隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，工業(yè)污水和生活污水的排放量日益增多，污水處理廠污泥產(chǎn)量急劇增加，據(jù)中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部 2013 年 2 月公布的數(shù)據(jù)，截止 2012年底，中國設(shè)市城市、縣累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠共 3 340座，污水處理能力約1.42 億m³/d，假設(shè)污水處理負(fù)荷率為 75%，每萬噸污水產(chǎn)生 6 t含水率為 80%的污泥，則中國每天將產(chǎn)生含水率 80%的污泥 6.39萬t^[1]。2010年10月的“京城環(huán)保第一大案”，以及隨后的“深圳污泥坑管涌威脅自然生態(tài)”、“重慶污泥不治污水處理系統(tǒng)將崩潰”等相繼見諸媒體的報道，揭開了中國在污泥處理上的嚴(yán)重缺口，污泥處置問題已成為中國亟待解決的環(huán)境問題。

目前,污泥處置與利用的方式主要有填埋、焚燒、農(nóng)用以及資源化利用等^[2]。由于污泥衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)、重金屬指標(biāo)難以滿足農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，污泥焚燒存在汞汽化和二噁英污染等問題未能得到有效解決，污泥填埋因其有投資少、容量大、見效快的優(yōu)勢，已逐漸成為國內(nèi)外污泥處置的主要途徑之一。

與污泥填埋相關(guān)的土工性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)的研究在其它國家70年代已經(jīng)開始進(jìn)行，主要在污泥用作填埋場覆蓋材料方面有較為深入研究^[3-4]。近幾年來的研究成果研究表明，將城市生活垃圾與污泥進(jìn)行混合，其降解穩(wěn)定過程比單獨填埋時明顯加快。比如，單華倫^[5]的研究表明，污泥和生活垃圾進(jìn)行混合填埋可以促進(jìn)垃圾降解和填埋體沉降，對加速填埋場穩(wěn)定及擴(kuò)大填埋庫容有利。徐華亭^[6]通過造紙污泥與生活垃圾混合填埋的模擬實驗，提出添加適量的造紙污泥可加速生活垃圾降解過程，提高垃圾降解效率。吳正松等^[7]通過生活垃圾與污泥一體化處理反應(yīng)器試驗后提出，生活垃圾與污泥一體化處理，對污泥和垃圾的減量及穩(wěn)定效果良好。Kavitha 等^[8] 研究指出，活化污泥可提高城市生活垃圾生物降解能力，促進(jìn)其穩(wěn)定化進(jìn)程。另外，Martin^[9]對垃圾與污泥均勻混合填埋，加速填埋層進(jìn)入穩(wěn)定的甲烷化階段的機(jī)理進(jìn)行了理論分析。Kong 等^[10]對城市生活垃圾與污泥混合物汽化動力學(xué)特性及其活化能和指前因子等參數(shù)進(jìn)行了研究。Fang等^[11] 進(jìn)行了造紙污泥與城市生活垃圾混合的共熱解熱重量分析。Zuhaib等^[12] 對污泥加速城市生活垃圾進(jìn)入甲烷化階段的最優(yōu)組分比進(jìn)行了實驗分析。彭晨^[1]利用城市生活垃圾堆肥的熱量可作為維持污泥中溫厭氧消化這一特性，對城市生活垃圾和污水廠污泥一體化反應(yīng)器小件模型試驗進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果確定污泥的最優(yōu)運行投配率為25%。李耕宇^[13]進(jìn)行了不同污泥負(fù)荷下常溫厭氧活性污泥對生活垃圾填埋滲濾液處理效果研究，指出當(dāng)污泥培養(yǎng)溫度為 21 ℃，滲濾液 pH 為 7.6 時，厭氧反應(yīng)池中污泥負(fù)荷約為 7.83 kgCOD/kgMLSS·d 時，反應(yīng)器處理效果最佳。另外，朱英等^[14]對填埋物質(zhì)分別為污泥、污泥+牛糞、污泥+鐵刨花以及準(zhǔn)好氧填埋方式的加速穩(wěn)定化過程進(jìn)行了研究。謝震震等^[15]研究表明，污泥和粉煤灰混合填埋比污泥單獨填埋能夠加大有機(jī)物的降解速率，從而縮短穩(wěn)定化時間。

