導(dǎo)讀:：城市污水廠的污泥是指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物。污泥灰也可以作為混凝土混料的細(xì)填料。

關(guān)鍵詞：污泥，混凝土，摻和料

0 引言

城市污水污泥是污水處理廠污水處理的二次產(chǎn)物，指處理污水所產(chǎn)生的固態(tài)、半固態(tài)及液態(tài)的廢棄物，它含有大量的有機(jī)物、豐富的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物、重金屬以及致病菌和病原菌等[1]。城市污水處理廠每天都產(chǎn)生大量需要處理的污泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年，我國(guó)城市污水廠每年污泥產(chǎn)量500多萬(wàn)噸，且以每年10%的速度在增長(zhǎng)[2]?，F(xiàn)在70%以上是棄置，20%是填埋，不到10%的是通過(guò)堆肥等技術(shù)處理后回用于土地[3]。由于污泥中往往含有病菌和過(guò)量的重金屬，沒(méi)有經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理的污泥大量的棄置，最終作為資源用于土地，常常造成二次污染，嚴(yán)重影響了環(huán)境綜合整治的實(shí)際成果。如何安全有效地處理污泥成為城市發(fā)展過(guò)程中亟待解決的一大難題。

從技術(shù)角度看，目前污泥處置方式主要有農(nóng)用、填埋、焚燒、建材利用等幾種[4]。圖1是國(guó)內(nèi)外對(duì)污泥處置的主要措施，也是我國(guó)未來(lái)對(duì)污泥處置的主要路線。從圖中可以看出污泥可以通過(guò)很多途徑用于建材。目前混凝土，污泥的建材利用已經(jīng)被看作是一種可持續(xù)發(fā)展的污泥處置方式而在日本以及歐美國(guó)家逐漸發(fā)展起來(lái)[1]。隨著污泥排放量的日益增加和人們對(duì)環(huán)境要求的不斷提高，污泥的資源化利用近來(lái)備受關(guān)注，并且隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，水泥和混凝土的需求量也會(huì)日益增加，傳統(tǒng)建材耗費(fèi)大量自然資源，而自然資源有限。利用污泥制備綠色摻合料用于水泥混凝土工業(yè)中應(yīng)用，不僅有利于污泥的無(wú)害化處理，同時(shí)可以節(jié)約土地和礦物資源。

圖1 國(guó)內(nèi)外污泥的主要處置措施

Figure 1 major measures of sludge disposal at home andabroad

1 污泥摻合料應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響

污泥中含有大量的有害物質(zhì)，最主要的是重金屬。解決重金屬污染問(wèn)題是污泥在水泥混凝土工業(yè)中應(yīng)用的關(guān)鍵。由于水泥高堿度的氫氧基，可將重金屬轉(zhuǎn)變成氫氧化物等低溶解性物質(zhì)，從而將重金屬截留，其主要原理可歸納為凝硬反應(yīng)與水合反應(yīng)兩種。飛灰中的SiO2, A1203與水泥中Ca(OH)2發(fā)生凝硬反應(yīng)，生成晶體狀的鈣鋁鹽類(C-A-H)以及鈣硅膠體(C-S-H)，以填充水泥凝固時(shí)的微小孔隙，提高固結(jié)體強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)降低固結(jié)體的透水性，反應(yīng)形成的硅酸鈣、鋁酸鈣等水合物膠體，隨時(shí)間逐漸硬化最終形成結(jié)晶狀態(tài)，將污泥的重金屬離子包覆于結(jié)晶相中，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)同時(shí)達(dá)到固結(jié)體的最終強(qiáng)度。由于水泥的這種固結(jié)作用，雖然污泥中含有一定量的重金屬等有害物質(zhì)，但可使固結(jié)體重金屬浸出量小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，重金屬浸出趨勢(shì)將變小[5～7]。所以污泥作為綠色摻和料應(yīng)用于水泥混凝土工業(yè)對(duì)環(huán)境的影響是很有限的，而且因?yàn)樗嗟墓探Y(jié)作用有利于污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化處理，大大減少了污泥對(duì)環(huán)境的影響。綜合起來(lái)，污泥作為摻和料應(yīng)用于水泥混泥土工業(yè)是有利于環(huán)境的綜合治理。

