污泥陶粒的制備與應(yīng)用動(dòng)態(tài)

羅立群，涂 序，周鵬飛

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

污泥是市政與工業(yè)污水處理過程中產(chǎn)生的固體物，因發(fā)生量大且逐年增多，其中多包含有病原菌、多種重金屬和有毒的難降解物質(zhì)等有害成分，必須對(duì)污泥進(jìn)行適當(dāng)處理與處置，以防二次污染與擴(kuò)散。以往對(duì)污泥的處置多采用土地利用[1]、陸地填埋[2]、焚燒[3]和海洋傾倒等方法。隨著污泥處理與處置技術(shù)的發(fā)展，近年產(chǎn)生了利用污泥制取生物柴油[4-6]、制造吸附劑[7-8]、回收蛋白質(zhì)[9]、制備建材[10]、制造混凝劑[11]等新型處置方式，污泥的高效資源化利用將逐漸發(fā)展成為追求經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的統(tǒng)一與平衡[12]。

綜合污泥消納與處置的時(shí)效性，污泥陶粒的建材化利用具有廣闊應(yīng)用前景和發(fā)展空間。本文通過對(duì)不同污泥的來源、特性和化學(xué)成分進(jìn)行分析，總結(jié)以污泥制備免燒陶粒、燒結(jié)陶粒與燒脹陶粒的研究現(xiàn)狀，闡述污泥制備免燒陶粒的工藝和磁改性應(yīng)用，著重分析了污泥焙燒陶粒的制備與工藝因素，介紹了污泥陶粒在水處理材料、建筑材料、吸音材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用，以期推動(dòng)污泥陶粒建材化利用的水平。

1 污泥的分類與特征

根據(jù)污泥的來源分為市政污泥和工業(yè)污泥。市政污泥主要指來自城市污水廠產(chǎn)生的污泥與市政建設(shè)污泥；我國(guó)工業(yè)污泥主要有電鍍污泥、鋼鐵冶金污泥、紡織印染污泥、化工污泥、造紙污泥等。國(guó)內(nèi)典型污泥的分類與特征見表1。

1.1 市政污泥

市政污泥的產(chǎn)生量通常占污水處理量的3‰～5‰(以污泥含水率96%計(jì)算)[13]，pH值多處于6.5～7.0[14]。市政污泥中含有CaO和Fe2O3等無機(jī)氧化物，多源自污水處理的絮凝劑[15]。污泥中主要重金屬有Zn、Cd、Cr、Cu、As等，因我國(guó)城市輸送管網(wǎng)使用含Zn管道，其在所有重金屬中占比最多[16]，若市政污泥中摻入工業(yè)污水，污泥中重金屬含量將會(huì)增加。目前市政建設(shè)污泥，如：河道與管網(wǎng)疏浚、地鐵建設(shè)等污泥量增加迅猛。

表1 國(guó)內(nèi)典型污泥的分類與特性

1.2 工業(yè)污泥

與市政污泥相比，工業(yè)污泥具有產(chǎn)量較大、成分復(fù)雜、來源廣泛、種類較多等特點(diǎn)。

1) 冶金鋼鐵污泥。鋼鐵、有色金屬等冶金過程中均會(huì)產(chǎn)生污泥，鋼鐵污泥的產(chǎn)生主要有2個(gè)來源[17]：一是冶金過程中的廢料；二是冶金中產(chǎn)生的酸性廢水經(jīng)沉淀處理后形成的混合污泥。冶金廢料主要包括瓦斯泥和鋼渣等[18]，瓦斯泥通常比重輕、粒徑小、有化學(xué)毒性，并含有硫、鐵等元素[19]。在酸性廢水中加入生石灰，會(huì)使重金屬以氫氧化物的沉淀的形式析出，主要有害元素為Cu、Sn、Pb、As等。陳曉飛[20]對(duì)大冶某冶煉廠混合污泥成分進(jìn)行分析，其風(fēng)干后污泥的含水率約為20%，主要重金屬成分排序?yàn)锳s、Zn、Pb、Cd。

2) 電鍍污泥。電鍍污泥[21]因重金屬含量偏高，電鍍污泥不能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用；根據(jù)李磊[22]對(duì)電鍍污泥考察發(fā)現(xiàn)，電鍍污泥礦物相特別復(fù)雜，常規(guī)化合物主要有Al2O3、Fe2O3、CuO等，重金屬的不穩(wěn)定性使得其難以結(jié)晶，農(nóng)用價(jià)值不高。

