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冻融循环作用下城市污泥固化土三维力学特性及其破坏准则

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岩土力学 2021年第4期42卷 963-975页

作者：杨爱武徐彩丽郎瑞卿王韬东华大学环境科学与工程学院上海201620 天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384

为了研究城市污泥固化土在经过不同冻融循环次数后的强度和变形特性,通过真三轴试验,对CJYT-1型固化剂固化的污泥土进行了试验研究。得到了在经过冻融循环次数N=0、1、3、5、8、10后的应力-应变关系曲线及强度和变形特性,并分析研究污... 详细信息

为了研究城市污泥固化土在经过不同冻融循环次数后的强度和变形特性,通过真三轴试验,对CJYT-1型固化剂固化的污泥土进行了试验研究。得到了在经过冻融循环次数N=0、1、3、5、8、10后的应力-应变关系曲线及强度和变形特性,并分析研究污泥固化土的中主应力比b及冻融循环次数N对土体强度参数的影响。试验结果表明:冻融循环试验中,污泥固化土的无侧限抗压强度及密度都随冻融循环次数的增加而逐渐减小,在8次循环后变化减缓趋于稳定;黏聚力c’b代及内摩擦角φ’b都表现为随b增大而增大,与b=0相比,b=1时c’1、φ’1/增长率最大分别可达16.77%和12.3%;随着冻融循环次数N的增加,土体的破坏强度逐渐减小,破坏应力比Mb总体呈减小的趋势,试样剪胀现象变化不明显,黏聚力c’b代和内摩擦角φ’b随着冻融循环次数N的增大而减小。基于Lade-Duncan及Matsuoka-Nakai两个常用破坏准则,结合污泥固化土真三轴试验数据,提出并验证了适用于污泥固化土的破坏准则,并根据该准则的φ’b-b关系曲线分析了b值对其的影响。对比提出的破坏准则、Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai破坏准则,试验结果更趋近于新提出的破坏准则。

关键词：冻融循环污泥固化三维力学特性应力-应变关系破坏准则

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污泥固化结实体的微观结构与宏观力学特性

污泥固化结实体的微观结构与宏观力学特性

作者：陈威武汉轻工大学

学位级别：硕士

污泥作为城市污水处理过程所产生的副产物,如果不经过恰当的处置进入环境后,会带来二次污染,对人类活动构成严重威胁。为解决污泥传统固化方法中存在的固化效果差、固化成本高和固化强度低等问题,在水泥固化的基础上,结合骨架构建原理,... 详细信息

污泥作为城市污水处理过程所产生的副产物,如果不经过恰当的处置进入环境后,会带来二次污染,对人类活动构成严重威胁。为解决污泥传统固化方法中存在的固化效果差、固化成本高和固化强度低等问题,在水泥固化的基础上,结合骨架构建原理,添加煤矸石作为骨架材料,粘土和纤维作为辅助固化材料对市政污泥进行固化。通过污泥固化体的收缩与开裂变形特性试验,研究不同污泥固化体在养护过程中的变形规律;通过微观结构试验,分析污泥固化过程中孔隙结构和结晶相变的演化规律;通过三轴剪切特性试验,研究污泥固化体的强度特性。本研究对污泥的无害化处理以及资源化利用进行了重要的理论研究和应用探索。基于上述研究,得出主要结论如下:(1)9种污泥固化体的收缩率都随着养护龄期的增大呈现出上升的趋势?在养护龄期为30天时,水泥加入量为0.05kg/kg,煤矸石加入量为0.1kg/kg,纤维加入量为0.001kg/kg,粘土加入量为0kg/kg的污泥固化体的径向收缩率,轴向收缩率与体积收缩率都是最大的,分别为37%,22%和50%。水泥加入量为0.1kg/kg,煤矸石加入量为0.2kg/kg,纤维加入量为0.001kg/kg,粘土加入量为0.05kg/kg的污泥固化体的开裂现象最显著,开裂因子最大,为0.033。(2)固化污泥中的二次孔随着养护龄期的增大变得越来越少,其孔分布越来越窄。随着养护龄期的增加,固化污泥试样的平均孔径减小。水泥加入量为0.15kg/kg,煤矸石加入量为0.2kg/kg,纤维加入量为0.002kg/kg,粘土加入量为0 kg/kg的污泥固化体的平均孔径最大,为13.37nm。(3)试样在养护过程中,水分的含量减少,污泥中有机质发生了变化,并且碳酸钙的含量越来越多。固化污泥试样中的物质组成与结晶相变是相似的。(4)随着养护龄期的增加,污泥固化体在围压较低的条件下应力应变曲线会慢慢从应变硬化型转变为应变软化型,但在围压较高的情况下,应力应变曲线仍然呈现出应变硬化的规律。固化污泥试样的强度,粘聚力c与内摩擦角φ都随着养护龄期的增加而增大。在第28天时,水泥加入量为0.15kg/kg,煤矸石加入量为0.15kg/kg,纤维加入量为0.001kg/kg,粘土加入量为0.1kg/kg的污泥固化体的粘聚力最大,c=55.4kPa,φ=25.7°?

