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1、镁质碱式盐对污泥力学性能的影响第38卷第2期2010年2月同济大学(自然科学版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)VoI_38No.2Feb.2010文章编号:0253374X(2010)02026805DOI:10.3969/j.issn.0253374x.2010.02.020镁质碱式盐对污泥力学性能的影响马建立.,赵由才,王莉,柴晓利(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092;2.天津市环境保护科学研究院,天津300191)摘要:采用一种镁质碱式盐(MOC)进行了改善浓缩污泥力学性能的实验研究.结果表明,在M0C和污
2、泥的质量比为5/10020/100,MgO和Ml2质量比为3/1-5/1时,可以使污泥无侧限抗压强度提高到85.14kg?cm,50kPa下的污泥渗透性能可达到2.17x10cm?s;塑性指数(Ip)最低可降到7.9.同时污泥的粒径呈线性增加,当污泥粒径在45-72/xm之间时,污泥比阻的下降较明显.采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)进行微观分析,发现M0C在污泥中发生胶凝水化反应.在ME和0H激发下,M0C与污泥中的S,Cu形成了MgSiA1凝胶体系,并以晶体结构的形式存在,对污泥的稳定化起到了积极的作用.关键词:污泥;镁质碱式盐;无侧限抗压强度;塑性;污泥比阻中图分类号:X703
3、.5文献标识码:AInfluenceofM一BasedBasicSaltCementonMechanicalPropertiesofSewageSludgeMAJianli一,4OYouca,G,C兕Xiaoli(1.StateKeyLaboratoryPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.TianjinEnvironmentProtectionScienceResearchInstitute,Tianjin300191,China)Abstract:Inthiswork,magnesi
4、umoxychloridecement(M0C)wasusedforthesludgestabilization.AtamassratioofM0C/Sludgeof5/10020/100andmassratioofMgO/MgCI2of3/15/1,thehighestcompressivestrengthofstabilizedsludgeof85.14kg/cm2,coefficientofpermeabilityofuDto2.17X10I3cm/sandplasticityindexof7.9canbeobtainedinlaboratory.enthesludgegrainsize
5、wererangedfrom45to72um,thesludgespecificresistancedecreasedsharply.XRDandSEMwereusedtocharacterizethemacroscopicandmicroscopiceffectsofsludgecausedbyM0C.TheresultsrevealthatthegellingandhydrationreactionhappensintheM0Csludgesystem.MgSiAIgelsystemmaybeformedwithSi,A1,Cu2inthesludgeunderalkalinecondit
6、ion.Thehydratecanbeseenandmayplayanimportantroleinthesludgestabilization.Keywords:sewagesludge;magnesiumoxychloridecement;unconfinedcompressivestrength;plasticityindex;specificresistance城市生活污水经污水厂处理后会产生大量的浓缩污泥.由于污泥中的有机质含量和水分较高,造成了污泥的力学性能较差(强度仅为5kPa左右),给污泥的后继处理或再利用带来很多问题1.采用适当的预处理方法既可提高污泥的力学性能,也能起到污泥
7、稳定化作用.使用较广泛的预处理方法是在污泥中添加一定比例的水泥,石灰等无机稳定剂l_2.但是这类稳定剂的添加比例一般大于20%3,污泥增容较大;而且会使污泥的pH值增加较快,破坏污泥的絮体和细胞,产生恶臭43.镁质碱式盐是一类新型的弱碱性污泥稳定剂,本文采用一种镁质碱式盐(magnesiumoxychloridecement,MOC),即氯氧镁水泥进行了改善污泥力学性能的实验研究.M0C由MgO和MgCI按一定比例复配而成_3,可以与污泥中的水分发生快速的胶凝水化反应,起到改善污泥力学性能的作用.M0C的pH值仅为89l_5,对污泥pH值的改变较小,可避免恶臭的产生.1材料与方法1.1实验材料
