市政污泥的化学调理和真空预压联合作用固结机理及应用

发布时间：2017-05-25 05:09

  本文关键词：市政污泥的化学调理和真空预压联合作用固结机理及应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前我国大中城市周边均存在数量众多的污泥填埋库,每年污泥填埋量高达数十万吨,开始面临无地可填的困境。对填埋库污泥进行原位减量处置,可大幅提高填埋土体使用效率,同时可消除污泥库安全隐患。本文提出采用“化学调理联合真空预压”方法对填埋污泥进行减量处理,由于这一处理方法尚属首例,目前尚缺乏可以参考的设计分析方法和工程实例。本文通过单元体试验、模型试验、现场试验、数值模拟等手段,系统研究市政污泥水分存在形式及转化规律,调理污泥排水固结特性,调理污泥在真空预压过程中沉降、强度变化规律、负压传递特性及低渗透层控制措施,并提出适用于污泥真空预压的设计分析方法和施工工艺。本文主要工作和相应研究成果如下：(1)提出基于土水势来构建市政污泥水分分布的方法,通过渗析法和相对湿度法联合测试市政污泥的土水特征曲线,进而获得污泥水分结合能与含水量关系。相对于传统的膨胀计法和热重差热分析方法,该方法测试过程中试样结构变化小,可以构建结合能小于1kJ/kg的试验段。根据土壤科学中不同形式水分划分方法及对应的土水势特征点,得到本文研究污泥试样中强结合水、弱结合水、毛细水、自由水含量分别为污泥干基的73%、167%、400%、220%。经过固结压缩作用(2.5kPa),污泥试样中强结合水含量基本不变,弱结合水、毛细水、重力水均有不同程度减小,且毛细水含量降低最多。化学调理作用后,污泥试样中重力水含量增加,强结合水含量基本不变。(2)通过固结试验、抽滤试验研究了不同化学调理组合对填埋污泥固结特性、抽滤特性的影响。试验结果表明：调理剂氯化铁能有效改善国内4种不同来源污泥的固结排水特性。未调理污泥的固结系数在10-5cm2/s量级,化学调理后污泥的固结系数显著提高；添加10%氯化铁后,污泥固结系数提高约3-5.3倍,其值为3.9×10-5cm2/s-5.3×10-5cm2/s范围内。根据固结试验和抽滤试验结果,建立污泥固结系数和比阻的关系。氯化铁调理后,污泥zeta电位减小、絮体与水分结合能力降低,是其渗透性提高的主要原因；环境扫描电镜试验结果表明,添加氯化铁后污泥絮体结构变得致密。(3)通过模型试验研究真空预压技术处理未调理市政污泥的效果和可行性。结果表明,真空预压技术可实现市政污泥的初步减量和形成初始强度,但由于市政污泥的排水固结特性较差,总体减量效果仍有待改善。真空预压过程中,排水板附近区域污泥含水量、渗透系数降低显著,会阻碍离排水板较远处污泥的排水固结。减少排水板间距及二次插板能提高污泥减量处理效果。(4)提出“化学调理联合真空预压”方法处理市政污泥,为验证该方法的适用性,开展中试试验和现场试验,研究调理污泥在真空预压过程中材料及工艺参数、污泥沉降变化规律、负压传递特性。试验结果表明提出的方法可有效对污泥实施减量。中试试验(污泥库3m深,18m2)经过68天真空预压,调理污泥减量47.5%；现场试验(污泥库平均7m深,4300m2)经过114天真空预压,调理污泥减量40%。现场试验中真空荷载沿排水板竖向没有出现衰减,即便在排水板发生较大沉降变形(2.91m)。污泥中孔庄相对于静水压力没有减小,这与污泥类高含水量土体的固结特性有关。整体式塑料排水板在污泥真空预压试验中表现出良好性能：芯板在大变形后保持完整,滤膜能抵御化学腐蚀环境,板体能有效传递真空荷载至污泥库底(最大深度为8m)。(5)编制了大变形非线性竖井固结数值分析程序,采用程序对污泥真空预压模型试验、中试试验和现场试验进行数值模拟,并将数值模拟结果与实测结果进行比较分析。结果表明：基于自由应变和等应变的的模拟结果均不理想；自由应变模拟沉降远小于实测沉降,等应变模拟沉降高于实测沉降。因此提出考虑排水板周围低渗透层的简化分析方法,假定排水板周围低渗透层在预压后快速形成,其半径rs为排水板等效半径rw的3倍(rs/rw=3),低渗透层内污泥初始渗透系数ks/kh=1/10-1/40,采用这一分析方法计算沉降与实测沉降吻合较好。污泥在真空预压过程中,基于孔压固结度Up远小于基于位移固结度Us。因此推荐采用有效应力法计算污泥在真空预压过程中的强度增长,污泥层平均有效应力根据污泥层沉降(平均含水量)得到,该方法可描述污泥层强度随应变的非线性增长过程。(6)采用真空抽滤柱体试验,研究滤膜孔径和滤膜周围一定区域污泥调理方案对真空预压过程中低渗透层的控制效果。试验结果表明,在排水板滤膜周围一定区域(5cm)采用氯化铁、氧化钙和粉煤灰的调理组合能够控制低渗透层的形成。在本文研究滤膜范围内,增大滤膜孔径对控制调理污泥低渗透层的效果不理想。
【关键词】：市政污泥 减量处理 水分分布 水分转化 真空预压 化学调理 负压传递 数值模拟 低渗透层控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TU472.33
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 1 绪论18-44
• 1.1 市政污泥的填埋处置18-22
• 1.1.1 市政污泥产生及处置18-20
• 1.1.2 市政污泥填埋处置20-22
• 1.2 污泥的调质改性技术22-24
• 1.2.1 物理调理技术22
• 1.2.2 化学调理技术22-23
• 1.2.3 生物调理技术23
• 1.2.4 污泥调理与脱水特性指标23-24
• 1.3 现有填埋污泥减量处理技术24-27
• 1.3.1 机械深度脱水技术24-25
• 1.3.2 电动脱水技术25-26
• 1.3.3 土工管袋技术26-27
• 1.4 污泥水分存在形式及其测试27-32
• 1.4.1 污泥水分存在形式划分27-28
• 1.4.2 现有污泥水分存在形式测试方法28-30
• 1.4.3 污泥水分分布曲线及其构建方法30-31
• 1.4.4 污泥水分分布与污泥调理31-32
• 1.4.5 污泥水分分布与土水势32
• 1.5 市政污泥的土力学性质32-36
• 1.6 超软土(泥)真空预压处理的研究现状36-40
• 1.6.1 软土、超软土真空预压处理技术及其发展36-37
• 1.6.2 真空预压处理超软土负压沿排水体传递特性37-38
• 1.6.3 真空预压处理超软土低渗透层的形成38
• 1.6.4 真空预压处理土体的设计计算理论38-40
