不同污泥制備燒結磚的性能研究

朱盛勝，陳 寧，俞泠智

（1.上海市建筑科學研究院；2.上海理工大學，上海 201108）

隨著我國經濟和城鎮化快速發展，城市污水產生量與處理量大幅增加，污泥排放量飛速增長。截至2016年底，全國污泥排放量超過3 500萬t/a（含水率在80%左右），且其產生量仍以每年10%的數量增加。污泥是由有機殘片、細菌體、無機顆粒和膠體等組成的非均質體，含有細菌、重金屬、有機污染物等多種復雜成分，若未經妥善處置，將嚴重污染水質、土壤和大氣環境。

目前，污泥處置方式主要分為填埋、焚燒和資源化利用。填埋是常用的污泥處置方式，成本較低，但占用大量土地資源，易形成二次污染。焚燒是將污泥深度脫水后，摻入生活垃圾協同焚燒或單獨焚燒，處理成本較高。資源化利用包括建材利用、土地利用和生物質能利用等，其中利用污泥制備燒結磚，是污泥再生建材利用的重要手段之一，不僅可以減少黏土資源消耗，充分利用污泥中的熱值和無機組分，還可以有效控制污泥中有機污染物和重金屬的危害[1-2]。本文研究上海市不同污水廠污泥制備燒結磚的性能，為不同種類污泥用于燒結建材提供技術支撐。

1 原材料

黏土原料取自上海某工程基坑土，4種污泥原料取自不同的污水處理廠，分別記為XS、XJ、XW和XC。原材料的含水率如表1所示，污泥化學組成如表2所示。

表1 污泥含水率

表2 污泥化學成分

分析表2可知，不同來源污泥的化學組成存在較大差異，XS主要組成為CaO，SiO2和Al2O3的含量較低，并且MgO比其他三組污泥含量高。采用XS制備燒結磚將顯著降低燒結磚的力學性能，但是易引起石灰爆裂等問題[3]。XJ、XW和XC三種污泥主要化學組成相近，包括SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，與一般黏土材料組成較為相似，可替代部分黏土制備燒結磚。但三種污泥化學組成仍有差異，例如，XW的燒失量最低，SiO2含量較高，XJ的Fe2O3含量相對較高[4]。

2 試驗

將基坑土和污泥按設計配合比（基坑土:污泥:紅磚粉=75:15:10）混合，經兩次輪碾攪拌均勻，密封陳化2 d，壓力成型制坯，坯體在自然通風條件下晾曬，使含水率保持在5%～7%，在950℃下焙燒，制成污泥燒結磚[5]。

利用電子天平測試燒結磚坯體燒結前后的質量，計算坯體燒失量。按照《砌墻磚試驗方法》（GB/T2542-2012），測試燒結磚抗壓強度。

3 結果與分析

3.1 坯體燒失量

如圖1所示。

圖1 污泥磚焙燒前后質量損失率

由于基坑土和4種污泥的性質不同，不同污泥磚的壓實度不同，相同體積的坯體初始質量存在明顯差異。燒結前后污泥磚質量損失率試驗結果顯示，質量損失率與污泥自身的燒失量正相關[6]。在污泥摻量相同的條件下，污泥自身燒失量越大，污泥磚質量損失率越大，其原因主要是污泥燒失量和污泥磚的質量損失均受污泥中有機質含量的影響。XS污泥磚的質量損失相比其自身燒失量明顯偏大，主要是由于其CaO、MgO含量高，燒結過程中發生粉化現象，磚體表面存在明顯物料剝落現象。

3.2 污泥磚力學性能

如圖2所示，摻加污泥大幅降低污泥磚的力學性能[7]。不摻加污泥的基坑土燒結磚抗壓強度可達到15.0 MPa，摻XJ、XW和XC污泥的燒結磚抗壓強度最大降幅超過50%。XW污泥SiO2含量較高，燒失量低，其對燒結磚強度影響最小，但也僅為11.0 MPa，降低26.7%。XS污泥的化學組成中CaO、MgO含量高，磚體變形和粉化嚴重，強度僅為1.1 MPa，表明XS污泥不宜用于燒結磚生產。

圖2 污泥燒結磚抗壓強度

3.3 燒結溫度

選取XW污泥燒結磚坯體，在900℃、950℃和1 050℃三種不同燒結溫度條件下焙燒，試件破壞形態如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 900℃燒結磚破壞形態

圖4 950℃燒結磚破壞形態

圖5 1 050℃燒結磚膨脹變形

燒結溫度為900℃時，磚體受壓呈粉狀破壞，溫度較低，燒結磚未完全燒結，抗壓強度約4 MPa；950℃時，磚體受壓呈塊狀破壞，坯體充分焙燒，抗壓強度可達到11 MPa；1 050℃時，坯體在高溫爐中發生膨脹破壞，呈明顯過燒狀態[8]。

4 結論

不同污泥化學組成存在較大差異，XS由于CaO含量過高的污泥不宜用于制備燒結磚；其他三種污泥SiO2含量較高，主要成分與黏土組成較為相似，可替代部分黏土制備燒結磚。污泥燒結磚比不摻污泥的基坑土燒結磚燒失量高，并且與污泥自身的燒失量大小正相關。但XS污泥由于磚坯粉化等問題導致燒失量偏大。

污泥顯著降低燒結磚的力學性能，15%摻量條件下抗壓強度下降幅度為26%～50%；XS污泥燒結磚變形粉化嚴重，強度大幅降低，不宜用于制備燒結磚。XW污泥燒結磚在不同的燒結溫度下，磚體燒結后的形態具有明顯差異，950℃燒結溫度下污泥磚性能較優，溫度過高或過低影響污泥磚的燒結效果。