復合水泥對生活污泥固化效果的研究

張京波，陳延昌，宋 鵬，付興華，王 琦

(濟南大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250022)

作為城市污水處理的廢棄物，城市污泥的成分非常復雜，含有大量的重金屬鹽、有機質、微生物病原體以及難以降解的有害物質[1]。由于污泥形狀不規則，多為黑褐色膠體液體，其內部網狀結構錯橫雜亂使其比表面積和孔隙率高，導致城市污泥含水率普遍在90%以上，脫水普遍困難[2-3]。我國的污泥處理尚處于初級階段，隨意的填埋和堆置給環境帶來很大的傷害，因此污泥的處置成為當前社會非常緊迫的問題。

水泥加到污泥中會迅速發生水化反應，然而污泥中的雜質會包裹水泥顆粒，因此水化速度會低于純水泥水化的速度[4]。單純的硅酸鹽水泥作為固化劑固化污泥效果不明顯，水化產物C-S-H凝膠來膠結污泥容易干燥開裂[5]。鋁酸鹽水泥固化污泥水化速度快，但是產生的水化產物鈣礬石填充到污泥空隙中會導致固化體膨脹開裂。二水石膏可以調劑水泥的凝結時間，促進生成鈣礬石[6]，為此設計三元復合水泥固化劑，通過調節水泥產物鈣礬石和C-S-C凝膠提高固化體的密實度。

1 實驗

1.1 試劑、材料與儀器設備

二水石膏(AR，99%)；普通硅酸鹽水泥(P.O.52.5)；鄭州登峰CA-50-G6型高鋁水泥。

實驗用污泥來自濟南大學污水處理廠，其主要指標如下：含水率為94.15%；pH值為7.05；燒失量為26.77。其生活污泥主要氧化物組成見表1。

表1 生活污泥主要氧化物組成 %

采用瑞典Retrca HB公司的3116-2型八通道量熱計測定固化污泥的水化放熱總量和放熱速率，美國 FEI 公司的 Quanta 250 FEG型場發射掃描電子顯微鏡觀察固化污泥的微觀形貌。

1.2 方法

2 結果與分析

2.1 固化劑摻量對固化污泥強度的影響

表2 試驗方案表

圖1 固化劑摻量對固化體抗壓強度的影響

2.2 復合水泥的水化熱分析

圖2 水化速率曲線

圖3 水化放熱總量曲線

2.3 復合水泥對固化污泥礦物組成的影響

圖4 a試樣不同齡期XRD圖譜

圖5 b試樣不同齡期XRD圖譜

3.4 復合水泥對固化污泥微觀形貌的影響

由圖6可知，樣品a的固化體3d主要由棒狀的AFt和C-S-H凝膠組成，針棒狀的AFt與其他水化產物緊密交織在一起。7d時的水化產物AFt明顯增多，在固化體孔隙中形成了很好的骨架結構。樣品b早期水化產物主要以AFt為主，后期硅酸鹽水泥水化的產物C-S-H凝膠與AFt交織在一起，鈣礬石的孔隙填充和骨架作用提高了固化體的結構穩定性，使得固化體強度提高。

圖6 試樣不同水化齡期的SEM圖片 (樣品a:(a)3d (b)7d;樣品b (c)3d (d)7d)

4 結論

復合水泥固化劑固化高含水率污泥體系中，隨著復合水泥摻量增加，固化污泥體的抗壓強度也不斷增大，固化劑摻量低于20%時, 固化體的抗壓強度將低于20kPa。二水石膏和鋁酸鹽水泥會促進早期AFt的形成，加快固化體的水化進程。復合水泥在固化體中的水化產物主要是AFt、C-S-H凝膠和CaCO3組成，針棒狀的鈣礬石與C-S-H凝膠在固化體中形成了支架結構，使孔隙細化，提高了固化體的強度。