江河污泥生產(chǎn)燒結磚資源化利用研究

夏陽，朱華，余曉軍，梁初，張俊，甘永平，黃輝，陶新永，張文魁

（浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州　310014）

江河污泥生產(chǎn)燒結磚資源化利用研究

夏陽，朱華，余曉軍，梁初，張俊，甘永平，黃輝，陶新永，張文魁

（浙江工業(yè)大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州310014）

為了實現(xiàn)江河污泥資源化利用，以污泥為原料，通過傳統(tǒng)制磚工藝，制備環(huán)保節(jié)能型燒結磚。采用XRD、XRF和SEM對污泥和燒結磚的相組成、微結構、形貌及化學組成進行表征。研究結果表明，采用污泥制磚的最佳燒結溫度為900℃。當污泥含量低于40%時，燒結磚的收縮率低于15%，符合GB 5101—2003《燒結普通磚》要求，且添加適量的骨料有利于提高燒結磚的強度。當原料組成為60%黏土、20%污泥、20%卵石時，所得燒結磚的綜合性能最好，其抗壓強度可達31.6 MPa，收縮率僅為7.5%。

江河污泥；燒結磚；燒結溫度；抗壓強度；收縮率

0　引言

江河淤泥成分非常復雜，包括混入河水中的泥沙、纖維物質、生活垃圾等固體顆粒，還含有豐富的有機物及其滋生的微生物、重金屬以及鹽類［1］。但是河道周邊可用于污泥處理的場地卻有限，若不及時處置，不僅會堵塞河道，引發(fā)洪澇災害，同時也會使水體富營養(yǎng)化，造成水質污染［2-4］。污泥中含有較多的有機質，有機質還會滋生較多病源菌和寄生蟲卵，有的河底污泥中還有較高含量的重金屬，如果處理不當，會對環(huán)境造成嚴重的二次污染［5］。

目前國內外對江河污泥處理研究較多，比如清潔填埋，污泥富含有機質可作堆肥，還可以代替黏土作為建筑材料的原料，從而實現(xiàn)資源有效利用［6］。利用污泥具有熱值較高和質輕的特點，可以將污泥脫水后以20%～50%的比例混入黏土，制備滿足實際生產(chǎn)要求的輕質節(jié)能磚［7］。此外，還可以利用污泥中的有機質成分作為內燃組分，降低產(chǎn)品燒結所需的能耗［8］同時，在坯體高溫焙燒過程中，可將污泥中的病源菌和寄生蟲卵殺死，而重金屬成分則被固結在鋁硅酸鹽礦物組成中，徹底避免了污泥的二次污染［9］。

本文探討江河污泥制作地磚和建筑用磚的可行性，首先采用對污泥相組成和化學成分進行分析，得到最佳燃燒溫度然后對所制備的燒結磚進行抗壓、抗折、收縮率等物理性能測試，并聯(lián)系制備工藝，簡要分析了影響燒結磚性能的主要因素。

1　試驗

1.1試驗原料

（1）河道污泥：取自寧波市江河，經(jīng)脫水、烘干、碾碎后，用28目標準篩分制成粒徑小于0.63 mm的污泥顆粒。

（2）黏土：取自山東淄博市附近山上，呈黃色，含水率為20%左右。

（3）砂，粒徑0.63～4.75 mm；卵石，粒徑大于4.75 mm；煤灰，粒徑小于4.75 mm。

1.2試驗方案

根據(jù)試驗設計配合比方案（見表1），按比例分別稱取適量污泥、黏土和骨料，采用JJ-5行星攪拌機充分混合。隨后將混合物料裝入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)模中，再將其置于砂漿振動臺和混凝土振動臺充分振實，獲得致密的坯體。為了防止磚坯在熱處理過程中出現(xiàn)嚴重收縮或開裂，所得磚坯在熱處理前還需陳化處理。首先，磚坯在室溫條件下擱置1 d，然后將其放入50℃鼓風烘箱中干燥12 h，再將其放在通風處自然干燥1 d。

污泥制磚的燒結過程采用二段熱處理工藝，主要步驟為：首先將磚坯置于馬弗爐，以5℃/min升溫至600℃，保溫60min；再以相同升溫速率加熱到900℃，并保溫100 min；最后自然冷卻，即得到樣品。

表1　污泥燒結磚的試驗配合比　%

1.3測試方法

本試驗樣品水溶性鹽總含量按NY/T 1121.16—2006《土壤檢測 第16部分：土壤水溶性鹽總量的測試》進行測試；有機質含量按GB 9834—88《土壤有機質測定方法標準》進行測試；采用X射線熒光譜儀（ARLADVANT'XIntelli PowerTM4200型，美國ThemoFisher公司生產(chǎn)）對材料元素組成和相對含量進行測試；利用粉末多晶X射線衍射儀（Rigaku Ultima IV Powder X-ray diffractometer）對材料進行物相分析，輻射源為Cu-Kα（λ=1.546×10-10m），管電流為80 mA，管壓為40 kV，連續(xù)掃描方式來采集數(shù)據(jù)，掃描范圍為2θ=10°～80°；采用掃描電子顯微鏡（Hitachi SU8010或捷克泰思肯公司生產(chǎn)的Bruker VEGA3）觀察材料表面形貌；采用600 kN液壓萬能試驗機對試樣進行抗壓強度測試。