8、污泥取自上海白龙港污泥处理厂离心脱水后的污泥.该污水厂采用聚合氯化铝作为混凝剂,对污水进行一级强化混凝沉淀处理,故所产污泥称为化学收稿日期:20081102基金项目:上海市科委世博科技专项基金资助项目(05DZ05818)作者简介:马建立(1977一),男,博士生,主要研究方向为固体废物处理与资源.E.mail:majianguang赵由才(1963一),男,教授,博士生导师,主要研究方向为固体废物处理与资源化.E-mail:zhaoyoucai第2期马建立,等:镁质碱式盐对污泥力学性能的影响污泥(chemicalsludge,CS).其物理性质见表1.所用轻烧氧化镁(MgO)产自辽宁海成,化
9、学成分见表2.表1化学污泥的物理性质Tab.1Characteristicsofchemicalsludgeused实验所用氯化镁(MgC1z)产自青海(见表3)表3氯化镁的化学成分Tab.3ChemicalcompositionofMgCl2%1.2原理及方法镁质碱式盐(MOC)与水发生水化反应,形成气硬性胶凝材料_6.其水化过程是一个放热反应,一般认为在MgOMgC12-H20三元胶凝体系中,三组分先形成多核水羟合镁离子Mg(0H)(H20),而后和Cl一,0H一离子以及H20分子形成5相和3相,反应式如下:5MgO+Mg.+2C1一+13H2O-5Mg(OH)2?MgC12?8H20(1
10、)3MgO+Mg.+2CI一+llH2O-3Mg(OH)2?MgC12?8H20(2)凝结硬化后的3相和5相为晶体结构,在显微镜下一般呈针状L,受生长空间不同和外来因素的影响,有时也呈颗粒状,纤维束状集合体,它们相互交叉搭接成毛毡状多相多孔网状结构,产生较高的机械强度.M0C/污泥样品制备在实验室内完成,将污泥与镁质碱式盐按一定配比混合,在搅拌器内以800r?min的转速搅拌3min,在40mm40mm160mm三联模中制样成型,每组3个样品,24h脱模,测量样品的抗压强度,求平均值.如表4所示,污泥试样的重量配比:氯氧镁/污泥为1/10020/100,MgO/MgCl2为1/16/1.1.3
11、测试方法与设备抗压强度,岛津万能材料实验机,AG一2000A型,施加载荷速度2mm?min一;渗透系数,TKSTP-3型二联式渗压仪;液塑限,SG型光电液塑限联合测定仪;污泥比阻,抽滤测定方法;污泥粒径(Dr.),Mastersizer2000型激光粒度分析仪,Malvern仪器有限公司;X一射线衍射仪,Y一2,PANAlytical公司,扫描速度为4(.)?min,以每隔=001.,20扫描范围为o70.;电子扫描电镜,日本JSM.5600LV.表4污泥样品实验配比Tab.4Listofsamplecompositiong同济大学(自然科学版)第38卷2结果与讨论2.1MOC对污泥无侧限抗压
12、强度的影响在污泥与M0C均匀混合后,首先发生的是MgC1的吸水溶解,然后Mg0在氯化镁水溶液中的溶解,由于MgO的溶解提高了溶液的pH值,导致了MgC1?6H20水合物在碱性条件下形成5相和3相的凝胶,使污泥得到硬化.经过10d的稳定化,M0C.CS的硬化体强度如图1所示,试样的强度随着M0C比例的增加而增加.当m(M0C)/m(CS)(质量比,下同)>2O/lOO时,污泥中的含水量不能满足M0C水化反应所需水量.因此,在m(M0C)/m(CS)=5/100,(MgO)/m(MgC12)=5/1,即试样M5CS3的强度可达最高值85.14kg?cm.根据国外的填埋经验,德国的污泥填埋要求
13、抗压强度大于5kg?cm,美国EPA要求抗压强度大于3.44kg?cm,试样在m(M0C)/m(CS)大于3/100时,抗压强度均大于5.99kg?cm一,即可满足一般的污泥土旦旦地利用要求._m(MgO)/m(MgC1)2=I/Im(MgO)/m(MgC1)2=5/I目m(MgO)/m(Mgc1)2=4/1口m(MgO)/m(MgC1)2=3/1M0C的添加比例图1MOC对污泥无侧限抗压强度的影响Fig.1UnconfinedcompressivestrengthofMOCSludgemixtures2.2MOC对污泥渗透系数的影响初始化学污泥在50kPa下的渗透系数K为1.2110.cm.
14、s-.,100kPa下为1.1810cm.s.污泥中掺入M0C后,K值有不同程度的增加,不同m(MOC)/m(CS)的污泥样在50kPa和100kPa两种压力下测定压缩稳定后的渗透性能见图2.一2r-50kPa4一目一r/二:三.图2MOC对污泥渗透性能的影响Fig.2InfluenceofMOConpermeabilitycoefficientofCS当m(CS)/m(M0C)=lOO/5时,各改性剂对污泥的渗透性能提高较为缓慢,当m(M0C)/lm(CS)超过5/100时,M0C对污泥的渗透性能提高较快.但是相同的MOC添加量下,当m(MgO)/m(MgCh)超过4/1后,M0C对污泥渗透
15、性能的提高又变缓.可见,m(MgO)/m(MgC12)>4/1是M0C改善污泥渗透性能比较敏感的范围.m(MgO)/m(MgOl2)>4/1时,m(M0C)Ira(CS)>5/100的污泥样的K值都能增大到10cm?s数量级.样品M4CS4(m(MgO)/m(MgCI2)=4/1,m(M0C)/m(CS)=10/100)在50kPa下的污泥渗透性能可达到2.17x10cm.s,即提高4个数量级.2.3MOC对污泥塑性指数的影响污泥塑性指数(Ip)用来表示应力作用下的污泥的压缩特性.使用液限和塑限联合测定法(T01182007),绘制WLh图,求得液限WL和塑限WP,IP即为两