2 用污泥燒制摻和料可行性分析

對(duì)于SiO2 +A1203含量較高的污泥，我們可以考慮用來(lái)燒制綠色混凝土摻和料。對(duì)常溫污泥和900°C焙燒污泥進(jìn)行化學(xué)成分以及火山灰化學(xué)成分分析如表1[8]，分析其是否含有火山灰活性材料所必須具備的化學(xué)成分混凝土，表明:經(jīng)900 oC高溫焙燒后，污泥中的主要無(wú)機(jī)物總量從52.8%提高到89.2%，特別是SiO2 +A1203+Fe2O3，總量高達(dá)76.2%，很接近火山灰SiO2+A1203+Fe2O3含量[9]。分析可知，SiO2+A1203+Fe2O3含量較高的污泥，只要在高溫焙燒或焚燒后進(jìn)行快速冷卻，就可形成足夠多的活性SiO2和活性A1203[9]，從而使污泥具有較高的火山灰活性。新加坡的Tay-J.H研究表明污泥灰替代一部分水泥并不會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，而且在一定范圍內(nèi)還有利于混凝土強(qiáng)度的提高[10]。Hamernik and Frantz [11]研究了不同種類的污泥灰，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)污泥灰類似于C級(jí)火山灰。J. Monzo和 J. Paya [12]等研究也表明污泥灰有一定的火山灰活性而且在污泥灰摻量為15%時(shí)，14天和28天的水泥漿體的強(qiáng)度大于沒(méi)有加污泥灰同齡期水泥漿體的強(qiáng)度。所以用污泥制摻和料是可行的。

表1 常溫和焙燒后的污泥以及火山灰化學(xué)成分 %

Table 1 The chemical composition ofdry sludge, sludge ash and volcanic ash %

3 增加污泥灰火山灰活性途徑

污泥作為摻和料是可行的，但污泥灰的火山灰活性與粉煤灰，礦渣相比較低。要想把污泥摻和料廣泛大量在水泥混凝土工業(yè)中，增加污泥摻和料的活性是關(guān)鍵。我們可以通過(guò)以下途徑增強(qiáng)污泥摻和料的火山灰活性：

(1)細(xì)磨。Shih-Cheng Pana和Dyi-Hwa Tseng[13]研究表明通過(guò)細(xì)磨，污泥灰顆粒的表面積增加，污泥的火山灰活性顯著提高，從而使污泥混凝土的強(qiáng)度提高。他們還研究得出，污泥灰表面積每增加100m2/kg，其活性指數(shù)將增加5%，而且隨著污泥顆粒表面積的增加，其“滾珠效應(yīng)”和“形態(tài)效應(yīng)”也顯著提高，從而使摻有污泥摻和料的水泥漿體工作性能明顯提高。但是他們同時(shí)研究表明當(dāng)污泥細(xì)磨到一定程度時(shí)，其活性很難再有提高。且細(xì)磨過(guò)程能耗比較大。所以細(xì)磨是物制備綠色摻和料的有效途徑，但同時(shí)也有一定的局限。

(2)控制焚燒溫度和焚燒時(shí)間。Joo-Hwa Tay和Kuan-Yeow Show[14]研究表明1000°C的焚燒溫度和4個(gè)小時(shí)的焚燒時(shí)間是最合適的，在這種焚燒溫度和焚燒時(shí)間下得到的污泥灰其火山灰活性最強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外在研究污泥作為摻和料方面的研究對(duì)象一般是污泥焚燒場(chǎng)的污泥灰渣，研究得出其活性不高，其主要原因有：1.焚燒溫度過(guò)高或過(guò)低。焚燒爐內(nèi)的溫度一般在750°C～1000°C混凝土，但污泥含有大量的有機(jī)物，有機(jī)物燃燒放出大量的熱，使焚燒爐內(nèi)的溫度超過(guò)1000°C，或者污泥含水量比較大，水蒸發(fā)帶走大量熱，使得實(shí)質(zhì)溫度低于1000°C。溫度過(guò)高或過(guò)低，都不利于其火山灰活性的增強(qiáng)。2.焚燒時(shí)間不夠。在焚燒場(chǎng)，污泥焚燒時(shí)間一般在半個(gè)小時(shí)左右，遠(yuǎn)達(dá)不到污泥燒制摻和料的最佳焚燒時(shí)間。所以控制好污泥的焚燒溫度和焚燒時(shí)間是增加其活性的有效途徑。

