污泥資源化制備輕質(zhì)陶粒研究進(jìn)展

石穩(wěn)民， 黃文海， 羅金學(xué)， 邱震寰， 秦雄

（1.中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司， 武漢 430056； 2.中建三局水務(wù)環(huán)保設(shè)計研究院， 武漢 430014）

污泥是城市水處理過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物， 具有含水率高、 強(qiáng)度低的特點， 且往往含有病原菌、 重金屬和有毒有害難降解有機(jī)物等有害成分， 若未經(jīng)妥善處理處置， 極易造成二次污染［1-2］。 傳統(tǒng)的污泥處置多采用污泥填埋、 土地利用、 污泥堆肥、 污泥焚燒和海洋傾倒等方式， 這些方式均存在一定的弊端， 其中海洋傾倒已被嚴(yán)令禁止， 污泥填埋占用大量土地資源， 污泥焚燒尾氣處理控制難等［3-4］。因此， 研究新型的污泥處理處置技術(shù)， 實現(xiàn)污泥資源化利用受到越來越多的關(guān)注。

陶粒具有強(qiáng)度高、 密度低、 隔聲降噪、 導(dǎo)熱難、 抗收縮性、 表面粗糙多孔、 比表面積大等優(yōu)點， 在建筑材料、 水處理、 吸聲材料、 園藝基質(zhì)等方面的應(yīng)用前景廣闊［5-6］。 陶粒按制備原料不同可分為黏土陶粒、 頁巖陶粒和粉煤灰陶粒等， 其中黏土和頁巖屬不可再生資源， 國家已出臺相關(guān)政策禁止 開 采 或 限 制 開 采［5，7］。 污 泥 的 化 學(xué) 組 成 與 陶 粒 制備原料相近， 因而研究人員考慮利用脫水污泥替代黏土、 頁巖等不可再生資源生產(chǎn)陶粒。 相比工業(yè)污泥， 給水污泥和生活污水污泥的產(chǎn)量大、 成分相對簡單， 成為國內(nèi)外污泥資源化制備陶粒的重點研究對象［8-10］。 陶粒按制備工藝可分為燒脹陶粒、 燒結(jié)陶粒和免燒陶粒， 燒脹陶粒密度小， 內(nèi)部孔隙豐富， 應(yīng)用領(lǐng)域廣， 因而研究關(guān)注較多［11-12］。

結(jié)合污泥的特性與成分分析， 本文闡述了利用污泥制備陶粒的可行性， 綜述了國內(nèi)外利用污泥制備陶粒的研究現(xiàn)狀， 重點從污泥摻量、 原料配比和焙燒制度三方面分析了污泥制備輕質(zhì)陶粒的工藝影響因素， 并總結(jié)了污泥陶粒在建筑材料、 水處理等方面的應(yīng)用情況， 以期為污泥資源化制備陶粒的研究和發(fā)展提供參考。

1 污泥制備陶粒概述

1.1 污泥制備陶?？尚行苑治?/h3>

Riley［13］的研究表明， 制備燒脹陶粒必須滿足2 個基本條件： ①原料中含有足夠多的發(fā)氣成分（如伊利石、 赤鐵礦、 黃鐵礦、 白云石等）； ②在高溫條件下產(chǎn)生足夠多的玻璃相， 從而包裹產(chǎn)生的氣體。 燒制陶粒的原料主要組分一般為SiO2、 Al2O3、Fe2O3、 CaO、 MgO、 K2O 和Na2O 等， 其中SiO2和Al2O3在高溫條件下生成莫來石等礦物成分， 是陶粒強(qiáng)度的主要來源， 堿性氧化物Fe2O3、 RO（CaO、MgO）、 R2O（K2O、 Na2O）等 為 助 融 成 分［5］。 根 據(jù)Riley 的研究， 當(dāng)原料的化學(xué)組成位于三相圖中的燒脹區(qū)（圖1）時， 可作為燒制陶粒的原料， 生產(chǎn)燒脹陶粒的合適范圍為SiO248%～65%， Al2O314%～20%， Fe2O3、 RO、 R2O 等熔劑之和13% ～26%，且m（SiO2＋Al2O3）／m（Fe2O3＋RO＋R2O）為3.5 ～10［14］。

