以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料的制作方法

专利名称：以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料的组成。属于污水厂污泥的资源化领域。
背景技术：
目前，由于城市的发展和城市规模的不断扩大，我国每年的城市生活垃圾收集清运量达1.5亿吨，而且正在不断增加。这些垃圾的出路主要是卫生填埋。生活垃圾填埋场在按照卫生填埋工艺标准进行作业时，需要大量的覆盖材料对垃圾表面进行及时覆盖，以避免垃圾与环境的直接接触，减少地表水的渗入，避免填埋气体无控制地向外扩散，减轻感观上的厌恶感，避免为小动物或细菌提供孳生的场所，便于填埋场作业设备和车辆的行驶，同时为植被的生长提供土壤。日覆盖要求确保填埋层的稳定同时不阻碍垃圾的生物分解，因而要求覆盖材料具有良好的通气性能，较低的渗透性能。一般选用砂质土、粘土等材料，覆盖厚度为15cm左右。在进行每日覆盖前要把垃圾直接压实，形成平坦的垃圾面，便于覆盖及有关运行。在填埋区扩展延伸时，顶部和斜坡也要覆盖，以防止垃圾到处飞扬。一般情况下，每个作业面在一天工作结束时都应及时覆盖。填埋场覆盖材料的用量与垃圾填埋量的关系一般为1∶4或1∶3(其中日覆盖一般按填埋垃圾总体积的12～15％计算)，按照这个比例以及全国每年生活垃圾的产量来计算，填埋场覆盖材料的需求量是非常巨大的。但是，包括上海老港废物处置场在内的国内众多垃圾填埋场的现实情况是周边难以找到可以满足覆盖层要求的大量土壤表土，或者填埋场所在地根本不允许开采珍贵的泥土资源。例如，虽然上海市并不缺乏粘土资源(浦东新区就普遍分布着一层表层粘性土，厚度为1.0～3.0m)，但上海是一个国际化大都市，土地资源非常珍贵，征地开挖是根本不现实的。而且就在前不久，上海市政府颁发了一项禁止使用和制造粘土砖的地方性法规，其宗旨就是为了保护珍贵的土地资源，征地开挖获取填埋场覆盖材料显然也有违这一法规的精神。为此，上海老港填埋场自1991年建成使用以来，曾尝试用海滩淤泥和三林塘堆肥作为覆盖替代材料，结果都不大理想。因而找到合适的符合国家标准所规定的与砂质土、粘土性能相同的替代材料是解决覆盖材料缺乏问题的关键。