(3)加入激發(fā)劑。激發(fā)劑是一種能夠激發(fā)工業(yè)廢渣里面活性物質(zhì)，讓其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的復(fù)合劑。污泥灰渣和粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣一樣，里面含有大量的SiO2和Al2O3這些活性物質(zhì)，但它們以“玻璃體”惰性狀態(tài)存在，通過(guò)化學(xué)激發(fā)，可以大大增強(qiáng)污泥灰的火山灰活性，進(jìn)而增加污泥摻和料取代水泥的用量，從而大大降低水泥用量提高污泥的利用率。激發(fā)劑用量小，一般在2%左右，也比較便宜，比較常見(jiàn)的激發(fā)劑有石膏、NaOH 、Ca(OH)2等核心期刊。所以用加激發(fā)劑增強(qiáng)污泥灰的火山灰活性的途徑是簡(jiǎn)單而有效的。

(4)改善焚燒工藝。污泥焚燒場(chǎng)焚燒污泥主要目的是減少污泥的體積，其焚燒溫度和焚燒時(shí)間不適合用來(lái)燒制污泥摻和料，而且污泥在焚燒場(chǎng)焚燒爐中焚燒不均勻、不充分。這就需要改進(jìn)其焚燒工藝，以適應(yīng)用污泥燒制摻和料。例如先將脫水干燥的污泥細(xì)磨然后噴入焚燒爐中焚燒，這將使污泥充分均勻焚燒?？刂坪梅贌郎囟?，將污泥中有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的多余的熱量導(dǎo)出，使焚燒爐內(nèi)溫度恒定在一個(gè)最佳值。雖然改進(jìn)焚燒工藝需要增加成本，但通過(guò)改進(jìn)焚燒工藝，污泥灰渣的火山灰活性將大大增強(qiáng)，有利污泥灰在混凝土中大量應(yīng)用，這樣可以大大減少污泥灰渣處理所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。

(5)加入稻殼灰、垃圾灰等增加污泥中SiO2 、A1203等化學(xué)成分。由表2可知稻殼灰SiO2含量非常高混凝土，垃圾灰中A1203和CaO的含量比較高，在污泥中加入稻殼、垃圾等一起焚燒，可以增加污泥灰中SiO2 、A1203等化學(xué)成分，有利于污泥灰火山灰活性的增強(qiáng)，而且其綜合效應(yīng)將有利于污泥灰作為綠色摻和料在水泥混凝土工業(yè)中的利用。而且稻殼灰和垃圾灰產(chǎn)量大且容易獲得，所以加入稻殼灰、垃圾灰以增加污泥摻和料的火山灰活性是比較經(jīng)濟(jì)且簡(jiǎn)單易行的。

上述六種提高污泥摻和料火山灰活性的途徑都是有效可行的，通過(guò)這些途徑，我們可以用污泥制備出綠色摻和料，提高其火上灰活性，增加污泥摻合料在水泥和混凝土工業(yè)中的應(yīng)用量。這將有利于污泥的無(wú)害化，資源化處理，同時(shí)也有利于土地和礦物資源的節(jié)約以及環(huán)境的綜合治理。

表2 污泥焚燒灰、稻殼灰和垃圾灰化學(xué)成分比較 %

Table 2 The chemical composition comparation ofsludge incineration ash ，rice hull ash and garbage ash%

4 總結(jié)

(1)通過(guò)上面的分析可以得出用污泥燒制混凝土摻合料是可行的。它具有一定的活性，其某些特性能夠在一定程度上提高混凝土的性能。

(2)用污泥燒制的摻合料活性類似于C級(jí)火山灰，活性不高，但是可以同過(guò)細(xì)磨、控制焚燒溫度和焚燒時(shí)間、加入激發(fā)劑、改善焚燒工藝等有效途徑提高污泥摻合料的火山灰活性。

(3)污泥燒制混凝土摻合料前景廣闊。污泥的產(chǎn)量大，應(yīng)用于混凝土對(duì)環(huán)境影響小，用污泥燒制混凝土摻合料不僅有利于污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化、資源化處理,而且有利于土地、礦物資源的節(jié)約，自然資源的保護(hù)以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

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