污泥建材化利用研究

摘要：我國每年產生大量污泥，當前急需進行有效處置，將這些放錯位置的資源充分有效地利用起來。本文結合污泥的理化特性及處置現狀，分析污泥的建材化利用方式。從經濟性、技術性與生態性來看，污泥建材化利用是一種不錯且可行的選擇。

關鍵詞：污泥；處置；建材化利用

中圖分類號：X703；TU50 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）07-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.07.014

Study on the utilization of sludge as building materials

LANG Limei1， LU Wenjia2， HUANG Xiaowei3

（1. Hangzhou Environmental Protection Scientific Research and Design Co.， Ltd.， Hangzhou 310014， China;

2. Zhejiang Detian Environmental Technology Co.， Ltd.; 3. Hangzhou Branch， Wenzhou Ruilin Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310012， China）

Abstract： China produces a large amount of sludge every year， and there is an urgent need for effective disposal to fully and effectively utilize these misplaced resources. Based on the physicochemical characteristics and disposal status of sludge， this paper analyzes the utilization methods of sludge as building materials. From the perspective of economy， technology， and ecology， the utilization of sludge as building materials is a good and feasible choice.

Keywords： sludge; disposal; utilization as building materials

污泥一般是指污水處理廠產生的廢泥，由多種有機物和無機物組成，它很難通過沉降進行固液分離[1-3]。

我國城鎮污水處理規模日益擴大，污泥產生量不斷增加，傳統污泥處置方法（衛生填埋、焚燒、海洋傾倒等）很難同時滿足生態與經濟的要求[4-6]。我國污泥產生量大，剩余污泥急需進行有效處理，建材化利用也成為污泥資源化處置的重要研究方向。資源化利用是實現污泥穩定化和無害化，變廢為寶的有效途徑[7-9]。污泥建材化利用需要增加人、材、機的投入，但銷售再生產品能給企業帶來不錯的收益。

1 污泥的理化特性及處置現狀

污泥的組分及其含量變化很大，這取決于污水來源和污泥處理的添加劑種類和劑量[10-12]。污泥是一種含水率高的液體或半液體廢物，有機質含量較高，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO和P2O5是污泥及其焚燒灰的主要氧化物，它具有與黏土、硅酸鹽水泥相似的礦物成分。此外，磷等微量元素的存在通過增加液相量和降低黏度，為水泥熟料中硅酸三鈣（C3S）的形成提供有利條件。污泥中Fe2O3含量較高，它可以替代鐵礦石作為生產水泥、磚和陶瓷材料的建筑原料。石灰被廣泛用于污泥脫水和干化過程，導致污泥中石灰含量很高，它可在水泥生產中用作石灰石的替代品。然而，污泥中有機質含量高，會影響其膠凝性能，導致孔隙率高，粘接強度低，因此在用于制備水泥或混凝土之前，往往要對原污泥進行預處理。為了有效地實現污泥的建材化利用，人們經常需要對其進行熱處理，如焚燒。此外，熱處理過程可以使As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni等重金屬固化。

污泥處置前需要進行減容和穩定處理，如濃縮、調理、脫水、穩定和干燥，污泥處置方法包括焚燒、填埋、堆肥等[13-15]。從長遠來看，建材化為污泥高附加值利用提供處理方向。

2 污泥的建材化利用

2.1 制備輕骨料

污泥可用于制備輕骨料[16-17]，它可廣泛應用于建筑材料或路面基礎材料中。控制污泥摻量及焙燒溫度是該工藝的關鍵。污泥焚燒灰與水混合運輸到離心制粒機，干化后運至流化床窯，加熱后常溫冷卻，顆粒表面形成硬膜，結構內部孔隙增加，最終產物呈球形。與市場上的輕骨料相比，該人造輕骨料具有更高的球形度，如圖1所示。同時，它具有良好的吸附性能，可作為廢水處理的濾料。