发明内容
本发明的目的在于公开一种生物垃圾填埋场进行日覆盖的替代材料，这种材料具有的流变性，承压强度，抗剪性能等特性都与国家标准规定的砂质土、粘土性能相同，而且价格低廉、投资省、运行维护费用低、来源有保证。
为了达到上述目的，发明人在对污水厂污泥和矿化垃圾的长期研究中发现随着我国污水排放量和污水处理率的同步提高，污水厂污泥的排放量近年在急速增加，但污水厂污泥的最终出路到目前为止仍未能得到彻底解决。经过重力浓缩、机械脱水后的污水厂污泥，由于其含水率高(75～85％)，有恶臭气味，流变性明显，承压能力差(小于10kPa)，抗剪强度小，遇水浸泡后呈膨润持水性，表面感官观瞻性差而无法使用。必须找到一种物质，改变污泥的上述特性，才能成为生活垃圾填埋场日覆盖物的替代材料。这种物质就是填埋了8～10年后，已基本上实现了无害化和稳定化的矿化垃圾。因为矿化垃圾含水率低，有机质含量也低，可自然晾干而不产生渗滤水，无气味或具有轻微的泥土芳香味，色浅，外观特征类似于腐殖质，呈微颗粒状，质地疏松，具有无数极微孔隙，所以具有很大的表面积。在污泥中掺入矿化垃圾这种细料后可以降低污泥的含水率和有机质含量，能有效削弱污泥的流变性和膨润持水性，提高污泥的承压能力和抗剪强度，改善污泥的表面观瞻性，降低污泥的臭度，使污泥在强度、卫生条件和观瞻性等三个方面都能满足填埋场日覆盖的要求。
基于上述理论依据，发明人经过长期试验，找到了污泥和矿化垃圾的混合比例，获得了符合生活垃圾填埋场日覆盖材料的要求流变性和膨润持水性，承压能力和抗剪强度都符合填埋技术规范的粘土性能，可以替代现有的砂质土、粘土等材料的日覆盖材料由10份上述污泥中掺入2～7份重量的矿化垃圾组成，其中10份污泥中掺入5～7份矿化垃圾组成的日覆盖材料的含水率在60～62％、流变性和膨润持水性，承压能力和抗剪强度，满足直接进行日覆盖材料的要求，可以直接使用。10份污泥中掺入2～5份矿化垃圾均匀混合后组成的日覆盖材料，需要再经过翻堆周期为1-2天，堆置时间为4～6天(依据天气、气温的不同而不同)的预处理后，达到含水率在60-62％、流变性和膨润持水性，承压能力和抗剪强度，再应用。
本发明的优点和效果如下1.由于污泥中加入了矿化垃圾，使本发明的材料的含水率从75～85％降为62.3％或以下，流变性降低和承压强度提高到可以承受现场作业时推土机对地面的压强(0.54kgf/cm2合52.92kPa)，因此，保证了现场作业的安全性。
2.由于本发明将矿化垃圾掺入污泥后内聚力＝1.76kPa，内摩擦角＝6.5°时，与水电部《碾压土石坝设计规范》(SDJ218-84)和交通部《港口工程技术规范》的相关规定比较，安全系数大于1.3，因此用于日覆盖是安全的。
3.由于矿化垃圾掺入后伴随的含水率的降低能有效消除水膜，提高污泥颗粒、污泥颗粒与矿化垃圾颗粒之间的基质吸力，污泥中存在的大量具有胶结作用的有机质，在含水率降低后，也能起到一种类似于高分子混凝剂的吸附搭桥作用，从而使污泥的抗剪性能进一步得到提高。
4.由于矿化垃圾多孔疏松的特点，在生物吸附作用和矿化垃圾中经过其长时间的驯化后的微生物作用，使污泥的恶臭减弱到刚刚能确认臭味种类的程度，即经测量污泥的臭度可以从5降低到2。
5.由于将污泥改性所需的矿化垃圾原本就取自于填埋场，相对于现有技术中应用外来土壤作为日覆盖材料来说，可认为其不占用或基本不占用填埋空间，因此投资省、运行维护费用低、来源有保证。
6.本发明将矿化垃圾-污泥混合材料作为生活垃圾填埋场日覆盖材料，解决了污泥的处理与处置这个涉及环境和经济难题，因此不光实用，而且具有可贵的经济效益和社会效益。
具体实施方法实施例1本发明的承压性能与临界流变含水率的测量，采用的是土力学试验所用的直剪预压仪进行改造的仪器。在土力学中，室内压缩试验采用的常用仪器为室内侧限压缩仪(又称固结仪)，但该仪器考查的对象是试验材料在完全侧限条件下的压缩性指标，无法表征本发明材料的流变特性，也无法模拟试验材料在现场被压实的现象。因此，在借鉴土体现场荷载试验方法的基础上，对土力学试验所用的直剪预压仪进行改造由透水石；钢杯；支座；砝码托盘；悬臂；透水石挂钩；活动连接轴；立柱；调节横杆构成。取200ml装满不同掺入比的本发明材料的钢杯(杯深9cm左右)12个置于左侧，钢杯内的材料上压上与悬臂连接的透水石，悬臂与立柱活动连接，悬臂右侧挂砝码托盘，托盘中放上相应压强对应的砝码施加荷载，分别对每种材料施加50kPa和100kPa的荷载，观察它们在相应压强作用下静置10min后是否有流变现象发生如果透水石周围(即透水石与钢杯之间)的实验材料有明显的竖向挤出、隆起甚至明显流动等现象；或者施加荷载后，透水石的沉降速率过大；或者沉降量过大(在沉降稳定后钢杯的杯底压实层厚度小于初试厚度的1/3)；或者在某级荷载下，10分钟后仍不能达到稳定压实状态；或者陈降不均匀，透水石出现严重倾斜，将实验结果记录于表1。为避免偶然误差带来的影响，以上实验平行进行了三次。
表1 不同比例的污泥-矿化垃圾混合材料的无侧限承压