2　結果與討論

2.1江河污泥樣品的測試分析

2.1.1污泥中水溶性鹽總含量和有機質含量測試及分析

測試取樣點為不同部分和位置的10組污泥樣品，測試結果如表2所示。

表2　污泥樣品中的水溶性鹽和有機質總含量

由表2可知，污泥樣品的可溶性鹽含量為3.80 g/kg，處于較低水平，符合燒結磚生產(chǎn)基本要求。與此同時，污泥樣品有機質含量為8.56%，可在熱處理中提供可燃性物質，降低能耗需求。

2.1.2XRF測試

表3為未處理污泥和不同熱處理溫度處理后污泥樣品的XRF測試結果。

表3　污泥樣品的元素組成%

由表3可知，未處理污泥和熱處理后污泥樣品的主要元素組成均為Si、Al、Ca、Fe、Mg、K、Na，其中Si元素所占質量百分數(shù)最高，超過28%，Al元素含量不到10%。比較各樣品的成分，熱處理的溫度越高，重金屬元素（如Cr、Cu和Co等）含量越少，這是由于重金屬元素在熱處理后以離子晶體化合物形式固化于燒結后的污泥中，游離含量大幅降低，不會在作為建材使用時散發(fā)到周圍環(huán)境中。

2.1.3XRD分析

為了進一步確定污泥及其熱處理樣品的物相組成，采用XRD對樣品的相結構作簡要分析，結果見圖1。

圖1　未處理污泥及不同熱處理溫度下處理后污泥樣品的XRD圖譜

由圖1可知，未處理污泥及熱處理后樣品的主要物相均為石英。仔細觀察還可發(fā)現(xiàn)，樣品中還含有少量長石、綠泥石等。隨著燒結溫度升高，石英相的特征衍射峰強度不斷升高表示樣品結晶性不斷提高。同時，綠泥石相和長石相的特征衍射峰強度逐漸減弱，結晶性降低，表明綠泥石相和長石相在燒結過程中不斷轉變?yōu)槠渌锵唷?/p>

2.1.4SEM分析

圖2為不同熱處理溫度下處理后污泥樣品的SEM照片。

從圖2可以看到，污泥樣品在800～1000℃條件下燒結后，其形貌均為由不規(guī)則顆粒構成的塊體。如圖2（a）和（b）所示，當熱處理溫度在800～900℃時，污泥樣品表面隨燒結溫度升高趨于平滑。這表明在高溫燒結條件下，樣品玻璃化程度不斷提高，氣孔率下降，樣品致密度加大，強度提高。當熱處理溫度提高到1000℃時［見圖2（c）］，樣品開始呈現(xiàn)松散狀，孔隙增多，結構不夠緊密，因而強度可能會有所下降。綜上可知，污泥樣品的最佳燒結溫度應在900℃左右，故以下采用900℃作為燒結溫度制備燒結磚。

圖2　不同熱處理溫度下處理后污泥樣品的SEM照片

2.2污泥燒結磚性能測試與結果分析

燒結磚在燒結過程中會因水分流失或物相轉變發(fā)生收縮，過高的收縮率會導致磚塊尺寸出現(xiàn)嚴重偏差，甚至發(fā)生開裂或破損。按照GB/T 2542—2003《砌墻磚試驗方法》對不同污泥摻量無骨料燒結磚的收縮率和抗壓強度進行測試，結果見圖3。

圖3　不同污泥摻量無骨料燒結磚的收縮率和抗壓強度

從圖3可見：

（1）污泥燒結磚的收縮率隨著污泥摻量的增加而增大。這主要是因為污泥中含有一定量的有機質，且污泥易于吸水，具有較高的含水量。當污泥摻量增加時，坯料可塑性增加，即含水率增大，在磚坯燒結過程中，有機質不斷揮發(fā)，故收縮率也隨之增大。但總體來看，1#～3#污泥燒結磚樣品（污泥摻量低于40%）的平均收縮率低于15%，處于正常范圍內，符合GB5101—2003標準要求。