圖1 燒脹區(qū)成分范圍Fig. 1 Composition limits of bloating area

表1 列出了部分給水廠污泥、 生活污水廠污泥、 黏土、 頁巖等燒制陶粒原料的化學(xué)成分。 由表1 可知， 污泥與黏土、 頁巖等主要成分相似， 主要為SiO2和Al2O3， 具備資源化制備輕質(zhì)陶粒的可能。 給水廠污泥中由于添加過多鋁類絮凝劑導(dǎo)致SiO2含量相對偏低， Al2O3成分偏高［23］， 會引起陶粒強(qiáng)度下降， 同時燒結(jié)溫度升高， 造成陶粒產(chǎn)品質(zhì)量下降和能源浪費(fèi)。 污水廠污泥同樣存在SiO2含量偏低的問題， 此外其燒失量相當(dāng)大（LOI ＞40%），在煅燒過程中收縮明顯， 無高溫液相出現(xiàn)， 通常不具備直接燒制陶粒的條件［17］。 因此， 研究人員采取添加含硅、 鋁等輔助材料復(fù)配原料的方式資源化利用污泥燒制陶粒［24］。 常用添加材料如粉煤灰、 蒙脫土等的主要化學(xué)成分如表1 所示， 經(jīng)過摻加硅、 鋁類輔助材料后基本能滿足燒制陶粒的原料需求， 污泥作為輔助摻料起到促進(jìn)陶粒膨脹的作用［25］。

1.2 污泥制備陶粒技術(shù)研究發(fā)展歷程

我國利用污泥燒制陶粒的研究大致可分為兩大階段［24］： 一是從20 世紀(jì)初到“十一五”前期， 由高等院校、 研究所等主導(dǎo)的基礎(chǔ)理論研究， 涵蓋了污泥燒制陶粒的膨脹機(jī)理、 原料配比、 焙燒機(jī)制、 產(chǎn)品性能檢測、 重金屬固化性能等， 基本形成了污泥燒制陶粒的基礎(chǔ)理論體系； 二是以國家“863”計劃項目“污水污泥頁巖輕質(zhì)陶粒生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范研究”等為代表的生產(chǎn)技術(shù)研究， 此階段主要針對污泥陶粒制備中的預(yù)處理技術(shù)、 除臭技術(shù)、 原料配比技術(shù)、 燒成技術(shù)以及煙氣尾氣處理技術(shù)等核心工藝與裝備進(jìn)行了系統(tǒng)研究和生產(chǎn)示范。

表1 給水廠污泥、 污水廠污泥及黏土類物質(zhì)成分對比Tab. 1 Comparison of chemical compositions of waterworks sludge, sewage sludge and clay－like materials

經(jīng)過多年的研究與實踐， 現(xiàn)已基本形成了污泥資源化制備輕質(zhì)陶粒的基礎(chǔ)理論體系， 并建成了一定數(shù)量的污泥陶粒示范生產(chǎn)線。 總體來看， 污泥資源化制備陶粒仍有許多問題有待研究： 在基礎(chǔ)理論層面， 如基于提高污泥摻量的污泥預(yù)處理技術(shù)、 污泥及輔料中各組分配比對陶粒性能的影響機(jī)制、 基于不同功能需求的陶粒焙燒工藝、 助熔劑與陶粒膨脹之間的關(guān)聯(lián)、 污泥重金屬固化機(jī)理等有待深入研究［12，16］； 在實際生產(chǎn)層面， 如原料預(yù)處理及均化、精細(xì)化自動化配料、 煙氣處理和生產(chǎn)節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)及其配套生產(chǎn)裝備的開發(fā)， 從而加強(qiáng)對生產(chǎn)過程的技術(shù)控制［24］。

2 污泥制備陶粒的研究現(xiàn)狀

2.1 污泥制備陶粒工藝流程

利用污泥制備陶粒主要工藝流程如圖2 所示。

圖2 污泥制備陶粒的工藝流程Fig. 2 Process flow of light weight ceramsite manufacturing by sludge