从表1中可见污泥-矿化垃圾按10∶5以上混合，在100kPa下被缓慢压缩，杯底压实层的厚度军大于1/3，无明显流变现象发生，可以认定在现场作业是安全的。10∶3在50kPa下，部分被挤出后稳定，而10∶1基本无法承压。
在10份污泥中掺入2～7份重量的矿化垃圾后。分别取相同混合比例的四个样品在不同的垂直压力(14.6kPa，28.7kPa，35.8kPa和50kPa)作直接剪切试验，剪切速率控制在0.8mm/min，使试样在3～5分钟内剪坏，其结果见表2。同时，剪切后余下的样品测含水率，以作为精确控制的含水量。用快剪实验的目的是考核将本发明的以污泥为基的混合材料作为日覆盖材料后堆体的覆盖之初的边坡稳定性程度。而固结快剪实验的目的是考核将本发明的以污泥为基的混合材料作为日覆盖材料堆体施工完成后污泥已经被压实后的边坡稳定性程度。
表2 污泥10份矿化垃圾2～7份的快剪实验抗剪强度 单位kPa

从表2中可知在10份污泥中掺入2～4份重量的矿化垃圾后，在不同的垂直压力(14.6kPa，28.7kPa，35.8kPa和50kPa)作直接剪切，其抗剪强度非常接近，由于所有实验均为平行实验的平均值，可以排除偶然现象后发现2～4份比例的低混合没有随比例提高而得到明显增强，在50kPa下均发生流变，从剪切仪样品糟中挤出，因此所得的50kPa下的抗剪强度值可靠性不高，但这也恰恰从另一个方面说明了流变特性与污泥的抗剪性能也有一定关系，抗剪强度低时污泥的承压能力也不高。对于几个较高混合比例的样品，即混合比例(污泥∶矿化垃圾)为10∶5、10∶6和10∶7时，其在各个垂直压力下的抗剪强度均为上述低混合比例样品在相应垂直压力下的抗剪强度的2～4倍，而且此时污泥没有发生流变，因此可以认为10∶5时污泥的抗剪强度(7.7kPa)就是污泥发生流变的临界抗剪强度值，该数值也可以作为现场污泥是否可应用作为覆盖材料的检测标准参考值之一。
臭度实验选取了混合比例分别为10∶1、10∶2、10∶3、10∶4、10∶5、10∶6和10∶7七个污泥和矿化垃圾混合试样，然后由三名实验研究者分别采用嗅觉法按照表3进行臭度评价后，取各人的给出数值的平均值作为相应混合比例的试样的臭度，记录入表3中。
表3 污泥-矿化垃圾的臭度与混合比例的关系

按照摩尔-库仑破坏准则整理实验数据，求得不同混合比例的污泥-矿化垃圾混合材料的内聚力c和内摩擦角φ，如表4所示。可以看到，污泥-矿化垃圾混合材料的内聚力和内摩擦角都随着矿化垃圾掺入比例的增加而呈着上升趋势。
表4 污泥10份矿化垃圾2-7份的的内聚力与内摩擦角

实施例2
本次现场应用的时间为2004年8月10日，地点为上海市废弃物老港处置场49号填埋单元。现场应用所用的污水厂污泥运自上海市白龙港水质净化厂污泥脱水车间，矿化垃圾取自上海市老港填埋场矿化垃圾分选车间，混合设备为挖掘机。现场应用选取了四个混合比例(污泥∶矿化垃圾)，依次为10∶0、10∶3、10∶5、10∶10，用挖掘机将其均匀混合后自西向东依次铺设于压实后的垃圾堆体表面并压实，铺设厚度为40cm左右，压实后厚度依次为2～5cm、13～14cm、15～17cm、19～21cm。混合时间为15min，力争使矿化垃圾能均匀分布于污泥中。通过压实层厚度可以分析得出没有掺入矿化垃圾的污泥(10∶0)根本不能承压，在挖掘机行走时，其履带下的污泥已基本全部发生流变。在试验中记录下了有关实验数据和试验中发生的一些现象，如表5所示。
表5 老港填埋场现场应用数据记录表