关键词：污泥固化骨架构建变形特性微观结构三轴剪切

污泥固化剂的优化配制及其对污泥固化效果研究

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污泥固化剂的优化配制及其对污泥固化效果研究

作者：李紫叶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

脱水污泥抗压强度低，含水率高并且含有大量重金属和有机物。不仅会造成严重的环境和生态问题，而且直接填埋达不到强度标准（50kPa）。污泥固化技术常作为污泥填埋的前处理，经过固化处理后污泥固化体的无侧限抗压强度提高，含水率降... 详细信息

脱水污泥抗压强度低，含水率高并且含有大量重金属和有机物。不仅会造成严重的环境和生态问题，而且直接填埋达不到强度标准（50kPa）。污泥固化技术常作为污泥填埋的前处理，经过固化处理后污泥固化体的无侧限抗压强度提高，含水率降低，浸出液会减小并且处理后的固化体能比原污泥更易于处理和运输。本文研究依托江苏省宜兴市某污水处理厂脱水污泥。选择在水泥基的基准上分别添加单种骨架材料（炉渣，粉煤灰，膨润土）和两种骨架材料（炉渣+粉煤灰，炉渣+膨润土，粉煤灰+膨润土）固化污泥。以添加水泥，骨架材料添加量和养护龄期为影响因素，以固化体的无侧限抗压强度和含水率为评价指标，在此基础上选择出每种情况下的最佳配方。然而由于在实际工程中需要快速达到要求抗压强度，所以本文添加不同无机盐对所选择出的最优配方下的固化剂进行改良。研究结果表明，随着养护龄期增加，固化体的无侧限抗压强度均增加，含水率均减小。在水泥基基准上添加单种骨架材料时，膨润土对于抗压强度的提高最为明显，水泥10g+膨润土20g固化体在养护龄期为21d时的最大抗压强度可以达到1033.77kPa;粉煤灰对于含水率的降低最为明显，水泥7g+粉煤灰20g固化体在养护龄期为21d时最小含水率可以低至1.52%。在水泥基基准上添加两种骨架材料时，炉渣+膨润土对于抗压强度的提高最为明显，水泥7g+炉渣15g+膨润土20g在养护龄期21d时最大抗压强度能达到1650.13kPa;炉渣+粉煤灰对于含水率的降低最为明显，水泥10g+炉渣15g+粉煤灰20g在养护龄期21d时最小含水率可以低至3.26%。添加无机盐改良后的研究结果表明，添加无机盐能快速增加抗压强度，并能快速降低含水率，重金属的浸出率也能减小。当在水泥基基准上单独添加炉渣时，加入3g MgSO4最佳，其7d抗压强度能从0.18kPa快速增加到126.74kPa;单独添加粉煤灰时，加入1g CaCl2最佳，其7d抗压强度能从0.17kPa快速增加到72.12kPa;。当在水泥基基准上单独添加膨润土时，加入1g CaCl2最佳，其7d抗压强度能从289.57kPa增加到311.65kPa。。当在水泥基基准上添加炉渣+粉煤灰时，加入3g MgSO4最佳，其7d抗压强度能从162.96kPa增加到230.73kPa;添加炉渣+膨润土时，加入1g Al2(SO4)3最佳，其7d抗压强度能从543.03kPa快速增加到1164.50kPa;添加粉煤灰+膨润土时，加入1g MgSO4最佳，其7d抗压强度能从369.59kPa快速增加到1591.46kPa。