3) 紡織印染污泥。紡織業(yè)中污泥的產(chǎn)生量比較大，我國(guó)每天產(chǎn)生印染污泥為0.75萬～1萬m3，其中2/3為物化污泥[23]。印染污泥來自其污水排放巨大的的各個(gè)工序，多產(chǎn)生于印染過程中的助料、油料、染料等。涂勇等[24]對(duì)江蘇省部分印染企業(yè)污泥分析，含水率60%～80%，重金屬在不同污泥中差異較大。

4) 化工污泥。化工污泥主要指化工廠產(chǎn)生的懸浮物雜質(zhì)，以及來自于化工行業(yè)中一些比較難分解物質(zhì)，種類復(fù)雜。有的還含有病原微生物等有毒物質(zhì)[25]。

5) 造紙污泥。造紙過程每生產(chǎn)1 t可再生紙將產(chǎn)生245 kg干污泥[26]，按照造紙污泥的來源可分為：生物、堿回收和脫墨污泥3種[27]，主要來源是纖維素等有機(jī)物，含量約為62.00%。張安龍等[28]測(cè)得造紙污泥的含水率為97.69%，呈中性；鄭云磊[29]發(fā)現(xiàn)重金屬含量比較少，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。按照造紙污泥的化學(xué)成分和熱值特征，可將它適當(dāng)處理后作為能源使用。

總之，不同類型的污泥組成和物化性質(zhì)差別較大，對(duì)不同污泥的處置應(yīng)以其來源分門別類，尋求符合污泥特征的應(yīng)用和處置方式，綜合表明制備各類污泥陶粒是消納污泥的高效應(yīng)用途徑之一。

2 陶粒的類型與制備

陶粒是一種陶質(zhì)顆粒，一般粒徑為5～20 mm，外觀多為圓形或橢圓形，外觀顏色因原料和工藝而異，多為暗紅色，SiO2和Al2O3是陶粒成陶的主要成分。陶粒按照生產(chǎn)方式可分為燒結(jié)陶粒、燒脹陶粒和免燒陶粒。

2.1 燒結(jié)陶粒

燒結(jié)陶粒是一種將原料經(jīng)破碎混勻后，加入輔料和粘接劑等助劑，經(jīng)制粒、預(yù)熱燒制而成，污泥制備燒結(jié)陶粒的典型工藝流程見圖1。朱斌等[30]將上海閩興自來水廠的脫水污泥與天然黏土加水?dāng)嚢?，?jīng)煉泥、造粒、晾干、燒制成陶粒，再以其制備輕集料混凝土，抗壓強(qiáng)度R28=33.1 MPa，密度為1 900 kg/m3，性能指標(biāo)符合輕集料混凝土建材的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 污泥制備燒結(jié)陶粒的典型工藝流程圖

2.2 燒脹陶粒

燒脹陶粒是一種很重要的建筑材料，制備時(shí)需在高溫下生成足夠黏度的液相和包裹大量氣體，具有表觀密度小、孔隙較多、隔絕性良好等特點(diǎn)。其燒脹效果與性能受酸、堿性氧化物的共同影響，酸性氧化物有SiO2和Al2O3，在高溫下兩者反應(yīng)生成的莫來石可以達(dá)到陶粒所需要的強(qiáng)度；堿性氧化物包括Fe2O3、CaO、MgO等起助熔作用。其化學(xué)成分滿足Rilly三元相圖的要求[31]，即圈定適宜燒脹陶粒原料的化學(xué)成分范圍的三角相圖，酸性和堿性氧化物使得污泥能制備陶粒以資源化利用。

吳雨欣[32]以污水廠污泥和污泥焚燒灰粉磨(-0.154 mm)的混合料，揉成5～10 mm的生料球，經(jīng)干燥、預(yù)熱后在電爐中焙燒制備了輕質(zhì)污泥燒脹陶粒，獲得最佳焙燒工藝參數(shù)為：在300 ℃的馬弗爐中預(yù)熱20 min，升溫到1 150 ℃，焙燒10 min，其燒成陶粒的特性良好。