从上表可以得知矿化垃圾的掺入确实明显改善了污水厂污泥的力学性质，掺入50％重量比的矿化垃圾即可保证污泥成为合格的日覆盖材料，能满足承压、边坡稳定和卫生条件等要求。
实验中还布置了捕蝇笼以测定现场的蝇密度I，但发现由于填埋场背景臭度较好，且污泥本身对苍蝇也有一定吸引力，因此捕蝇笼捕蝇的效果并不好，因此实验途中又立刻补充了目测蝇密度数据，即蝇密度II。
从表5可以得出，白龙港污水厂污泥掺入50％重量比的矿化垃圾后可以作为生活垃圾填埋场的日覆盖材料，且安全性较高，卫生条件也能合格，铺设40cm后经压实其厚度可达15～21cm，能满足日覆盖的需要。而在该污泥中掺入100％重量比的矿化垃圾后，承压性能、安全性和卫生条件更好，但与掺入50％相比较提高不大，因此从经济性出发，以掺50％为宜。
现场铺设、压实工作完成，为考查覆盖材料对恶劣天气的抵抗能力，试验中有选择性地进行了一段时间的监测。监测取样的时间和原因如表6所示。
表6 第二次现场试验后期监测时间表

表7 第二次现场试验后期监测数据表I 监测时间8月12日

从表7可以看到，8月11日晚的雷阵雨并没有给覆盖材料带来很大影响，经过一天的日晒，各个混合比例的覆盖材料的含水率都有了一定下降，虽然可能降水会使覆盖材料的含水率再度上升，但在8月12日上午9时，欣慰地看到所有混合比例的覆盖材料的含水率都没有超过初始的含水率，且臭度、蝇密度都有一定降低。
表8 第二次现场试验后期监测数据表II监测时间8月13日

从表8可以看到，8月12日晚的云娜台风带来的充足雨水使没有掺入矿化垃圾的纯污泥覆盖材料的含水率急剧上升，承压能力也较覆盖之初更差，无论是机械还是实验人员都已经不能进入该覆盖区，因此该样品的取样也是在其边缘区域完成。而掺入矿化垃圾较多的其他覆盖区域则没有发生这种现象，它们的含水率在经历8月12日一天的风吹日晒后较8月11日更低，虽然云娜带来的丰富降水肯定使覆盖材料的含水率再度上升，但在8月13日上午9时，观察到混合比例为3∶10、5∶10和10∶10的三个覆盖区域的含水率都没有超过初始的含水率，臭度、蝇密度也都有一定降低。
表9 第二次现场试验后期监测数据表III监测时间8月19日

云娜台风过后，天气一直保持晴朗且高温，因此在现场可以观察到各个混合比例的覆盖区域，其表面均已干化开裂，其中以没有掺入矿化垃圾的纯污泥覆盖区域最为明显。纯污泥覆盖区域的裂缝长而宽，原本平整的表面在日晒后呈现一片“土地干旱”的局面，但将其表面约5cm厚度的干污泥剥离后，内部仍然呈深黑色，散发着恶臭，而其他覆盖区域此时臭度已大大降低，因此其蝇密度比初始铺设时反而高得多。
此时还发现掺入矿化垃圾的重量比为5∶10和10∶10的两个覆盖区域下还出现了土体温度明显高于周边环境的现象，且表面有白色霉菌长出，其VM数据也有了一定下降，估计生物发酵已起了一定作用，因此取样进行了膨润持水性实验。考虑到从老港带回的样品数量有限，仅选取了实验二，即浸泡实验，实验数据如表10所示。
表10 第二次现场试验后期监测样品膨润持水性实验

