酸雨作用下污泥固化土長期強度研究
0 引言污泥是城市污水處置廠的次要副產(chǎn)品之一，估計到2010 年在下國城市污水排放總量將達
464×108m3，將發(fā)生0.125×108～0.21×108t 污泥（含水率400%）。由于污泥中含有少量的無機質(zhì)、病菌、寄生蟲及、重金屬、無機凈化物等，將其恣意堆放或處置不當，都能夠造
成嚴重的二次凈化[1-2]。
依據(jù)在下國目前的經(jīng)濟開展程度，短期內(nèi)處理污泥的平安處置，臨時完成資源化應用，是
契合在下國國情的污泥處置處置技術道路。其中采用固化處置技術，進步污泥的物理力學性質(zhì)，
將污泥處置為可以再生資源應用的土資料，是一條可行的污泥處置處置技術道路之一。該方
法進步了污泥的物理力學功能，滿足了對污泥中凈化物封鎖的要求，完成了污泥的資源化利
用，而且工藝技術道路復雜，處置本錢較低，曾經(jīng)在上海、深圳等地的停止了使用[3-4]。
但是污泥固化土是一種以水泥為固化基材的改性土資料，其資料性質(zhì)的波動次要依托其
中呈堿性水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用來維持。目前酸雨危害曾經(jīng)成為普遍存在的成績，污泥固化土
作為土資料在運用進程中假如遭到酸雨的作用，污泥固化土中的水化產(chǎn)物具有發(fā)作分解的可
能，從而污泥固化土的資料波動性將會遭到影響[5]。
為了明白污泥固化土在酸雨作用條件下強度變化規(guī)律，采用室內(nèi)實驗強化酸雨環(huán)境，獲
得污泥固化土資料波動性與環(huán)境因子的關系，并采用化學動力學實際預測酸雨作用臨時條件
下污泥固化土的強度變化規(guī)律，為污泥固化技術的推行提供資料波動性方面的實際根據(jù)。
1 污泥固化土與酸反響的化學動力學方程
污泥固化后發(fā)生強度的基本緣由是由于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)以及和粘土礦物中活性成
分反響的后果，生成的水化產(chǎn)物次要包括水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣以及碳酸鈣等
[6]。這些水化產(chǎn)物的一個共同點是其中都有鈣元素，水化產(chǎn)物遇酸反響意味著水化產(chǎn)物中結(jié)
合態(tài)的鈣轉(zhuǎn)化為離子態(tài)的鈣，可溶態(tài)鈣離子量可以直接作為反映水化產(chǎn)物被酸反響掉的量。
假定水化產(chǎn)物和酸反響是一個n 級反響，其化學方程式可表述為：
C-M+H+→Ca2++M+H2O (1)
式中M 表示不同的水化產(chǎn)物基團。
在溫度T 時水化產(chǎn)物和酸反響的化學動力學方程可以表示為：
γ [Ca 2 ] [C M]α [H ]β
+
+
= = k −
dt
d
(2)
式中γ為反響速率，[Ca2+]、[C-M] 、[H+]辨別表示反響體系中Ca2+、水化產(chǎn)物以及酸
的濃度，α、β為水化產(chǎn)物和酸的反響級數(shù)，k 為速率常數(shù)，t 為反響日子。式(2)中γ 可以通
過實驗測定，待求參數(shù)為k、α 和β。依據(jù)文獻[7]提供的計算辦法求得。
2 實驗方案及計算參數(shù)
污泥固化土選取5 個配比，辨別為5:0.5:2、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2（污泥、水泥、
淤泥的分量比），養(yǎng)護至28 天齡期。在200ml 錐形瓶中參加100ml 不同濃度的鹽酸，磁力
加熱攪拌器上預熱至一定溫度后，參加一定質(zhì)量粉碎后過2mm 的篩的污泥固化土試樣，繼
續(xù)堅持恒溫加熱攪拌至1 小時后將懸濁液迅速過濾至裝有無水乙醇的燒杯中，阻止化學反響
的持續(xù)停止，采用原子吸收辦法測定溶液中Ca2+的濃度。
以水化產(chǎn)物形狀存在的鈣采取以下辦法測定：采用上述相似方案，依照1:10 的固液比
振蕩8 小時并靜置16 小時后采用原子吸收分光光度計測其中鈣離子的量，這局部鈣離子是
以可溶態(tài)方式存在；然后依照EPA Method 3052，6010B(1996)辦法測定其中一切鈣的量。
將兩次測得的鈣的量相減失掉的鈣離子量即是以水化產(chǎn)物形狀存在的鈣。計算失掉污泥固化
土與鹽酸反響的化學動力學參數(shù)如表1。
3 污泥固化土臨時強度的預測
3.1 水化產(chǎn)物分解量的計算
假定水化產(chǎn)物的初始濃度為A，酸的初始濃度為B，經(jīng)過日子t 后水化產(chǎn)物的分解量為
x，即生成的Ca2+量為x，耗費的酸量的`2x 由式(2)可得：
k(A x)α (B 2x)β
dt
dx = − − (3)
在酸雨繼續(xù)作用下可以假定酸的濃度不斷堅持不變，并將所求得α、β 代入上式并停止
積分可以失掉：
∫ = ∫
−
b t
a
dx kB dt
A x 0
1 1.5
(4)
可以求得經(jīng)過日子t 后生成得Ca2+濃度，即被反響掉得水化產(chǎn)物量為：
2
1.5
)
2
b = A − ( A − a − ktB (5)
表1 污泥固化土與鹽酸反響化學動力學參數(shù)
Tab.1 chemical kinetics parameter of solidification sludge and hydrochloric acid
參數(shù) 試樣 T(℃)
20 30 40
5:2:0 0.52 0.52 0.42
5:2:1 0.48 0.38 0.52