• 1.7 本文的主要研究内容及技术路线40-44
• 1.7.1 本文主要研究内容40-41
• 1.7.2 本文研究技术路线41-44
• 2 市政污泥水分存在形式及其测试44-68
• 2.1 引言44-45
• 2.2 基于膨胀计法的污泥水分存在形式测试45-49
• 2.2.1 试验原理45-46
• 2.2.2 材料和试验装置46-47
• 2.2.3 试验方法47
• 2.2.4 试验方案47
• 2.2.5 膨胀计标定、装置可靠性验证47-48
• 2.2.6 试验结果与分析48-49
• 2.3 基于热重差热分析的污泥水分分布测试49-53
• 2.3.1 试验原理49
• 2.3.2 试验材料与方法49-50
• 2.3.3 试验结果与分析50-53
• 2.4 基于土水势的污泥水分分布测试方法的提出及验证53-66
• 2.4.1 理论基础53-55
• 2.4.2 试验材料和方法55-58
• 2.4.3 试验方案58-59
• 2.4.4 试验结果及分析59-64
• 2.4.5 污泥中不同形式水分64-65
• 2.4.6 污泥水分分布与机械脱水程度65-66
• 2.5 污泥水分分布与微观结构66-67
• 2.6 本章小结67-68
• 3 化学调理对污泥排水固结特性的影响68-86
• 3.1 引言68-69
• 3.2 试验材料和方案69-73
• 3.2.1 试验材料69
• 3.2.2 化学调理组合69-70
• 3.2.3 试验方案70-73
• 3.3 试验结果及分析73-82
• 3.3.1 化学调理后污泥zeta电位、粒径及微观结构73-76
• 3.3.2 化学调理对污泥比阻影响规律76-79
• 3.3.3 化学调理对污泥固结特性影响规律79-82
• 3.4 化学调理作用对不同来源污泥排水固结特性的适用性82-84
• 3.5 本章小结84-86
• 4 未调理市政污泥室内真空预压模型试验86-102
• 4.1 引言86-87
• 4.2 试验材料与方法87-91
• 4.2.1 试验材料87
• 4.2.2 试验装置87-88
• 4.2.3 试验方案88-91
• 4.3 真空预压模型试验(V-1)结果与分析91-93
• 4.3.1 孔压发展规律91
• 4.3.2 排水固结和沉降发展规律91-92
• 4.3.3 加固后含水量92-93
• 4.4 真空预压联合堆载模型试验(VS-1)结果与分析93-100
• 4.4.1 预压阶段试验结果93-96
• 4.4.2 联合堆载阶段试验结果96-100
• 4.5 本章小结100-102
• 5 调理污泥真空预压中试试验及现场试验102-124
• 5.1 引言102-103
• 5.2 调理污泥真空预压中试试验103-110
• 5.2.1 场地介绍及材料103-105
• 5.2.2 试验方法及测试105-106
• 5.2.3 试验结果及分析106-110
• 5.3 调理污泥真空预压现场试验110-122
• 5.3.1 场地及材料110-111
• 5.3.2 试验方法及现场测试111-115
• 5.3.3 试验结果及分析115-120
• 5.3.4 真空荷载沿排水板和污泥传递特性120-122
• 5.4 本章小结122-124
• 6 市政污泥真空预压数值模拟124-158
• 6.1 引言124-125
• 6.2 大变形非线性竖井固结理论及数值模型125-131
• 6.2.1 模型及控制方程125-126
• 6.2.2 数值模型网格及基本尺寸126-128
• 6.2.3 固结特性参数128-129
• 6.2.4 应力、孔压、渗流、沉降、固结度129-131
• 6.2.5 时间步和变形模式131
• 6.3 数值模型验证131-137
• 6.3.1 与Barron解答比较132-133
• 6.3.2 与非线性小变形理论比较133-134
• 6.3.3 等应变与自由应变比较分析134-137
• 6.4 上海污泥真空预压模型试验数值模拟及分析137-147
• 6.4.1 数值模拟输入参数137-139
• 6.4.2 模拟结果及分析139-145
• 6.4.3 考虑相对低渗透层的模拟分析145-147
• 6.5 成都调理污泥真空预压中试及现场试验数值模拟及分析147-152
• 6.5.1 数值模拟输入参数147-150
• 6.5.2 模拟结果分析150-151
• 6.5.3 考虑相对低渗透层的数值模拟151-152
• 6.6 污泥真空预压过程中强度增长规律及计算152-156
• 6.6.1 软土真空预压过程中强度增长计算153
• 6.6.2 污泥真空预压过程中强度增长计算153-156
• 6.7 本章小结156-158
• 7 调理污泥真空预压过程中低渗透层控制探讨158-168
• 7.1 引言158-159
• 7.2 试验材料及方法159-162
• 7.2.1 试验材料159
• 7.2.2 试验装置159-160
• 7.2.3 试验方案160-161
• 7.2.4 试验方法161-162
• 7.3 试验结果及分析162-166
• 7.3.1 滤膜周围不同调理方案162-165
• 7.3.2 不同滤膜孔径165-166
• 7.4 本章小结166-168
• 8 填埋污泥原位化学调理及真空预压设计方法、施工工艺168-196
• 8.1 引言168-169
• 8.2 填埋污泥原位化学调理及真空预压施工工艺169-174
• 8.2.1 污泥理化性质测试及最佳调理剂遴选169-170
• 8.2.2 原位化学调理工艺及参数170-173
• 8.2.3 原位真空预压工艺173-174
• 8.3 填埋污泥原位真空预压设计计算方法174-176
• 8.3.1 填埋污泥真空预压固结沉降计算174-175
• 8.3.2 填埋污泥真空预压过程中强度增长计算175-176
• 8.4 工程案例分析176-193
• 8.4.1 工程概况176-178
• 8.4.2 数值计算基本参数178-182
• 8.4.3 固结减量计算及分析182-189
• 8.4.4 垃圾堆填稳定性分析189-192
• 8.4.5 经济性分析192-193
• 8.5 本章小结193-196
• 9 结论与进一步研究建议196-200
• 9.1 本文主要工作196
• 9.2 本文主要结论196-198
• 9.3 进一步研究建议198-200
• 参考文献200-214
• 作者简历及学术成果214