关键词：污泥固化无侧限抗压强度含水率重金属无机盐

新疆地区电厂脱硫石膏增强的水泥基污泥固化剂的制备及性能分析

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环境工程 2019年第3期37卷 146-151页

作者：李诗尧赵纯孙志华陈海婴张森李子晨刘焕芳石河子大学水利建筑工程学院新疆石河子832003 新疆泰元水务科技服务有限公司新疆石河子832000 重庆大学城市建设与环境工程学院重庆400044 石河子市泽众水务公司新疆石河子832000

利用水泥基和电厂废弃脱硫石膏研制适用于新疆地区经济高效污泥固化剂,采用单因素多水平和响应面分析的方法研究硅酸盐水泥、脱硫石膏、粉煤灰、过硫酸钾(KPS)的掺比和固化时间对污泥固化体无侧限抗压强度的影响,运用Design-expert优化... 详细信息

利用水泥基和电厂废弃脱硫石膏研制适用于新疆地区经济高效污泥固化剂,采用单因素多水平和响应面分析的方法研究硅酸盐水泥、脱硫石膏、粉煤灰、过硫酸钾(KPS)的掺比和固化时间对污泥固化体无侧限抗压强度的影响,运用Design-expert优化污泥固化体的无侧限抗压强度,并利用扫描电镜分析污泥固化体的微观结构。实验表明:水泥基和电厂废弃的脱硫石膏能够有效改善污泥固化体的抗压强度;当工程应用中,需要抗压强度最佳时的掺比为m(污泥)∶m(水泥)∶m(脱硫石膏)∶m(粉煤灰)∶m(KPS)=100∶3∶1∶1∶0. 5、固化时间为3 d;而需要经济最优时的掺比为m(污泥)∶m(水泥)∶m(脱硫石膏)=100∶1∶1、固化时间为7 d,处理每吨污泥的药剂成本为5～6元。

关键词：污泥固化水泥基脱硫石膏无侧限抗压强度新疆地区

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垃圾渗滤液作用下污泥固化体变形与透水规律

科学技术与工程 2018年第9期18卷 163-169页

作者：徐仕程陆海军王庚午李继祥汪为巍武汉轻工大学土木工程与建筑学院武汉430023

为了克服传统污泥固化方法中固化成本高、强度低、渗透系数高等缺点,采用骨架构建法,对煤矸石、污泥进行固化处理。通过三轴试验、低温氮气吸附-脱附试验、渗透试验检测污泥固化体的宏观力学强度特性、孔隙参数、水力传导系数。通过实... 详细信息

为了克服传统污泥固化方法中固化成本高、强度低、渗透系数高等缺点,采用骨架构建法,对煤矸石、污泥进行固化处理。通过三轴试验、低温氮气吸附-脱附试验、渗透试验检测污泥固化体的宏观力学强度特性、孔隙参数、水力传导系数。通过实验可得:经过渗滤液作用后,2、3号试样的偏应力较大,9号试样的偏应力最小。当水泥、煤矸石掺入量达到最佳混合掺入量时,试样的黏聚力较高。9号试样的滞后环分离程度较大;且各试样的孔径曲线在2~4 nm处出现叠峰。各试样的水力传导系数始终小于1×10-7cm/s。根据试验结果,从微观和宏观两个方面分析了黏土对于污泥固化体强度特性、渗透特性的影响。

关键词：污泥固化垃圾渗滤液剪切强度孔隙参数水力传导系数

地聚物基复合污泥固化剂制备及其应用于污泥资源化研究

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地聚物基复合污泥固化剂制备及其应用于污泥资源化研究

作者：李宇峰广东工业大学

学位级别：硕士

污泥是污水处理后产生的浮渣和沉淀物,具有产生量大、易发臭、脱水难等特点,需进行无害化处理和资源化利用来避免二次污染。污泥固化/稳定化是污泥处置的常见方法,主要是利用污泥固化剂将污染物固化封存。目前污泥固化剂主要以水泥胶凝... 详细信息

