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酸雨作用下污泥固化土長(zhǎng)期強(qiáng)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(jì)到2010 年在下國(guó)城市污水排放總量將達(dá)
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(wú)機(jī)質(zhì)、病菌、寄生蟲(chóng)及、重金屬、無(wú)機(jī)凈化物等，將其恣意堆放或處置不當(dāng)，都能夠造
成嚴(yán)重的二次凈化[1-2]。
依據(jù)在下國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)開(kāi)展程度，短期內(nèi)處理污泥的平安處置，臨時(shí)完成資源化應(yīng)用，是
契合在下國(guó)國(guó)情的污泥處置處置技術(shù)道路。其中采用固化處置技術(shù)，進(jìn)步污泥的物理力學(xué)性質(zhì)，
將污泥處置為可以再生資源應(yīng)用的土資料，是一條可行的污泥處置處置技術(shù)道路之一。該方
法進(jìn)步了污泥的物理力學(xué)功能，滿足了對(duì)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(shù)道路復(fù)雜，處置本錢(qián)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(dòng)次要依托其
中呈堿性水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用來(lái)維持。目前酸雨危害曾經(jīng)成為普遍存在的成績(jī)，污泥固化土
作為土資料在運(yùn)用進(jìn)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(dòng)性將會(huì)遭到影響[5]。
為了明白污泥固化土在酸雨作用條件下強(qiáng)度變化規(guī)律，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化酸雨環(huán)境，獲
得污泥固化土資料波動(dòng)性與環(huán)境因子的關(guān)系，并采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)際預(yù)測(cè)酸雨作用臨時(shí)條件
下污泥固化土的強(qiáng)度變化規(guī)律，為污泥固化技術(shù)的推行提供資料波動(dòng)性方面的實(shí)際根據(jù)。
1 污泥固化土與酸反響的化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程
污泥固化后發(fā)生強(qiáng)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(gè)共同點(diǎn)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(gè)n 級(jí)反響，其化學(xué)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(tuán)。
在溫度T 時(shí)水化產(chǎn)物和酸反響的化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(jí)數(shù)，k 為速率常數(shù)，t 為反響日子。式(2)中γ 可以通
過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，待求參數(shù)為k、α 和β。依據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的計(jì)算辦法求得。
2 實(shí)驗(yàn)方案及計(jì)算參數(shù)
污泥固化土選取5 個(gè)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(hù)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(yù)熱至一定溫度后，參加一定質(zhì)量粉碎后過(guò)2mm 的篩的污泥固化土試樣，繼
續(xù)堅(jiān)持恒溫加熱攪拌至1 小時(shí)后將懸濁液迅速過(guò)濾至裝有無(wú)水乙醇的燒杯中，阻止化學(xué)反響
的持續(xù)停止，采用原子吸收辦法測(cè)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(cè)定：采用上述相似方案，依照1:10 的固液比
振蕩8 小時(shí)并靜置16 小時(shí)后采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)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(cè)定其中一切鈣的量。
將兩次測(cè)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(jì)算失掉污泥固化
土與鹽酸反響的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1。
3 污泥固化土臨時(shí)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)
3.1 水化產(chǎn)物分解量的計(jì)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(guò)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(fèi)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(jiān)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(guò)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(xué)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(qiáng)度的關(guān)系
為了在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度損失之
間的關(guān)系，采取加大酸的濃度和抽真空飽和的措施延長(zhǎng)日子尺度，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方案如下：
(1) 采用不同配比將污泥固化土養(yǎng)護(hù)至28 天齡期，采用1:10 固液比，浸取液為去離子
水，測(cè)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(shí)再靜置一定日子后停止無(wú)側(cè)限抗
壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；
(3) 測(cè)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(cè)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(shí)強(qiáng)度預(yù)測(cè)
采用上述實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度損失量之間的關(guān)系，如圖1、2 所示。從圖中可以看出，強(qiáng)度的損失率和水化
產(chǎn)物分解率根本成較好的線性相關(guān)關(guān)系。
采用公式(5)可以計(jì)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(guò)圖1 和圖2 可以失掉水化產(chǎn)物分解率和強(qiáng)度損失率的關(guān)系。將這兩個(gè)步驟相結(jié)合可
以對(duì)不同酸雨條件下不同配比的污泥固化土臨時(shí)強(qiáng)度停止預(yù)測(cè)，本文計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度損失率
Tab.2 loss ration of solidification sludge strength under different acid rain condition
時(shí) 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(qiáng)度對(duì)污泥固化土的臨時(shí)強(qiáng)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(qiáng)度損失為1.23%，但是在pH=5 的酸雨作用同
樣的日子其強(qiáng)度損失僅為0.04%。所以依據(jù)本地域酸雨的實(shí)踐狀況選擇最為經(jīng)濟(jì)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(lái)看，正常的酸雨強(qiáng)度對(duì)污泥固化土的強(qiáng)度影響很小，根本可以疏忽
不計(jì)，因而在實(shí)踐的工程設(shè)計(jì)當(dāng)中可以不予思索酸雨對(duì)污泥固化土強(qiáng)度的影響。
(2) 本文的計(jì)算后果次要根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的后果停止預(yù)測(cè)，而室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用諸如抽真空飽
和等手腕強(qiáng)化了酸對(duì)試樣的溶蝕才能，而實(shí)踐條件下污泥固化土的浸透性十分低，如何將試
驗(yàn)室所得出的數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)停止聯(lián)絡(luò)有待于進(jìn)一步的開(kāi)掘。
(3) 采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)辦法研討環(huán)境敏感要素對(duì)巖土體臨時(shí)資料功能的影響，為巖土體長(zhǎng)
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