原料預(yù)處理主要是指對原料、 輔料和添加劑等進(jìn)行除雜、 破碎、 研磨、 烘干等操作， 以滿足后續(xù)工藝需求。 經(jīng)過預(yù)處理后， 基于陶粒功能需求進(jìn)行配 料， 原 料 中SiO2、 Al2O3等 成 陶 成 分 與Fe2O3＋RO＋R2O 熔 劑成分 的 質(zhì) 量 比 應(yīng) 在 合 理 范 圍 內(nèi)［12-13］。在進(jìn)行成型前， 需對原料進(jìn)行充分混合以達(dá)到均質(zhì)化的目的， 混合料的均化程度直接影響污泥陶粒質(zhì)量。 待生料造粒成型后， 還需經(jīng)過干燥和預(yù)熱步驟， 以防止焙燒過程因溫度巨變而引起料球炸裂，預(yù)熱溫度一般在300 ～500 ℃之間， 預(yù)熱時間一般為10 ～20 min［12-13］。 焙燒工藝是污泥陶粒生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)， 直接影響污泥陶粒的筒壓強(qiáng)度、 表觀密度、堆積密度和吸水率等性能， 焙燒溫度一般控制在1 100 ～1 200 ℃之間， 焙燒時間在10 ～20 min 之間［26-27］。 經(jīng)過冷卻和篩分步驟后， 最終得到污泥陶粒產(chǎn)品。 除上述常見“濕法造粒－燒結(jié)”工藝外， 王興潤等［28］與杜欣等［29］還開發(fā)了“干化－燒結(jié)”陶粒制備工藝， 核心是用干燥擠壓成型的方式代替濕法造粒， 制得的陶粒產(chǎn)品強(qiáng)度更高， 吸水率更低。

2.2 污泥制備陶粒影響因素分析

2.2.1 污泥摻量的影響

原料配比是陶粒制備中的關(guān)鍵步驟， 需綜合考慮污泥摻量大小、 化學(xué)組成、 胚料可塑性、 經(jīng)濟(jì)性等影響因素。 祁非等［30］以城市污泥和煤矸石為原料制備多孔陶粒， 在相同溫度下， 陶粒體積密度隨著污泥摻量增大而下降， 吸水率和孔隙率隨之增大。 當(dāng)摻量大于50% 時， 料球在干燥過程中開裂嚴(yán)重。 王樂樂等［31］以城市污泥、 膨潤土和黃土為原料燒制輕質(zhì)陶粒， 研究發(fā)現(xiàn)， 適宜的污泥摻量為20%～50%， 隨著污泥干重比增大， 陶粒內(nèi)部孔隙變大， 孔隙個數(shù)變少， 孔隙串通率增大， 松散密度變小， 筒壓強(qiáng)度變小， 吸水率增大。 萬瓊等［15］以給水廠污泥為主料， 黏土、 粉煤灰和玻璃粉為輔料燒制陶粒， 結(jié)果表明， 當(dāng)給水廠污泥摻量從40%提高到60% 時， 陶粒堆積密度和表觀密度隨之減小， 而吸水率和孔隙率隨之增大。 污泥摻量增大，生料中有機(jī)質(zhì)含量增多， 燒失量增大， 導(dǎo)致預(yù)熱過程中生成了許多裂紋。

污泥制備陶粒的研究大多將污泥作為有機(jī)添加物， 摻量較?。ㄒ话阍?0%～30% 之間）， 同時污泥的高含水率問題進(jìn)一步限制了污泥的規(guī)模化利用。 基于此， 曲烈等［20］開發(fā)了以城市污泥為主料，摻加玻璃粉來燒制陶粒的工藝， 可將污泥摻量提高到75%， 從而實現(xiàn)污泥大規(guī)模資源化利用的可能。未來以提高污泥摻量為目的的污泥預(yù)處理技術(shù)和原料精細(xì)化配比技術(shù)將是污泥資源化制備陶粒的重要研究方向之一。