5:2:2 0.56 0.41 0.49
5:0.5:2 0.47 0.53 0.49
α
5:1:2 0.46 0.46 0.51
5:2:0 1.43 1.42 1.41
5:2:1 1.48 1.55 1.43
5:2:2 1.48 1.42 1.42
5:0.5:2 1.41 1.46 1.39
β
5:1:2 1.40 1.39 1.45
5:2:0 5.232E-02 6.580E-02 9.262E-02
5:2:1 6.559E-04 7.372E-03 3.538E-02
5:2:2 6.144E-05 2.150E-03 1.255E-02
5:0.5:2 1.364E-02 4.394E-02 4.973E-02
k
5:1:2 1.513E-03 2.396E-03 3.158E-02
由表1 可以看出污泥固化土與鹽酸反響動力學參數(shù)α 可以近似取0.5，β 近似取1.5，k
值隨溫度和資料配比不同而變化。
3.2 水化產(chǎn)物分解量與強度的關系
為了在實驗室日子尺度內(nèi)取得污泥固化土受酸作用形成水化產(chǎn)物增加惹起強度損失之
間的關系，采取加大酸的濃度和抽真空飽和的措施延長日子尺度，詳細實驗方案如下：
(1) 采用不同配比將污泥固化土養(yǎng)護至28 天齡期，采用1:10 固液比，浸取液為去離子
水，測定其中可溶態(tài)Ca2+總量；
(2) 將試樣置于不同濃度的鹽酸中抽真空飽和24 小時再靜置一定日子后停止無側(cè)限抗
壓強度實驗；
(3) 測定(2)步驟中溶解在鹽酸中的Ca2+總量；
(4) 將毀壞后的試樣依照1:10 的固液比，浸取液為去離子水，測定其中可溶態(tài)Ca2+總量；
(5) 將(3)和(4)中失掉的Ca2+量相加再減去(1)中失掉的Ca2+量即為在酸的作用下被分解
的水化產(chǎn)物量。
3.3 污泥固化土臨時強度預測
采用上述實驗方案取得了不同配比的污泥固化土在酸的作用下水化產(chǎn)物分解量(即Ca2+
損失量)和強度損失量之間的關系，如圖1、2 所示。從圖中可以看出，強度的損失率和水化
產(chǎn)物分解率根本成較好的線性相關關系。
采用公式(5)可以計算失掉不同酸雨條件下以及不同作用日子污泥固化土水化產(chǎn)物分解
率；經(jīng)過圖1 和圖2 可以失掉水化產(chǎn)物分解率和強度損失率的關系。將這兩個步驟相結(jié)合可
以對不同酸雨條件下不同配比的污泥固化土臨時強度停止預測，本文計算了pH=4 和pH=5
兩種條件下不同配比污泥固化土從10 年~100 年強度損失率，如表2 所示。
表2 不同酸雨條件下不同固化污泥強度損失率
Tab.2 loss ration of solidification sludge strength under different acid rain condition
時 間 pH=4 pH=5
(年) 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:1 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:1
10 0.12 0.01 0.00 0.38 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00
20 0.25 0.01 0.00 0.76 0.01 0.01 0.00 0.00 0.02 0.00
30 0.37 0.02 0.00 1.14 0.01 0.01 0.00 0.00 0.04 0.00
40 0.49 0.03 0.00 1.52 0.01 0.02 0.00 0.00 0.05 0.00
50 0.61 0.03 0.00 1.90 0.02 0.02 0.00 0.00 0.06 0.00
60 0.74 0.04 0.00 2.28 0.02 0.02 0.00 0.00 0.07 0.00
70 0.86 0.05 0.00 2.66 0.03 0.03 0.00 0.00 0.08 0.00
80 0.98 0.05 0.00 3.03 0.03 0.03 0.00 0.00 0.10 0.00
90 1.10 0.06 0.00 3.41 0.03 0.03 0.00 0.00 0.11 0.00
100 1.23 0.07 0.00 3.79 0.04 0.04 0.00 0.00 0.12 0.00
110 從表2 可以看出，酸雨的強度對污泥固化土的臨時強度存在影響，例如5:0.5:2 的污泥
固化土在pH=4 的酸雨作用100 年條件下其強度損失為1.23%，但是在pH=5 的酸雨作用同
樣的日子其強度損失僅為0.04%。所以依據(jù)本地域酸雨的實踐狀況選擇最為經(jīng)濟的固化資料
和比例顯得較為重要。
4 結(jié)論
(1) 從研討的后果來看，正常的酸雨強度對污泥固化土的強度影響很小，根本可以疏忽
不計，因而在實踐的工程設計當中可以不予思索酸雨對污泥固化土強度的影響。
(2) 本文的計算后果次要根據(jù)室內(nèi)實驗的后果停止預測，而室內(nèi)實驗采用諸如抽真空飽
和等手腕強化了酸對試樣的溶蝕才能，而實踐條件下污泥固化土的浸透性十分低，如何將試
驗室所得出的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場停止聯(lián)絡有待于進一步的開掘。
(3) 采用化學動力學辦法研討環(huán)境敏感要素對巖土體臨時資料功能的影響，為巖土體長
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