可將污泥和黏土按一定比例混合，燒結生成輕骨料——陶粒。與傳統陶粒相比，摻加污泥制得的陶粒孔隙率較高，密度和抗壓強度較低，為了改善陶粒高吸濕性，混凝土制備采用疏水劑硅油浸漬骨料。陶粒與水泥砂漿具有良好的黏合力，其間無明顯的裂縫、劃痕等缺陷。由于骨料的疏水浸漬，改性混凝土的吸水率很低。另外，可利用石灰處理的污泥、棕櫚油燃料灰和硅酸鈉制備陶粒。它們在燒結過程中熔化并形成液相，液相填充顆粒間的孔隙。這種填充作用使骨料基體結構更加致密，力學性能得到改善。該混合物可以加入水玻璃（硅酸鈉）作為粘接劑，降低燒結溫度。與不含硅酸鈉的燒結骨料相比，摻有粘接劑的燒結料更致密，抗壓強度更高。采用新型輕骨料制備混凝土，其力學性能與普通混凝土相當。粉煤灰的加入可以減少燒結骨料的孔隙，提高抗壓強度。

2.2 制備灰渣

污泥焚燒后可以生成灰渣，其形貌特征如圖2所示。污泥制渣可以將污泥減容，實現重金屬的穩定化處理[18-19]。泥餅燃燒后轉化為灰渣，其體積減少。泥餅含水率高，同時它含有一定的有機物，首先需要進行脫水。蒸汽干燥器間接將脫水泥餅進一步干化，然后用熱風破碎機將其粉碎。將污泥粉添加到旋流爐中，并加入少量石灰作為助熔劑，污泥粉不需要輔助燃料，便能維持燃燒。

有機物燃燒時，污泥粉中的無機物被熔化，變成熔融態。熔融液流出熔爐后冷卻成灰渣。若用冷水迅速冷卻熔融液，則熔融液變為粒狀渣。風冷灰渣可以替代天然粗骨料，如果風冷灰渣太脆，就需要進行退火處理。經加熱和風冷結晶，最終產物會變成半晶體結構，其韌性好，耐酸性強，可以用來制作珠寶等。

2.3 制備磚材

污泥制磚方法一般分為兩種：干污泥制磚和污泥焚燒灰制磚。污泥與黏土的組分相近，可用干化處理后的污泥替代黏土和其他材料壓制磚材[20-21]。其間需要合理控制污泥摻入量和燒結溫度，使得燒結磚符合相關標準要求。污泥焚燒灰制磚，焚燒灰是唯一需要的原料，不需要其他添加劑。該工藝的核心是高壓成型和加熱。將污泥焚燒灰倒入模具中，用沖床從上到下擠壓，制磚工藝流程如圖3所示。污泥磚在抗壓強度、吸水率、抗彎強度等方面均優于傳統磚，可用于鋪設人行道。

2.4 制備硅酸鹽水泥

水泥廠可以直接將干化污泥或焚燒灰添加到熟料窯，無須對現有工藝進行大改[22]。焚燒灰與黏土、石灰等原料混合，一起運入熟料窯。然而，污泥中的氯離子含量會限制該工藝的應用。干化污泥有機質含量高，熱值高，可作為燃料。但過量摻加污泥會降低水泥的抗壓強度，增加水泥的需水量和終凝時間。因此，要合理控制污泥添加量，確保熟料成分與硅酸鹽水泥類似，使其具有良好的和易性，力學性能與傳統水泥相當。其間可以加入氯化鈣和氫氧化鈣作為速凝劑。在最佳摻量下，它們可以顯著縮短終凝時間，提高早期抗壓強度。

3 結論

隨著我國城鎮污水處理規模的日益擴大，污泥產生量不斷增加，傳統污泥處置方法很難同時滿足生態與經濟的要求。我國污泥產生量大，急需進行有效處理，建材化利用是實現污泥資源化處置的有效途徑。本文結合污泥的理化特性及處置現狀，分析污泥的建材化利用。當前，污泥脫水后可以制備輕骨料、灰渣、磚材和硅酸鹽水泥等。污泥添加量是影響建材化產品性能的重要因素，必須合理控制污泥添加量，提高產品性能，拓展應用領域，確保污泥實現建材化利用。

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