2.2.2 原料化學(xué)組成的影響

污泥陶粒原料化學(xué)組成將對陶粒表觀密度、 堆積密度、 筒壓強(qiáng)度、 吸水率以及重金屬封固等性能產(chǎn)生顯著影響。 研究表明， 當(dāng)原料SiO2含量增大時， 污泥陶粒的密度會相應(yīng)增大； 當(dāng)Al2O3的含量低于18% 時， 陶粒的強(qiáng)度會相應(yīng)降低； SiO2的含量對陶粒強(qiáng)度影響較?。?2］。 Liu 等［33］研究了SiO2和Al2O3含量對陶粒物理特性、 形態(tài)結(jié)構(gòu)、 晶相及重金屬穩(wěn)定性的影響， 當(dāng)SiO2含量為30% ～45%，Al2O3含量為11% ～19% 時， 可獲得筒壓強(qiáng)度最高、 孔隙率最低、 重金屬封固性能最佳的輕質(zhì)陶粒。 Cao 等［34］研究發(fā)現(xiàn)， SiO2的加入增加了陶粒固相反應(yīng)中各種物質(zhì)的活性； 過量的Al2O3則抑制了陶粒內(nèi)部有效晶體的形成， 從而造成了陶粒晶體結(jié)構(gòu)的缺陷； 而CaO 的加入催生了更多的CO2氣體，使輕質(zhì)陶粒內(nèi)部變得更加粗糙和多孔。 Zou 等［35］研究了Fe2O3、 CaO 和MgO 對陶粒性能的影響， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在6%～8% 范圍內(nèi)， 提高Fe2O3含量可以得到更復(fù)雜的結(jié)晶相和較少孔隙的高強(qiáng)度陶粒； 當(dāng)CaO含量在5%～7% 時， 可以得到孔隙豐富、 無定形相較低的陶粒； 而原料中MgO 含量對陶粒性能的影響較小。 Liao 等［36］研究了CaO 摻量對污泥陶粒性能的影響， 在CaO 摻量為1% 時， 陶粒各項指標(biāo)較好； 隨著CaO 摻量的增加， 陶粒吸水率和筒壓強(qiáng)度逐漸下降， 原因是形成了較多的玻璃相封閉了內(nèi)部孔隙， 導(dǎo)致孔隙間的連接減少。

除SiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 CaO、 MgO 等 單 組 分外， m（Fe2O3＋CaO＋MgO）／m（SiO2＋Al2O3）（簡稱F／SA）比值也對污泥陶粒堆積密度、 吸水率、 筒壓強(qiáng)度、 重金屬封固性能等有直接影響。 Xu 等［14］研究了F／SA 比值對污泥陶粒性質(zhì)的影響。 隨著F／SA比值的增加， 陶粒中鈉型鈣長石和非晶相增加。 當(dāng)0.175 ≤F／SA ≤0.275 時， 可獲得低孔隙度的高強(qiáng)陶粒； 當(dāng)0.275 ≤F／SA ≤0.45 時， 可獲得具有多孔表面和復(fù)雜晶相的陶粒， 同時陶?？箟簭?qiáng)度有所下降。 Liu 等［37］研究了原料質(zhì)量比（F／SA）對輕質(zhì)陶粒性能的影響， 當(dāng)原料質(zhì)量比為0.13 ～0.30 時，陶粒吸水率和酸溶解率較低， 同時能獲得較高的堆積密度； 當(dāng)原料質(zhì)量比為0.2 時， 控制m（SiO2）∶m（Al2O3）在4 ∶1 ～1 ∶1 范圍內(nèi)， m（Fe2O3）∶m（CaO）∶m（MgO）在5 ∶2.2 ∶1 ～1.7 ∶1.9 ∶1 范圍內(nèi)， 可制得具有理想性能的高強(qiáng)污泥陶粒， 最大筒壓強(qiáng)度可達(dá)17.07 MPa。 當(dāng)原料質(zhì)量比在0.125 ～0.350 時， Cd、Cr、 Cu 和Pb 4 種金屬浸出比隨原料質(zhì)量比增大呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢。 當(dāng)原料質(zhì)量比較低時， 陶粒結(jié)構(gòu)松散， 重金屬與結(jié)晶化合物之間結(jié)合性較弱； 當(dāng)原料質(zhì)量比較高時， SiO2和Al2O3含量較低，不足以形成陶粒骨架， 因而重金屬固化率較低［38］。陶粒組分與陶粒膨脹機(jī)理及各項性能之間的關(guān)系尚不清晰， 尤其是基于特定功能需求的陶粒原料組分配比有待深入研究。

