥坑修复完成后利用填埋垃圾荷载作为垃圾堆体边坡坡脚反压增强措施。

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4 污泥坑原位固化处理强度要求

由污泥坑原位修复治理修复总体工艺可知,采用原位固化技术对坑底流塑、软塑污泥处理后的污泥层直接作为填埋场库区底部基层。目前国内外污泥坑原位固化技术的成功工程经验较少,处理 之后污泥所能达到的不排水抗剪强度是不确定的,污泥原位固化处理后的强度与固化工艺、固化剂 的种类、配比、添加量等因素相关。为了满足污泥坑上覆 40 m 厚垃圾堆体竖向堆高稳定性的要求, 需提出污泥原位固化处理所需达到的最小强度,以便确定固化剂的添加量。

污泥坑上覆垃圾堆体沿污泥库发生滑移存在 2 种情况:1)沿污泥坑原位固化污泥内部滑移;2) 沿污泥坑底防渗衬垫系统的滑移。污泥原位固化处理强度要求由沿污泥坑固化污泥内部滑移稳定 安全系数决定。由于原位固化搅拌机械臂长有限,表层固化强度较高,深度固化强度相对较低,污泥原位固化形成硬壳层。为了简化计算及固化效果检测方便,本工程假定的固化污泥强度随深度的 增加不变,固化强度处理要求取平均值。

4.1 计算模型及参数

根据污泥坑上覆垃圾堆体竖向堆高 1-1 剖面(如图 2 所示),利用 GEO-Studio 软件 SLOPE/W 模 块建立污泥坑垃圾堆体整体滑移稳定分析模型,如图 10 所示。根据《生活垃圾卫生填埋场岩土工 程技术规范》(CJJ 176-2012)规范[15],垃圾堆体中渗滤液水位一般控制在堆体边坡高度的 0.5 倍,垃 圾抗剪强度参数根据表 2 选取,新垃圾堆体对应 R1,老垃圾堆体对应 R2。污泥坑上覆垃圾堆体竖 向堆高至 120 m 后,垃圾边坡高度大于 60 m,其安全等级为一级,边坡抗滑移稳定最小安全系数为 1.35。对污泥坑原位固化强度要求取不同值进行试算,直至稳定安全系数大于 1.35。

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4.2 计算结果

根据污泥坑上覆垃圾堆体边坡抗滑移稳定分析结果可知,当流塑污泥不固化时,上覆垃圾堆体边坡稳定安全系数仅为 0.69,垃圾堆体发生沿污泥坑内部的整体滑移失稳,如图 11 所示。

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污泥坑处理达到不同的不排水抗剪强度下所 对应垃圾堆体沿污泥坑滑移的稳定安全系数见图 12 。根据计算结果可知,垃圾堆体沿污泥坑滑移 的稳定安全系数随着污泥不排水抗剪强度的增加 而线性增加。当污泥固化后不排水抗剪强度达到 40 kPa 时,其稳定安全系数为 1.35,满足规范最小 安全系数要求,见图 13。污泥原位固化处理强度 要求为不排水抗剪强度 Cu 至少达到 40 kPa。

图12.jpg

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5 结论

1)垃圾填埋内污泥简易填埋形成的污泥坑导致污泥坑范围库区竖向堆高扩建工程无法实施,严重影响垃圾堆体边坡的稳定性及填埋场使用年限。

2)污泥坑经现场勘察取样与室内土工实验分析从上至下可划分为:垃圾土层、污水层、泥水混 合层、流塑污泥层和软塑污泥层,各层土工特性差异大。

3)污泥坑原位修复处理方案为:清除表层垃圾 → 导排污水层上清液 → 污水污泥混合物土工管袋脱水 → 流塑、软塑污泥原位固化。泥水混合层污泥在土工管袋脱水过程中加入 PAC、PAM 絮凝剂, 污泥脱水效果明显,含水率由 90% 降低为 80%。污泥原位固化采用原位混合搅拌机械,每 1 m3 污泥 固化剂的添加量为 20%~25%,固化后污泥的含水率降低为 60%,十字板抗剪强度提高至 40~50 kPa。

4)污泥坑在清除表层垃圾及抽排污水层过程中,垃圾堆体边坡存在滑移失稳风险,施工过程中应采取降低渗滤液水位、坡脚反压等安全措施。

5)污泥原位固化处理强度要求:不排水抗剪强度 Cu 至少达到 40 kPa。

原标题:垃圾填埋场污泥坑原位修复工程实践

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