消化污泥作为垃圾填埋场覆盖材料
随着城市生活污水处理技术的日趋成熟，我国年产干污泥量约为500万t，且呈不断上升趋势。污泥的处理和处置刻不容缓，如处理不当，会造成二次污染。为解决这一问题，实现污泥“减量化、无害化、稳定化、资源化”的目标，研究者提出将污泥作为垃圾填埋场覆盖物的设想，并对其进行综合利用。其中，MALMSTEAD等利用小型试验填埋场研究一种高有机质土——造纸厂污泥作覆盖材料的可行性，但该试验只是在小范围进行，对环境影响因素分析较少；KIM等利用转炉炉渣对城市污泥进行改性，研究了污泥作为垃圾填埋场覆盖材料的可能性；杨石飞等用自来水厂脱水污泥与石灰混合进行试验，结果表明污泥经过改性后有望达到作垃圾填埋场覆盖材料的各项指标。借鉴国内外成功的经验，研究了城市污水处理厂改性污泥作为填埋场覆盖物的技术可行性和具体的污泥改性方法。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
消化污泥取自重庆市唐家桥污水处理厂；石灰为化学纯；炉渣取自重庆市同兴垃圾焚烧厂，其含水率约为15%。
1.2 实验方法
模拟降雨实验中渗透系数的测定方法：取样品5kg放入样桶(截面积855cm2，高度60 cm，桶底透水)中，压实密度为1 kg/L，即压实到距桶底5.8cm的高度，简易模拟降雨装置，降雨强度控制在80mm/h(参照重庆市气象局提供的重庆市历史上的降雨强度)，降雨量取 5 L，降雨历时为44 min，然后通过式(1)计算渗透系数。
渗透系数( cm/s) =总渗透量(mL)/（桶截面积×渗透时间(s)） (1)
其他指标的测定仪器或方法见表1。
表1 各指标的测定仪器或方法
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1.3 参照标准
根据生活垃圾填埋污染控制标准规定，生活垃圾填埋场的防渗层的渗透系数应小于10-7cm/s。因此，污泥作为覆盖材料时的渗透系数应小于或接近该值；污泥作为垃圾填埋场覆盖材料使用后，为了使污水水质不超过污水处理厂的设计工作负荷，其浸出液的污染因子浓度应与垃圾渗滤液的相当。故模拟降雨实验浸出液的COD、氨氮以及pH等应在垃圾填埋场渗滤液中各指标的浓度范围之内(见表2)。
表2 垃圾填埋场渗滤液污染指标质量浓度 |
2 实验结果与讨论
2.1 消化污泥本底指标的测定
按照1.2节中的实验方法，进行多组平行实验，得出消化污泥本底的含水率为77.0%，挥发性固体质量分数为37.6%。
2.2不同含水率消化污泥各指标的测定
依据1.2节中的实验方法，先将消化污泥预处理(烘干)到不同含水率，测定不同含水率消化污泥在模拟降雨实验中的渗透系数、COD、氨氮和pH，根据所得数据作含水率与各指标间的关系图(见图1)。
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从图1可看出，消化污泥的含水率从20%增加到60%，渗透系数下降约32%，其中含水率从20%增加到40%，渗透系数只下降了3%左右，下降速率较慢；含水率从40%上升到60%时，渗透系数下降约29%，其下降速率较快。COD下降83%，其中含水率从20%增加到50%时，COD下降约79%；而含水率从50%上升到60%时，COD下降只有4%左右。氨氮下降约77%，其中含水率从20%增加到40%，氨氮下降13%；而含水率从40%上升到 60%时，氨氮下降64%。pH基本维持在7左右。
污泥含水率较低时，形成坚硬的颗粒难以压实，颗粒之间缝隙大和孔较多，雨水很快就能渗出，并且许多有机物颗粒能够随着水通过缝隙带出，致使渗透系数较大，同时浸出液的COD、氨氮含量较高。随着含水率的升高，污泥颗粒的表面张力减小，同样压力下其压实度提高，污泥间缝隙小和孔较少，渗透系数随之减小，除pH之外的各指标随之降低。由于压实度提高，雨水能够带出的有机物颗粒锐减，COD降幅较大，当污泥含水率为50%时，COD主要来自于浸出的可溶有机物，再增大含水率COD变化较小；渗透系数、氨氮的变化与污泥含水率之间存在一个临界点 (即含水率为40%)，当污泥含水率到达40%时，再增大含水率，渗透系数和氨氮的变化幅度增大。对于较高含水率时，污泥层比较紧密，雨水浸出的污染物较少，故各种污染物负荷较低。消化污泥出厂时基本为中性，在预处理和实验过程中未添加酸或碱，浸出液的pH基本不变。
2.3 消化污泥改性后模拟降雨实验各指标的测定
由于较高含水率时渗透系数较小且污染负荷较低，改性达标的可能性比低含水率时大，故分别选择50%和60%含水率的消化污泥，改性后做模拟降雨实验。石灰可与污泥中的水分反应，然后吸收空气中的CO2，最后变成坚硬的碳酸钙；炉渣颗粒坚硬，可作为凝结中心，且来源广泛、成本低。因此，选石灰和炉渣作为改性材料。