2.2.3 焙燒機(jī)制的影響

焙燒機(jī)制對陶粒性能的影響主要包括預(yù)熱溫度、 預(yù)熱時間、 焙燒溫度、 焙燒時間等。 常見的污泥陶粒焙燒機(jī)制如表2 所示。

預(yù)熱溫度主要對陶粒中水分和有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響， 從而影響陶粒的強(qiáng)度和表觀密度。 相比預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間， 焙燒溫度和焙燒時間對陶粒性能的影響更大。 王樂樂等［40］發(fā)現(xiàn)， 焙燒溫度越高， 陶粒表面?；匠浞郑?內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化， 使得陶粒顆粒強(qiáng)度增大。 曲烈等［41］同樣觀察到， 隨著污泥陶粒焙燒溫度升高， 助融劑轉(zhuǎn)化為液相和玻璃態(tài)物質(zhì)，增加了陶粒體積收縮率， 使得陶粒表面和內(nèi)部的密度增大， 吸水率降低。 除此之外， Liu 等［42］發(fā)現(xiàn)提高焙燒溫度會促進(jìn)污泥中重金屬的結(jié)合封固， 當(dāng)焙燒溫度超過1 050 ℃時， 重金屬能被很好地封固在玻璃相和結(jié)晶中， 實驗浸出量極低。 林子增等［43］還研究了焙燒機(jī)制對污泥陶?？紫斗植嫉挠绊懀?在1 000 ℃以下孔徑分布為單峰曲線， 1 050 ～1 100℃燒制陶粒的孔徑呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)， 提高焙燒溫度，峰值孔徑增大， 延長焙燒時間， 峰值孔徑相對位置增加。 污泥陶粒的焙燒溫度和焙燒時間不僅影響陶粒性能， 也是生產(chǎn)節(jié)能的核心環(huán)節(jié)， 需基于陶粒的功能需求， 不斷優(yōu)化焙燒機(jī)制， 以指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

表2 污泥陶粒的典型焙燒機(jī)制Tab. 2 Typical roasting mechanism of ceramsite manufacturing by sludge

3 污泥陶粒應(yīng)用研究

污泥陶粒作為污泥資源化的重要產(chǎn)品， 具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 密度小、 耐熱性好、 孔隙豐富等特性， 已廣泛應(yīng)用于建筑、 環(huán)保、 園藝等領(lǐng)域［8，44］。

在建材利用方面， 用輕質(zhì)陶粒制備輕集料混凝土和砌塊等建筑材料已得到廣泛研究［9］。 Suchorab等［45］利用污泥陶粒制備輕集料混凝土， 相比商品混凝土孔隙度更高， 密度更低， 同時降低了熱導(dǎo)率， 混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)11.1 MPa。 Tuan 等［46］利用污泥陶粒制備混凝土， 陶粒輕集料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)49 MPa， 遠(yuǎn)高于ASTM C330 和ACI 318 規(guī)范要求的17.2 MPa， 表面電阻與超聲脈沖檢測表明混凝土性質(zhì)優(yōu)良。 如何進(jìn)一步提高污泥摻量、 提高陶粒強(qiáng)度、 降低吸水率將是未來污泥陶粒建筑利用領(lǐng)域的重要研究方向。

在水處理方面， 污泥陶粒因密度小、 孔隙豐富、 生物相容性好得到廣泛應(yīng)用。 Wu 等［47-48］將污泥陶粒用作BAF 填料， 研究了其對制藥廢水、 大豆制品行業(yè)廢水的處理效果， 污泥陶粒的粗糙表面有利于生物膜的形成， 從而提高廢水處理效果。Cheng 等［49］將污泥陶粒用于人工濕地填料， 研究了其對水體磷酸鹽的去除效果， 結(jié)果表明污泥陶粒是一種持續(xù)高效的除磷基質(zhì)材料。 此外， 郭露等［50］利用水熱共沉淀法將層狀氫氧化物（LDHs）負(fù)載到生物陶粒表面并將其作為人工濕地填料， 進(jìn)一步提高了其對污水中磷酸鹽的去除效果。 石穩(wěn)民等［51］采用共沉淀法將氫氧化鑭負(fù)載到多孔陶粒表面制備除磷吸附材料， 進(jìn)一步拓展了污泥陶粒的應(yīng)用范圍。

4 總結(jié)與展望

利用污泥制備輕質(zhì)陶粒是實現(xiàn)污泥資源化利用的重要方式之一， 可廣泛應(yīng)用于建筑、 水處理等領(lǐng)域。 污泥陶粒的制備需進(jìn)一步結(jié)合陶粒用途和性能要求， 合理進(jìn)行原料配比， 同時開展相關(guān)燒脹機(jī)理和焙燒條件研究， 進(jìn)一步提高污泥摻量。 此外， 通過改性和負(fù)載功能組分的方式可進(jìn)一步拓展污泥陶粒的應(yīng)用范圍。