污泥是污水处理后产生的浮渣和沉淀物,具有产生量大、易发臭、脱水难等特点,需进行无害化处理和资源化利用来避免二次污染。污泥固化/稳定化是污泥处置的常见方法,主要是利用污泥固化剂将污染物固化封存。目前污泥固化剂主要以水泥胶凝材料为主,存在固化后抗压强度低、资源化利用率低、后期减容和二次污染问题。地聚物以“绿色水泥”著称,具有强度高、耐腐蚀等优点,被认为是最好的水泥替代品。本文以绿色节能、废物资源化利用和高效为导向,创新地对地聚物在污泥固化与污泥资源化利用方面进行了试验研究,包括地聚物制备、地聚物基复合污泥固化剂制备和污泥固化工艺、海绵城市污泥透水砖制备试验,结果如下:地聚物的制备试验结果表明,以火山石、偏高岭土和碱激发剂为原料,正交测试获得地聚物的最佳配比为灰碱比1.5、碱激发剂模数1.5、火山石20%、水灰比0.4。标准养护3天抗压强度达9MPa,中长期增幅不大显现早强、速凝和长期稳定性能方便污泥固化,火山石增加反应活性利于早强。XRD分析表明地聚物内部结构为无定形胶凝结构形态且无新晶态物质生成;FTIR分析表明存在Si-O-Si和Al-O-Si的不对称非均匀伸缩振动且向低吸收峰波数范围偏移,说明发生了地聚物反应;SEM形貌表征表明地聚物内部为类似珊瑚礁、不均匀小层状和片状物包裹成致密的层状空间结构。地聚物基复合物污泥固化剂的制备和污泥固化工艺试验结果表明,以力学性能为指标进行正交试验获得地聚物基复合物污泥固化剂的最佳配比:40%地聚物胶凝剂、15%生石灰促凝剂、10%牙科石膏产品增强剂、25%煤渣骨架材料、0.3%纳米Si O添加剂。污泥最佳掺比为62.5%,固化养护3天污泥固化体抗压强度最大为3.72MPa,养护28天抗压强度最大为15.16MPa,满足资源化利用强度要求并符合《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》(GB/HJ-2010)和《城镇污水厂污泥处置混合填埋用泥质》(GB/T23485-2009)。分别对污泥固化体进行力学稳定性测试、含水率测试、重金属毒性测试、抗浸出性能测试、污泥增容比测试、静置腐败测试和传统污泥固化剂对比实验表明地聚物基复合物污泥固化剂固化污泥是可行的并具有优良性能。污泥固化机制共有5个反应阶段。确定固化工艺二(液相碱激发剂凝固研磨成粉末+固化剂固相材料(混合1)+污泥(混合2))作为最佳现场固化工艺,固化费用为689.55元/吨。资源化利用污泥制备海绵城市污泥透水砖试验结果表明,原材料最佳配比为54.6%污泥、32.8%地聚物基复合物污泥固化剂、10.9%建筑垃圾细骨料、1.7%发泡剂,最佳制备工艺参数为干压成型制坯(30MPa)、蒸汽养护(110℃,20h)、鼓风干燥(75℃,5h)。常温养护7天可获得抗压强度30MPa、透水系数大于1.0×10cm/s的污泥透水砖,达到《透水路面砖和透水路面板》(GB/T25993―2010)B级透水系数以上,单块成本为0.82元。

关键词：污泥固化地聚物污泥固化剂资源化利用污泥透水砖

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城镇污水处理厂污水污泥固化处理试验研究

城镇污水处理厂污水污泥固化处理试验研究

作者：王宇峰长安大学

学位级别：硕士

城市污水处理厂污泥(sewage sludge)的最终处置是国内外共同面临的难题和挑战。经国内现有的污泥处理技术处理后的污泥中有机物含量高,易腐烂,有恶臭,并含有寄生虫卵、病原微生物、重金属和多种化合物质,特别是重金属的处理,无法达到卫... 详细信息