2.3 免燒陶粒

免燒陶粒是將物料經(jīng)破碎、攪拌、混勻等步驟后，噴灑外加劑后造粒，經(jīng)養(yǎng)護(hù)而得到的輕集料。若再放入Fe3O4懸浮液中浸漬涂層，可制得磁性免燒陶粒。周顏等[33]采用疏浚底泥制作免燒陶粒，將底泥與水泥、粉煤灰混和，分別加入濃度均為6%的添加劑A和添加劑B，放入圓盤造粒機(jī)中造粒20 min；將底泥裹殼處理，得到免燒陶粒。裹殼的步驟為：將100 g陶粒和水泥、生石灰、粉煤灰加入造球機(jī)中，噴撒液固比為25的C溶液，造粒盤轉(zhuǎn)動(dòng)15 min后即裹殼完畢，再進(jìn)行磁改性處理。磁改性工藝[34]為將陶粒置于硫酸亞鐵和三氯化鐵的65～70 ℃熱溶液中磁力攪拌，滴入一定量的堿(pH=11)，浸漬涂覆5次，然后將陶粒放入水玻璃中浸泡5 min后于105 ℃烘干得到磁改性免燒陶粒(MUC)。

3 焙燒污泥陶粒的制備與因素分析

3.1 污泥含量對(duì)陶粒制備的影響

污泥摻量主要影響陶?？紫堵省⑽?、表觀密度、堆積密度等性能，典型污泥復(fù)合焙燒陶粒的物化性質(zhì)見表2。

許國(guó)仁等[35]在污泥制備陶粒試驗(yàn)中添加15%的粘結(jié)劑，表明隨著污泥添用量增大，陶粒的孔隙率和吸水率均降低，分別從56.1%、30.5%降至45.5%、13.2%。松散容重由471 kg/m3升高到610 kg/m3。最終確定污泥與黏土質(zhì)量比為1∶1，此時(shí)陶粒外表堅(jiān)硬，強(qiáng)度很好，表面粗糙，成球較好。

公德華等[36]研究污泥輕質(zhì)陶粒時(shí)發(fā)現(xiàn)：①隨著污泥含量增加，污泥陶粒1 h吸水率先增大后減小，污泥含量為40%時(shí)，1 h吸水率最大，為10.6%；而污泥含量為25%時(shí)，1 h吸水率最小為4.2%；②添加污泥含量增加，陶粒堆積密度先減小后增大，污泥為40%時(shí)，最小值為388 kg/m3；③陶粒的表觀密度隨著污泥的含量占比總體變化不大，污泥含量40%時(shí)，陶粒最輕為490 kg/m3。故污泥摻入量應(yīng)適宜，若摻入量太多，陶粒會(huì)發(fā)生炸裂，造成產(chǎn)品較差。

曲烈等[37]以污泥與玻璃粉制備陶粒，摻入污泥65%、70%、75%和80%時(shí)，預(yù)熱溫度600 ℃，焙燒溫度1 100 ℃。隨著污泥摻量增加，陶粒堆積密度下降，吸水率增加，污泥為65%～75%時(shí)，陶粒吸水率變化較小，抗壓強(qiáng)度較高，因?yàn)椴ＡХ蹠?huì)在高溫下產(chǎn)生液相，推動(dòng)固相反應(yīng)，陶?？箟簭?qiáng)度變大。當(dāng)污泥含量超過80%時(shí)，陶粒吸水率急劇上升，液相減少，大量氣體無法被包裹而從陶粒內(nèi)沖出，使得陶粒發(fā)生破裂。

3.2 預(yù)熱制度對(duì)陶粒制備的影響

預(yù)熱制度在制備陶粒中主要有兩個(gè)作用：①減輕部分陶粒質(zhì)量，使剛成球的陶粒中有機(jī)質(zhì)揮發(fā)而去除；②水分在焙燒升溫過程中蒸發(fā)速度過快，陶粒球?qū)?huì)發(fā)生炸裂，預(yù)熱制度可以去除生料球中的水分，提高強(qiáng)度性能和獲得超輕陶粒。要提高陶粒的生產(chǎn)效率，須控制適宜的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間，有利于焙燒過程的完成，預(yù)熱制度對(duì)陶粒性能的影響見表3。

表2 典型污泥復(fù)合焙燒陶粒的物化性質(zhì)

表3 預(yù)熱制度對(duì)陶粒性能的影響

劉洋洋等[38]選用污泥和海泥混料并添加碳酸鈣制備陶粒，海泥﹑污泥和碳酸鈣占比為50%、40%、10%，選擇焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時(shí)間為12 min。當(dāng)預(yù)熱溫度為350 ℃，發(fā)現(xiàn)陶粒的堆積密度隨著預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱溫度的增加而下降，分別從580 kg/m3降到550 kg/m3和567 kg/m3降到556 kg/m3，對(duì)陶粒的抗壓強(qiáng)度略有影響，均為5.35 MPa左右。隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，陶粒的吸水率從16.8%降到16%。最終確定預(yù)熱溫度350 ℃、預(yù)熱時(shí)間20 min。