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈环;;真空预压法机理研究十年[J];港口工程;1991年04期

2 陈柏校;张辰;王国华;来巧红;徐禹华;孙晓;;污泥深度脱水工艺在杭州七格污水处理厂的应用[J];中国给水排水;2011年08期

3 莫卫松;王学闯;;污泥化学调理的研究进展[J];广州化工;2008年02期

4 宋晶;王清;张鹏;江小亮;;高黏性吹填土固结过程中细颗粒迁移规律研究[J];工程地质学报;2012年06期

5 刘欢;李亚林;时亚飞;李野;何姝;杨家宽;;无机复合调理剂对污泥脱水性能的影响[J];环境化学;2011年11期

6 周源;高玉峰;陶辉;;疏浚淤泥中的拱架结构防淤堵机理[J];土木建筑与环境工程;2010年02期

7 李兵,尹庆美,张华,石磊,赵由才;污泥的处理处置方法与资源化[J];安全与环境工程;2004年04期

8 陈婉如;龚丽芳;陈繁忠;马迎辉;叶挺进;李益洪;;城市污水厂污泥深度脱水中试研究[J];环境工程;2013年S1期

9 唐彤芝;黄家青;关云飞;陈海波;程万钊;;真空预压加固吹填淤泥土现场试验研究[J];水运工程;2010年04期

10 董志良;张功新;李燕;胡珩;罗彦;;大面积围海造陆创新技术及工程实践[J];水运工程;2010年10期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 张春雷;基于水分转化模型的淤泥固化机理研究[D];河海大学;2007年

2 邓岳保;竖井地基固结解析理论与有限元分析[D];浙江大学;2013年

  本文关键词：市政污泥的化学调理和真空预压联合作用固结机理及应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：392772