城市污水处理厂污泥(sewage sludge)的最终处置是国内外共同面临的难题和挑战。经国内现有的污泥处理技术处理后的污泥中有机物含量高,易腐烂,有恶臭,并含有寄生虫卵、病原微生物、重金属和多种化合物质,特别是重金属的处理,无法达到卫生填埋标准,重金属通常具有急性或慢性毒性,会以各种方式毒害人体,已经造成了环境污染等一系列严重的后果。因此解决好污泥处理处置问题已成为一项非常紧迫的任务。为解决我国污泥的处理处置问题,本文提出了以本地土为添加剂,用水泥固化处理污泥后用于建筑填土的思路;并开展了污泥的性质以及污泥固化体的岩土工程性质和污染物稳定性的分析研究,具体的内容包括:(1)对污泥的基本性质进行了详细的试验分析与研究,其中包括:污泥的含水率测定、比重测定、pH值、TOC、总氮、总磷、烧失量测定、化学成分测定、重金属含量测定、浸出毒性测定、热值。通过试验研究发现,污泥经污水处理厂脱水后含水率仍然很高,不加以进一步处理很难直接进行处置;污泥中重金属含量很高,且浸出毒性超过国家危险废弃物浸出毒性排放标准,不经过处理直接排放势必会对环境造成危害;污泥中有机物含量很高,干污泥中有机物含量平均达到40%左右,热值达到14000kJ/kg左右,且营养物质中氮磷的平均含量分别达到15mg/g和1.7mg/g,在资源化利用的过程中可充分利用污泥的这些特性,使之变废为宝。(2)以本地土为添加剂对污泥进行了水泥固化试验,研究发现单独投加水泥固化强度不高,且价格昂贵;在固化材料中添加一定量的本地土可大大提高固化强度,并降低固化成本;本地土的掺入量中存在一个峰值,掺入量不可超过此峰值;7天为污泥的最佳固化龄期;水泥和本地土的掺入量与固化体的增容比基本都成线性关系。(3)对污泥固化进行正交试验,研究发现影响固化体抗压强度的因素主次顺序为:水泥掺入量→本地土掺入量→污泥掺入量。综合考虑固化强度、固化费用和增容比等问题,最终确定一个较优的污泥固化方案:m(污泥):m(水泥):m(本地土)=1:0.11:0.27。(4)以污泥中常见并含量较高的重金属锌、铅浸出率作为重金属浸出能力指标,研究了本地土及水泥掺入量对固化污泥污染物稳定性的影响和宏观物理包裹对固化污泥污染物稳定作用的影响。通过研究证明了以本地土与水泥为固化剂固化处理污泥的技术在污泥的污染物控制方面是有效的。污泥的固化水平达到岩土工程性质要求的同时也能满足对污染物稳定性控制的要求。

关键词：污泥污泥固化污泥处理资源化利用重金属稳定

高铁酸钾协同秸秆纤维增强污泥固化效果及其稳定性研究

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高铁酸钾协同秸秆纤维增强污泥固化效果及其稳定性研究

作者：徐卫鑫兰州理工大学

学位级别：硕士

污泥作为污水处理的副产物,具有产量大、含水率高、有机质含量多等特点,若处理处置不当,极易造成二次污染。污泥固化/稳定化处理技术是符合我国当前经济技术水平的污泥处理处置技术之一。污泥中高有机质含量是阻碍水泥水化反应、削弱固... 详细信息