竇守花等[39]在研制頁(yè)巖和污泥制備陶粒時(shí)，探討了不同預(yù)熱時(shí)間下陶?？箟簭?qiáng)度和堆積密度的變化，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，抗壓強(qiáng)度增大，堆積密度減小。

齊元峰[40]通過單因素法研究了預(yù)熱溫度對(duì)陶粒的堆積、顆粒密度和吸水率的影響。選擇預(yù)熱溫度為400～500 ℃，預(yù)熱時(shí)間20 min；當(dāng)預(yù)熱溫度小于400 ℃時(shí)，顆粒、堆積密度、吸水率隨預(yù)熱溫度升高而降低；當(dāng)預(yù)熱溫度大于400 ℃、小于500 ℃時(shí)，陶粒顆粒密度、堆積密度、吸水率則隨預(yù)熱溫度升高而增加。

3.3 焙燒制度對(duì)陶粒性能的影響

陶粒的抗壓強(qiáng)度，堆積密度，吸水率和顆粒密度等性能是衡量陶粒燒制好壞的重要參數(shù)，且焙燒制度的影響比污泥摻量和預(yù)熱制度的影響更大，應(yīng)控制合適的焙燒溫度和焙燒時(shí)間(表4)。

表4 焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)陶粒制備的影響

3.3.1 焙燒溫度的影響

焙燒溫度是陶粒燒制過程中的主要因素之一，影響制備過程的能耗。通常溫度低時(shí)陶粒表面產(chǎn)生釉質(zhì)層[41]，使陶粒外層變得緊密；溫度增加，發(fā)泡劑生成氣體增多而膨脹，液相量增多，黏度減小，陶粒外部生成一定量、有黏度的軟化液相。若形成半熔性球體時(shí)，料球內(nèi)部還原反應(yīng)充分，膨脹效能最好；溫度過高，可能造成陶粒破裂。

許國(guó)仁等[35]在考察焙燒溫度時(shí)，以黏土、污泥為原料，且污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土相同，黏接劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為黏土的20%，保溫10 min，焙燒溫度為400～1 000 ℃。隨著焙燒溫度升高，堆積密度先減小后增大，在800 ℃時(shí)，出現(xiàn)463 kg/m3的最小值；顆粒的表觀密度先減小后增大，從1 350 kg/m3降到1 126 kg/m3，燒成溫度800 ℃時(shí)，表觀密度有最小值1 054 kg/m3；陶粒吸水率變化不大，趨于穩(wěn)定在23%左右；孔隙率從61.3%降到53.6%。

祁非等[42]以煤矸石和污泥(70%∶30%)制造多孔陶粒，在1 080～1 160 ℃的焙燒溫度下探討了陶粒體積密度、顯氣孔率和吸水率的變化規(guī)律，在溫度為1 120 ℃時(shí)，堆積密度最小為1 190 kg/m3，陶粒的顯氣孔率最大為37%，而吸水率最小為22%。

3.3.2 焙燒時(shí)間的影響

陶粒焙燒起始時(shí)，生料球內(nèi)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，釋放氣體而留下孔洞，助熔劑及玻璃態(tài)物質(zhì)開始熔融，阻礙氣體排出而膨脹；延長(zhǎng)焙燒時(shí)間，陶粒表面液相量相繼增多，由于液相表面張力作用，使固體顆粒相互接近，液相填充到氣孔中，會(huì)促使坯體致密化，冷卻后變成玻璃相使表面積增加，導(dǎo)致吸水量和表觀密度急劇下降。

YANG Zhenghong等[43]以污泥和飛灰為原料，研究了恒定預(yù)熱溫度和時(shí)間條件下不同焙燒時(shí)間的影響，焙燒溫度1 150 ℃，焙燒時(shí)間從10 min增加到25 min時(shí)，顆粒強(qiáng)度從3.5 MPa增加到11.3 MPa，再延長(zhǎng)時(shí)間至30 min，強(qiáng)度反而降至1.2 MPa，表觀密度則先從1.52 g/cm3增加至1.79 g/cm3，后降至0.93 g/cm3，而吸水率則呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)，從14.2%降到0.8%。