盡管以上研究成果表明污泥城市生活垃圾混合填埋可加速污泥穩(wěn)定化進(jìn)程，減少污泥對垃圾填埋場穩(wěn)定的不利影響，但目前的研究成果多數(shù)停留在城市垃圾與污泥混合填埋對加快填埋場降解與穩(wěn)定過程有促進(jìn)作用的描述上，中國具體的工程應(yīng)用鮮有報道。相比而言，國外的污泥與城市垃圾混合填埋技術(shù)相對成熟些^[16]。國外也有將污泥與城市生活垃圾或泥土混合填埋的應(yīng)用：與生活垃圾混合填埋時，將污泥撒布在城市垃圾上面，混合均勻后鋪放于填埋場內(nèi)，壓實覆土。污泥與垃圾的混合比為1：4-1：7，中間覆土層厚度0.15~0.3 m，填埋容量為900~7 900 m³/ha^[17]。由于中國的城市垃圾種類比國外的要復(fù)雜得多，中國污水處理廠對污泥固化/穩(wěn)定預(yù)處理的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)費投入等與國外的相差巨大，因而國外污泥與垃圾混合填埋技術(shù)的具體參數(shù)不適用于中國國情。目前，中國對于污泥與城市垃圾土混合樣的土力學(xué)性質(zhì)還了解不多，對污泥與城市垃圾混合樣的抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角、粘聚力)、固結(jié)特性(壓縮指數(shù)、固結(jié)系數(shù))等工程力學(xué)性質(zhì)認(rèn)識不足，從而對混合填埋時污泥與城市垃圾的適宜混合比例以及填埋的極限容量等問題不甚了解，而中國鮮有現(xiàn)成的資料可供借鑒，國外的又不適用于中國，從而導(dǎo)致中國污泥被大肆傾倒入MSW填埋場的現(xiàn)象屢見不鮮，填埋場工程安全隱患叢生，工程事故頻繁發(fā)生，不僅造成了慘重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，也給當(dāng)?shù)貛�來了巨大的環(huán)境災(zāi)難。比如，潮州市雞籠山垃圾填埋場的垃圾崩塌滑坡事故、深圳下坪固體廢棄物填埋場污泥坑管涌事故，以及由于污泥傾倒引發(fā)的廣州大王崗垃圾填埋場崩塌事故等。

為解決上述問題，進(jìn)行了污泥及其城市生活垃圾混合樣室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)性研究工作，獲取了污泥與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學(xué)性質(zhì)等土性參數(shù)，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質(zhì)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時，對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強(qiáng)度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進(jìn)行實驗與分析，從而對混合填埋時污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究。最后，用數(shù)值模擬方法對不同配合比的污泥城市生活垃圾混合邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬，坡角為15.5°，邊坡形狀及計算模型如圖 9所示。彈性模量E=15 MPa，泊松比0.3。計算范圍取坡腳向左延伸40 m，深度取坡腳以下30 m，模型總寬280 m。左、右邊界僅約束水平位移，底部邊界約束水平和豎直位移。網(wǎng)絡(luò)劃分見圖 10所示。Plane42單元，分成1 139個單元，1 233個節(jié)點。模型按平面應(yīng)變考慮。

9  邊坡計算模型

 

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10  網(wǎng)格劃分圖

 

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污泥與垃圾混填邊坡的計算參數(shù)見表 11，表中的參數(shù)取自固結(jié)不排水實驗結(jié)果，其中的強(qiáng)度指標(biāo)如表 9所示。

11  垃圾混合樣參數(shù)

污泥百分比/%	γ/(kN·m-3)	C/kPa	φ/(°)
10	13.2	8.71	12.04
20	14.3	10.32	10.63
30	15.1	12.65	10.34
50	15.9	10.73	9.30

下載: CSV

不同混合比數(shù)值模擬如下：

當(dāng)混合比為10%時，破壞時等效塑形應(yīng)變、變形圖如圖 11~13，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.1。

11  混合比10%破壞等效塑形應(yīng)變

 

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12  混合比10%ΔS/ΔF_s與F_s關(guān)系

 

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13  混合比10%破壞時變形圖

 

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當(dāng)混合比為20%時，破壞時等效塑形應(yīng)變、變形圖如圖 14~16，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.03。

14  混合比20%破壞等效塑形應(yīng)變

 

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15  混合比20%ΔS/ΔF_s與F_s關(guān)系

 

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16  混合比20%破壞時變形圖

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

當(dāng)混合比為30%時,破壞時等效塑形應(yīng)變、變形圖如圖 17~19，軟件計算得安全系數(shù)Fs=2.13。

17  混合比30%破壞等效塑形應(yīng)變

 

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18  混合比30%ΔS/ΔF_s與F_s關(guān)系

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

19  混合比30%破壞時變形圖

 

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當(dāng)混合比為50%時，破壞時等效塑形應(yīng)變、變形圖如圖 20~22，安全系數(shù)Fs=1.56。

20  混合比50%破壞等效塑形應(yīng)變

 

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21  混合比50%ΔS/ΔF_s與F_s關(guān)系

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

22  混合比50%破壞時變形圖

 

下載: 原圖 | 高精圖 | 低精圖

由上述的數(shù)字模擬分析結(jié)果可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當(dāng)污泥含量增大到50%時，其安全系數(shù)會激劇下降。因此,污泥與垃圾混合填埋時，一定要控制污泥的摻入量，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。

1) 通過污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的壓縮及強(qiáng)度等實驗，獲取了污泥及其與城市生活垃圾土混合樣的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，為全面了解污泥城市垃圾混合樣的土工性質(zhì)提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2) 對污泥與城市垃圾混合樣的變形、強(qiáng)度隨污泥摻入量的變化規(guī)律進(jìn)行實驗與分析，從而對混合填埋時污泥與城市生活垃圾的適宜混合比作了探索性研究：合宜比例的污泥與垃圾混合，可較好地改善污泥的流變特性和強(qiáng)度。

3) 通過污泥與垃圾混填邊坡的ANSYS數(shù)值模擬分析可知，污泥含量為10%、30%左右的混填邊坡的安全系數(shù)較高，但當(dāng)污泥含量增大到50%時，其安全系數(shù)會驟然下降。因此，污泥與垃圾混合填埋的實際工程，一定要結(jié)合混合樣的固結(jié)壓縮特性、強(qiáng)度特性試驗和邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果，控制污泥的適宜摻入比例，以確保填埋體邊坡的穩(wěn)定安全。