16、者之差.测量的污泥空白样的塑性指数为32.4.污泥常处于胶体状态,其细小的颗粒具有较强的表面张力,其液塑限的差值较大,污泥的可压缩性能较低.M0C在污泥中的水化反应消耗了部分附着在颗粒表面的水分,降低了颗粒的表面张力,从而在一定程度上提高了污泥的可压缩性能.由图3可知,添加M0C后的污泥样品的塑性指数均呈下降的趋势.例如,m(cs)/m(MOC)=lOO/5,m(MgO)/m(MgC12)>2/1的样品,样品系列CS4和CS5的IP均小于17,几乎达到了粉质粘土的值.结果表明随着的减小,污泥的可压缩性能得到了较大改善.样品M5CS5的最低,仅为7.9,接近了粉土土质的值.根据文献,I=1
17、0时污泥的可压缩性能最高,Ip<10时,污泥的可压缩性能降低r9.因此,过量添加MOC不但造成稳定剂的浪费,同时也增大了后续处理的难度.在实际应用中调理剂的投量应从经济效益和后续利用的角度来综合考虑,m(MOC)/m(CS)应不大于5/100为宜.)Dlll_I_-IL0M日哪;一一圈h.L_:.吼默_)_陌幽堰第2期马建立,等:镁质碱式盐对污泥力学性能的影响2O18l61412l081,l2,l3/l4/15/l(MgO)/(MgC1)2的比例图3MOC对污泥塑性指数()的影响Fig.3Relationbetweenplasticityindexandratiosofm(MgO)/m(
18、MgC12)2.4MoC对污泥比阻和粒径的影响污泥比阻(a)首先和污泥颗粒的粒径(Dso)大小及分布有关,也受介质孔隙尺寸及堵塞情况的影响.原始污泥的粒径较小,D5o<10m,而比表面积较大,受污泥中有机质胶体的持水性的影响,在污泥颗粒表面形成的结合水膜就越厚,阻塞污泥的孔隙,致使污泥的过滤性能也就愈差,原始污泥的a值为1.6610m.kg.由图4可知,随着样品系列CS4(m(CS)/m(M0C)=100/10)中m(MgO)/m(MgC1)的增加,污泥的粒径基本呈线性增加,而对应的a值趋于下降,特别是污泥的D在4572m之间时,a值折线的斜率呈现负值.表明污泥颗粒的粒径变化影响了污泥的
19、过滤性能.图4CS4系列样品的比阻随污泥粒度的变化Fig.4SpecificresistancechangeswiththegrainsizeofCS42.5污MOC的XRD分析对污泥试样M4CS4进行XRD分析如图5所示.结合添加M0C污泥的塑性变化规律可知,试样由初期具有可塑性的污泥浆体,经过一段时间后逐渐变稠失去塑性,在试样中出现氯氧镁水泥水化形成的结晶相,即5相和3相.污泥开始产生强度,并逐渐提高,因此,M0C在水化过程中起到了稳定化污泥的作用.同时还发现,在硬化后的污泥试样中还存在KMgA1ShOlo(0H)z,KMg2A13(Si1oAl2)?4H20,Mg5CuA103Si02?
20、4H20,3种凝胶相.,也就是说污泥中的Si2,Al,Cu在M和OH一激发下形成了MgSiA1凝胶体系,在污泥胶结硬化过程中起到了增强的作用.籁:骥靼图5污泥样品的XRD图Fig.5X-raydiffractionofstabilizedsamples2.6污泥一MOC的SEM分析图6a是未添加MOC污泥的SEM照片,污泥的表面凹凸不平,还可以看到粗大的无机砂砾,图6b是稳定化的污泥样品M4CS4,在污泥的稳定化过程中,由于MgCI的吸水效应,使污泥在失水后的基体内部形成许多裂缝或罅隙,随着水化反应的进行,成了5相晶体形成和聚集的条件,开始在核化晶体的基础上逐渐形成了团聚的针状晶体,并且彼此相
21、互交叉连结成网状结构分布在污泥的罅隙中,为污泥提供了较高的抗压强度.一一a新鲜污泥b污泥样品M4CS4圈6污泥样品的SII图Fig.6SEMphotographsofCS3结论M0C是一种新型的污泥稳定剂,在污泥稳定化过程中可以发生胶凝水化反应.在m(M0C)/m(CS)为5/10020/100,m(MgO)/m(MgC12)为3/15/1时效果最佳.在M0C/污泥体系中,吸收污泥中的部分水分,在Mg和OH一激发下与污泥中的Si2,AP,同济大学(自然科学版)第38卷Cu2形成Mg_Si一凝胶体系,起到污泥稳定化和改5HallDA,StevensR,JazairiBE.Theeffectofr
22、etardersonthe善污泥力学性能的作用?在后继利用或处理过程中,:?.污泥稳定性随时间和环境暴露(水的渗透,浸滤)条件;00,31(3):455.变化而变化的过程有待进一步的研究.6LlzJ,CHAUCK.InfluenceofmolarratiosonpropertiesofmagnesiumoxychloridecementJ.CementandConcrete参考文献:Research,2007,37(6):866.7MaravelakiKP,MoraitouG.Sorelscementmortars:decay1赵乐军,杨津义.污泥填埋技术综述EJ.天津市政设计,2003,su
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