焙燒時(shí)間不但影響陶粒的質(zhì)量，而且影響制備過程的生產(chǎn)能力。劉洋洋等[38]制備污泥和海泥混和陶粒時(shí)，在馬弗爐中350 ℃條件預(yù)熱15 min后，選擇焙燒溫度1 120 ℃，焙燒的時(shí)間為6～18 min(間隔3 min)，最后冷卻。隨著焙燒時(shí)間的增加，膨脹效果逐漸充分；當(dāng)焙燒時(shí)間過長(zhǎng)，陶粒表面會(huì)產(chǎn)生裂縫致性能變差，最佳焙燒時(shí)間為12 min。

4 污泥陶粒的應(yīng)用與展望

污泥陶粒作為固廢應(yīng)用的中間體，已在水處理材料、建筑材料、吸聲材料、無土栽培材料、植物保肥材料等廣泛領(lǐng)域，污泥陶粒的典型應(yīng)用及效果見表5。

4.1 污泥陶粒在水處理材料中的應(yīng)用

利用陶粒的多孔性與吸附性，闕科健[44]比較了污泥陶粒和普通陶粒填料的污水去除效果，污泥陶粒對(duì)COD、NH3-N和TP的去除率分別達(dá)到94.27%、87.48%和59.98%；而同等普通陶粒去除率則為91.08%、79.46%和41.87%，顯示污泥陶粒的去除效果優(yōu)越。

吳建峰等[45]在污泥原料中加入成孔劑煤粉和適量黏土制備成濾球，以吸水率41.35%的濾球，在曝氣濾池中處理城市廢水，濾料處理效果很好，尤其是對(duì)SS、COD、BOD、NH4-N的去除效率高，且這種濾球具有掛膜性能良好﹑強(qiáng)度高﹑生物容易附著等特點(diǎn)[46]。

表5 污泥陶粒的典型應(yīng)用及效果

4.2 污泥陶粒在建筑材料中的應(yīng)用

陶粒具有質(zhì)輕、保溫、隔熱的特點(diǎn)，用陶粒和膠結(jié)材料配制成輕集料混凝土和各種建材而得到廣泛應(yīng)用。在干燥條件下表觀密度不大于1 950 kg/m3[49]，自重輕、強(qiáng)度高(最高可達(dá)70 MPa)，保溫、隔熱性能優(yōu)良(0.233～0.523 W/(m·K)，僅為普通陶粒的12%～33%)，耐火特性好(1 610 ℃)。與普通混凝土相比，陶粒具有強(qiáng)度可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)[50]，可以制成陶?；炷翂K，高強(qiáng)混凝土等材料，如：陶?；炷翉?fù)合保溫墻板、空心隔墻板等；高強(qiáng)混凝土材料可以用于橋梁工程，高層建筑框架[51-52]等，污泥陶粒也將隨著陶粒的廣泛應(yīng)用而拓展。福州洋里污水廠年產(chǎn)15萬m3陶粒生產(chǎn)線[50]，消耗污泥19 t/d，年效益約600萬～750萬元，污泥陶粒的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.3 污泥陶粒在吸聲材料中的應(yīng)用

陶粒制備過程中由于燒脹等原因本身會(huì)產(chǎn)生較多孔隙，此外陶粒之間互相堆積也產(chǎn)生大量的微空隙，不同粒徑的陶粒對(duì)不同頻率的聲音有著不同的吸收效果，造就了陶粒吸音降噪性能優(yōu)良。

李青等[53]以黏土質(zhì)陶粒為骨料和水泥等混合，利用陶粒多孔特性，研制出一種水泥基陶粒吸聲材料。發(fā)現(xiàn)粒徑為0.5～2.5 mm的陶粒，對(duì)100～1 800 Hz的聲音吸音效果較好；粒徑為2.5～8 mm陶粒，只對(duì)一部分頻率有吸收效果好，大部分音頻段吸聲效果不好；將陶粒表面處理還可提高吸聲性能。

5 結(jié) 語

污泥作為市政污水與工業(yè)污水處理的固廢，制備污泥陶粒是污泥處置利用的重要方式。污泥陶粒的制備須結(jié)合應(yīng)用途徑和性能要求確定陶粒類別，選擇原料配伍、合理控制污泥摻量，精選適宜的預(yù)熱制度和燒制工藝，實(shí)現(xiàn)污泥的高效資源化利用，拓展污泥陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍，促進(jìn)節(jié)能減排，建設(shè)山青水美的綠色家園。