污泥作为污水处理的副产物,具有产量大、含水率高、有机质含量多等特点,若处理处置不当,极易造成二次污染。污泥固化/稳定化处理技术是符合我国当前经济技术水平的污泥处理处置技术之一。污泥中高有机质含量是阻碍水泥水化反应、削弱固化效果以及影响固化污泥长期稳定性的关键因素,这是制约该技术推广应用的关键问题。为此,本研究围绕现有污泥固化/稳定化技术中问题,以城市污水处理厂污泥为研究对象,开展高铁酸钾协同秸秆纤维增强污泥固化效果及固化污泥稳定性研究。研究了高铁酸钾协同骨架材料增强污泥固化效果。结果表明,单因素试验中发现水泥、高铁酸钾、秸秆纤维均存在一个最小掺入量,分别为10%、5%、5%。当小于该值时,固化效果不明显;当大于该值时,固化污泥无侧限抗压强度随掺量增大而增大。通过正交试验发现,高铁酸钾、秸秆纤维对无侧限抗压强度具有显著影响,且与无侧限抗压强度呈正相关,其中秸秆纤维影响最大,水泥对无侧限抗压强度不具有显著影响。理想最优条件为高铁酸钾和秸秆纤维掺量越高越好,水泥掺量保证具有胶凝效果为宜。结合实际填埋要求考虑,在无侧限抗压强度的基础上增加含水率、增容比、成本等评价指标,通过线性加权进一步优化得到最终的合适配比,结果为水泥20%、高铁酸钾10%、秸秆纤维5%,无侧限抗压强度为126.87k Pa,远超过污泥填埋强度要求(50 k Pa)。秸秆纤维与无机骨架材料固化效果对比中发现:在单一骨架材料固化实验中矿渣和粉煤灰效果较好,贝壳粉和秸秆纤维效果接近;而在各骨架材料协同高铁酸钾固化时,秸秆纤维要明显优于无机骨架材料;综合强度、含水率、增容比、成本评价比较,得到秸秆纤维综合指数最大。继续研究了高铁酸钾协同秸秆纤维增强污泥固化效果机理。结果表明,高铁酸钾能氧化破解污泥有机质结构,使污泥中自由水含量增加到4.95%,结合水含量降低至78.21%,有利于固化过程中水泥与低势能的自由水发生更充分的水化反应。另外,在氧化过程中,还会将有机质大分子转化为小分子有机质和无机盐,小分子有机质在固化过程中被秸秆纤维吸附,减少对水化反应的干扰,生成更多的水钙沸石晶体;无机盐也与水化产物形成半水石膏晶体。而且,秸秆纤维自身就具备抗拉抗折特性,在固化污泥中形成错综复杂的骨架支撑体系,起到锚固、加筋作用,提升最终固化污泥强度。最后研究了固化污泥在模拟雨水浸泡填埋条件下的稳定性。结果表明,固化污泥几乎不受雨水浸泡影响,其无侧限抗压强度、含水率、有机质均十分稳定,保持合适范围内。另外,固化污泥内部生化环境改变,浸泡液p H也显示具有强碱性,严重抑制了厌氧菌生理活动,阻止厌氧反应进行,填埋产气量为0。因此,该污泥固化填埋处置方式具有足够的稳定性且符合我国碳减排政策需求。

关键词：污泥固化高铁酸钾秸秆纤维无侧限抗压强度稳定性

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城市污泥固化技术及影响因素的试验研究

城市污泥固化技术及影响因素的试验研究

作者：胡聚豪浙江工业大学

学位级别：硕士

城市生活污泥作为城市污水处理副产物,它有着独特的性质,比如含水率高,有机质含量高,同时还含有大量的病原体和重金属等有毒有害物质。城市生活污泥的性质复杂且非常不稳定,极其容易腐化,并散发出刺激性气味,如果直接对其进行堆放,会成... 详细信息

城市生活污泥作为城市污水处理副产物,它有着独特的性质,比如含水率高,有机质含量高,同时还含有大量的病原体和重金属等有毒有害物质。城市生活污泥的性质复杂且非常不稳定,极其容易腐化,并散发出刺激性气味,如果直接对其进行堆放,会成为病原微生物等有害细菌的生存场所,对环境造成二次污染。因此,城市生活污泥的处置已经逐渐成为城市化发展中急需解决的问题之一。本文采用了固化稳定化方法对城市生活污泥进行处理,在构建固化污泥骨架思路的基础上,提出了以自来水厂污泥和粉土作为固化污泥骨架的技术,并进行了力学性质和环境效应的效果评价,对固化体强度形成的机理进行了研究,具体内容包括：(1)采用自来水厂污泥和粉土作为固化污泥的骨架,对固化体进行了岩土工程性质相关方面的评价,结果表明选用自来水厂污泥和粉土作为固化污泥骨架可以提高水泥对城市生活污泥的固化效果,其在技术上和经济上都是可行的。(2)采用重金属浸出试验对固化污泥中的重金属稳定性进行评价,结果表明固化体中Cu、Pb、Zn和总Cr稳定性较好,并满足环境标准。(3)采用X射线衍射试验(XRD)和电子微镜扫描(SEM)试验对固化污泥的强度增长机理进行了初步探究,结果表明：自来水厂污泥和粉土能够起到骨架构建作用,提高固化效果。

关键词：城市生活污泥污泥固化骨架固化机理重金属