復(fù)合水泥對(duì)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(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

作為城市污水處理的廢棄物，城市污泥的成分非常復(fù)雜，含有大量的重金屬鹽、有機(jī)質(zhì)、微生物病原體以及難以降解的有害物質(zhì)[1]。由于污泥形狀不規(guī)則，多為黑褐色膠體液體，其內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)錯(cuò)橫雜亂使其比表面積和孔隙率高，導(dǎo)致城市污泥含水率普遍在90%以上，脫水普遍困難[2-3]。我國(guó)的污泥處理尚處于初級(jí)階段，隨意的填埋和堆置給環(huán)境帶來(lái)很大的傷害，因此污泥的處置成為當(dāng)前社會(huì)非常緊迫的問(wèn)題。

水泥加到污泥中會(huì)迅速發(fā)生水化反應(yīng)，然而污泥中的雜質(zhì)會(huì)包裹水泥顆粒，因此水化速度會(huì)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(chǎn)物C-S-H凝膠來(lái)膠結(jié)污泥容易干燥開(kāi)裂[5]。鋁酸鹽水泥固化污泥水化速度快，但是產(chǎn)生的水化產(chǎn)物鈣礬石填充到污泥空隙中會(huì)導(dǎo)致固化體膨脹開(kāi)裂。二水石膏可以調(diào)劑水泥的凝結(jié)時(shí)間，促進(jìn)生成鈣礬石[6]，為此設(shè)計(jì)三元復(fù)合水泥固化劑，通過(guò)調(diào)節(jié)水泥產(chǎn)物鈣礬石和C-S-C凝膠提高固化體的密實(shí)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑、材料與儀器設(shè)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(shí)驗(yàn)用污泥來(lái)自濟(jì)南大學(xué)污水處理廠，其主要指標(biāo)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(jiàn)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(jì)測(cè)定固化污泥的水化放熱總量和放熱速率，美國(guó) FEI 公司的 Quanta 250 FEG型場(chǎng)發(fā)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(jié)果與分析

2.1 固化劑摻量對(duì)固化污泥強(qiáng)度的影響

表2 試驗(yàn)方案表

圖1 固化劑摻量對(duì)固化體抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 復(fù)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(fù)合水泥對(duì)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(fù)合水泥對(duì)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(chǎn)物緊密交織在一起。7d時(shí)的水化產(chǎn)物AFt明顯增多，在固化體孔隙中形成了很好的骨架結(jié)構(gòu)。樣品b早期水化產(chǎn)物主要以AFt為主，后期硅酸鹽水泥水化的產(chǎn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得固化體強(qiáng)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(jié)論

復(fù)合水泥固化劑固化高含水率污泥體系中，隨著復(fù)合水泥摻量增加，固化污泥體的抗壓強(qiáng)度也不斷增大，固化劑摻量低于20%時(shí), 固化體的抗壓強(qiáng)度將低于20kPa。二水石膏和鋁酸鹽水泥會(huì)促進(jìn)早期AFt的形成，加快固化體的水化進(jìn)程。復(fù)合水泥在固化體中的水化產(chǎn)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(jié)構(gòu)，使孔隙細(xì)化，提高了固化體的強(qiáng)度。