在这里可以很容易发现纯污泥覆盖层在铺设8d后其膨润持水性依然存在，即其在暴雨天气只要表面干化壳被浸透后内部含水率即会急剧上升，其最终的含水率甚至要超过原本从污水厂脱水车间出来时的含水率。而其余掺入了矿化垃圾的各个覆盖区域的样品则在过量水浸泡后，含水率也仅微微上升，不影响其整体结构的强度，只要在雨天后天气返晴或在风力较大的情况下其含水率又会马上下降，无需担心发生填埋场一片泥泞的现象。
表11 第二次现场试验后期监测数据表IV监测时间8月23日

经过8月22日南汇区超过50mm的降雨，纯污泥覆盖区域的含水率高达68.5％，而其他掺入了矿化垃圾的三个覆盖区域的含水率则保持在40％以下，对于覆盖层来说，这个含水率是允许的。由于刚降雨不久，填埋场内部没有覆盖的区域到处都是积水，因此将未覆盖的垃圾堆体表面的承压能力、臭度和蝇密度以及泥土覆盖表面的承压能力、臭度和蝇密度也记载入了表11。可以看出，纯污泥覆盖区域的蝇密度要低于裸露垃圾堆体表面的蝇密度，这说明即使是污泥覆盖对卫生条件也是有改善的，当然20～25只/m2应该也是不令人满意的。而泥土覆盖表面的蝇密度与几个矿化垃圾-污泥覆盖区域的蝇密度相差不大，甚至非常接近，这对本研究来说是一个好消息。但也注意到，由于污泥的存在，这些覆盖区域很难做到跟泥土一样的平整，同时污泥干化后形成的窟窿、小洞必然会给苍蝇的繁殖带来有利条件，从这个角度出发，矿化垃圾-污泥覆盖层还是不能与泥土覆盖层相比的。从承压方面来看，似乎矿化垃圾-污泥覆盖层却略占优势泥土覆盖层在暴雨后结构松散，颗粒间结合力不大，尤其在一些边坡地带有松垮现象发生；相反硬度极大的干污泥即使在雨天其含水率也变化不大，边坡强度也比较高，需要用较大的作用力才能使其松垮。同时，还在现场观测到泥土覆盖区域低洼地带有雨水残留，而矿化垃圾-污泥覆盖区域内很少看到积水，这应该是污泥干化后的多孔结构让雨水能够下渗的结果。
权利要求
1.以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料，其特征在于由10份重量的污泥和掺入其中的2～7份重量的矿化垃圾组成；污泥为含水率高达75～85％、承压能力小于10kPa、有恶臭气味、流变性明显、抗剪强度小、遇水浸泡后呈膨润持水性、表面感官差而无法使用的污水厂污泥；矿化垃圾为填埋了8～10年后，已基本上实现了无害化和稳定化的矿化垃圾。
2.根据权利要求1所述的以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料，其特征在于所述的矿化垃圾的掺入量为10份重量的污泥中有5～7份重量时，直接作为生活垃圾填埋场日覆盖材料进行铺摊使用。
3.根据权利要求1所述的以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料，其特征在于所述的矿化垃圾的掺入量为10份重量污泥中有2～5份重量时，必须经过翻堆周期为1-2天，堆置时间为4～6天的预处理后，使含水率降到60-62％后再应用。
全文摘要
以污泥为基的生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料，涉及一种生活垃圾填埋场用的日覆盖层材料的组成。由10份重量的污泥和掺入其中的2～7份重量的矿化垃圾组成，掺入比例为10∶5～7时直接使用；10∶2～5时须经翻堆预处理后再用。污泥为含水率75～85％、承压能力小于10KPa、有恶臭气味、流变性明显、抗剪强度小、遇水浸泡后呈膨润持水性、表面感官差的污水厂污泥；矿化垃圾为填埋了8～10年后已基本无害化和稳定化的矿化垃圾。本发明的材料在50KPa垂直压力下的流变临界含水率为62％；且膨润持水性、承压强度、抗剪性能等特性达到或接近粘土性能，因此保证了现场作业的安全性；臭度从5降低到2；投资省；运行维护费用低；来源有保证；具有可贵的经济和社会效益。
文档编号C02F11/00GK1807331SQ200510112388
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者赵由才, 张善发, 陈华, 黄仁华, 唐圣钧, 牛冬杰, 张华 , 柴晓利, 徐勤 申请人:同济大学