（2）隨著污泥摻量增大，燒結磚抗壓強度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。這是因為黏土燒結磚的主要強度來自莫來石相，而Al2O3是莫來石相的主要組分。污泥中Al元素較黏土少，當污泥摻量很低時，坯體中Al元素含量相對較高，耐火度提高，燒成溫度隨之提高，900℃的燒結溫度不能完全滿足燒結所需的溫度，所以強度較低；當污泥摻量增加到40%（3#磚）時，燒結磚抗壓強度最高達到43.3 MPa，這是由于坯體中的Al含量相對較低，耐火度低，其形成莫來石相所需的溫度相對較低其最佳燒結溫度與900℃相吻合；而污泥摻量繼續(xù)增加時，坯體中的Al元素含量大幅下降，雖然能達到燒結溫度，但形成的莫來石相較少，嚴重影響了燒結磚的強度［10］。

（3）3#樣品的抗壓強度最高，但僅使用污泥和黏土的燒結磚收縮率過高。

因此，為了改善其收縮性能，以3#樣品組成為基礎，分別用20%砂或卵石或煤灰作為骨料替換20%污泥，測試燒結磚的性能。圖4為摻不同骨料污泥燒結磚的SEM照片，圖5為摻骨料污泥燒結磚的平均收縮率和抗壓強度。

圖4　摻不同骨料污泥燒結磚的SEM照片

由圖4（a）可見，摻入砂的5#燒結磚表面沒有明顯的孔隙，但結構相對比較松散，致密度不高，故其力學性能可能稍差；由圖4（b）可見，摻入卵石的6#燒結磚，其孔隙基本被填充，結構框架較為緊密，致密度最高，可能具有較好的力學性能；由圖4（c）可見，摻入煤灰的7#燒結磚，其孔隙率高，且孔徑較大，材料內部存在許多不規(guī)則孔洞，孔徑尺寸在幾微米到數(shù)十微米。這種多孔結構雖然有利于保溫、隔熱和隔聲，但力學性能會受到一定的影響。

圖5　摻不同骨料污泥燒結磚的收縮率和抗壓強度

從圖5可以看出，摻入卵石的6#污泥燒結磚收縮率最低，僅為7.5%，其抗壓強度最高，為31.6 MPa，與SEM照片分析結果一致，符合GB 5101—2003規(guī)定的MU30強度等級要求，達到優(yōu)等品燒結磚標準。摻入煤灰的7#污泥燒結磚盡管其抗壓強度與摻入卵石的6#污泥燒結磚接近，但其收縮率較高（10.5%），因此尺寸穩(wěn)定性方面欠缺。與此同時，由于砂子本身顆粒度較小，以其作為骨料加入污泥燒結磚，各方面性能未能得到明顯改善。綜上來看，采用60%黏土、20%污泥和20%卵石的燒結磚綜合性能最好，既可滿足實際建筑需求，又可以實現(xiàn)江河污泥的有效治理和利用。

3　結論

（1）污泥樣品中可溶性鹽含量為3.80 g/kg，有機質含量為8.56%，有毒重金屬（如汞、砷、鉻、銅、鈷）含量低于0.25%，符合GB 5101—2003標準要求，可用于生產(chǎn)燒結磚。

（2）當污泥摻量為40%時，最佳燒結溫度為900℃。污泥摻量低于40%的燒結磚收縮率均低于15%，符合GB 5101—2003標準要求。

（3）燒結溫度為900℃時，組成為60%黏土、20%污泥和20%卵石的污泥燒結磚綜合性能最好，抗壓強度為31.6 MPa，符合GB 5101—2003中的MU30強度等級要求，且平均收縮率低于7.5%，達到優(yōu)等品燒結磚標準。

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Research on the synthesis of sintered bricks using river sludge for the resource utilization

XIA Yang，ZHU Hua，YU Xiaojun，LIANG Chu，ZHANG Jun，GAN Yongping，
HUANG Hui，TAO Xinyong，ZHANG Wenkui
（College of Materials Science and Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China）

In order to achieve the comprehensive utilization of river sludge，environmental friendly bricks were synthesized by the traditional sintering process using river sludge as the raw material.X-ray diffraction（XRD），X-ray fluorescence spectrometer （XRF）and scanning electron microscopy（SEM）tests were used to characterize the phase，microstructure，morphology and chemical composition of the sludge and sintered brick.The results indicated that the optimal sintering temperature was 900℃.When sludge content is lower than 40%，the shrinkage rate of sintered brick is less than 15%，which can meet the national standard of GB 5101—2003"Sintered bricks".Moreover，the addition of the moderate amount of aggregates will be helpful to improve the strength of the sintered brick.When the composition consists of 60%clay，20%sludge and 20%pebble，the sintered bricks have the superior performance in terms of the high compressive strength（31.6 MPa）and low shrinkage percentage（7.5%）.

river sludge，sintered brick，sintering temperature，compressive strength，shrinking percentage

TU522.1+1

A

1001-702X（2015）10-0041-04

2015-07-30

夏陽，男，1985年生，浙江杭州人，博士，講師。