2.3.1 用石灰改性后消化污泥的模拟降雨实验结果
分别用含水率为50%和60%的消化污泥与石灰以2∶1(质量比，下同)、3∶1、4∶1混合，然后再做模拟降雨实验，测定各指标，根据实验数据作出消化污泥和石灰质量比与各指标间的关系图(见图2)。
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从图2可以看出，含水率为50%的消化污泥与石灰混合，当质量比从2∶1上升到4∶1时，模拟降雨浸出液的渗透系数从6.8×10-4cm/s左右降低到 4.8×10-4 cm/s左右，COD从2.5×104mg/L降到2.2×104mg/L，氨氮从4.2×102mg/L上升到1.2×103mg /L，pH维持在11左右。含水率为60%的消化污泥与石灰混合，当质量比从2∶1上升到4∶1时，模拟降雨浸出液的渗透系数从1.1×10-5cm/s 左右降到1.0×10-5 cm/s左右，COD从约1.4×104mg/L升到约1.5×104mg/L，氨氮从约5.7×102mg/L上升到 1.1×103mg/L，pH维持在11左右。
将含水率为50%和60%的消化污泥以相同质量比与石灰混合改性后的实验结果对比发现，后者模拟降雨的渗透系数、浸出液的COD小得多，氨氮含量稍大，而两者的pH差不多。这是由于前者较后者易形成颗粒，模拟雨水沿颗粒缝隙下流，带出的有机物量较大，从而使其渗透系数、COD要比后者大。氨氮主要来源于铵盐的溶出，渗透系数越小，雨水在污泥中停留的时间越长，铵盐越容易溶出，故后者的氨氮较高。
相同含水率的消化污泥与石灰以不同的质量比混合，当石灰所占比例越大(即质量比越小)时，越能与消化污泥中的水分反应，从而使整个污泥层变得疏松多孔，致使渗透系数越大；同时，消化污泥中的铵盐与强碱发生反应，导致氨气逸出，石灰比例越大接触越充分、铵盐消耗量越大，则浸出液中的氨氮就越低。这3种质量比中的石灰含量都比较高，其在水中的溶解度基本达到饱和。
2.3.2用炉渣改性后消化污泥的模拟降雨实验结果
分别用含水率为50%和60%的消化污泥与炉渣以2∶1(质量比，下同)、3∶1、4∶1混合，然后做模拟降雨实验，测定各指标，根据实验数据作出消化污泥和炉渣质量比与各指标间的关系图(见图3)。
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从图3可以看出，含水率为50%的消化污泥与炉渣混合，当质量比从2∶1上升到4∶1时，模拟降雨浸出液的渗透系数从1.5×10-3cm/s左右降到 1.4×10-3 cm/s左右，COD从8.1×103mg/L升到1.2×104mg/L，氨氮从7.4×102mg/L上升到1.1×103mg /L，pH维持在6.5左右。含水率为60%的消化污泥与炉渣混合，当质量比从2∶1上升到4∶1时，模拟降雨浸出液的渗透系数从5.4×10-6 cm /s左右升到5.6×10-6 cm/s左右，COD从6.9×103mg/L升到7.3×103mg/L，氨氮从5.2×102mg/L上升到 1.1×103mg/L，pH维持在7.0左右。
将含水率为50%和60%的消化污泥以相同质量比与炉渣混合改性后的实验结果对比发现，后者模拟降雨的渗透系数比前者小很多，约为前者的1/300，浸出液的COD、氨氮也比前者低，而两者的pH相差不大。
含水率为60%的消化污泥与炉渣混合后，模拟降雨实验的渗透系数达到10-6数量级，主要是由于污泥含水率较高而易压实，混合物间的缝隙小，参入的炉渣在混合后作为凝结中心，有利于增大混合物的剪切性；模拟雨水所能带出的有机物、铵盐浓度低，而使COD、氨氮随着炉渣所占比例的增加而减小；污泥本底就是中性，炉渣并不改变其酸碱性，所以浸出液的pH维持中性。
3 结论
由实验结果可知，含水率为60%的消化污泥与炉渣以2∶1混合时，渗透系数达到10-6数量级，已经接近垃圾填埋场防渗层对渗透系数的要求，且各种污染物负荷较小，如再稍微增大压实力度，各项指标能达到污泥作为垃圾填埋场覆盖材料的要求。因此，可选用炉渣作为改性材料。但重庆主城区处于酸雨区，雨水pH为4.11，垃圾填埋场渗滤液的pH接近该值，故需向1 L渗滤液中投加少量碱(如石灰约3.7 mg)，既降低其氨氮浓度又将pH调到6.0，便于后续处理。炉渣来自垃圾焚烧厂，可实现固体废弃物的综合利用，且基本不造成额外的费用，经济可行性较好。
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