市政污泥制備燒結(jié)磚的試驗研究

趙思源，劉衛(wèi)東，陸美榮

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海市建筑科學(xué)研究院，上海 200032）

0 前言

隨著污水處理能力的不斷提高，污泥產(chǎn)量也在逐年增加，2020 年我國污泥年產(chǎn)量已突破6000 萬t[1]。相較于成熟的污水處理技術(shù)，與其配套的污泥處理技術(shù)在我國仍有欠缺[2]，污泥的無害化處置已成為各個城市面臨的難題之一。市政污泥主要來源于城市污水處理廠，是在處理生活污水過程中產(chǎn)生的固體與液體混合的絮狀物[3-4]，通常含有病原微生物、寄生蟲卵[1]、重金屬砷和鋅[4]等有害物質(zhì)。與此同時，市政污泥中也含有有用成分，利用其較多的硅鋁含量，能夠用于燒結(jié)磚產(chǎn)品的制備。已有研究表明，污泥可以替代部分黏土及頁巖制備燒結(jié)磚，節(jié)省黏土使用的同時還能夠固化污泥中的重金屬[5]。李國旺等[6]以城市污泥、粉煤灰和黏土為原料制備燒結(jié)磚，在污泥摻量為10%、燒結(jié)溫度為1050 ℃的條件下制得抗壓強度為14.7 MPa 的燒結(jié)磚。劉峰等[7]以城市污泥和河道淤泥為原料，利用干法成型工藝制備燒結(jié)磚，在污泥摻量小于20%、燒結(jié)溫度為1000 ℃的條件下制得強度等級大于MU20 的燒結(jié)磚。胡名衛(wèi)等[8]以印染污泥、原煤和頁巖為原料制備燒結(jié)磚，在污泥摻量為15%、燒結(jié)溫度為800 ℃條件下制得抗壓強度達到15 MPa、飽和吸水率小于23%的燒結(jié)磚。金彪等[9]以污泥、煤矸石和頁巖為原料，在污泥摻量為10%、燒結(jié)溫度為1050 ℃焙燒6 h 的條件下制得強度等級達到MU15 的燒結(jié)磚。夏陽等[10]以江河污泥、黏土和砂制備環(huán)保燒結(jié)磚，在污泥摻量為20%、燒結(jié)溫度為900 ℃的條件下制得抗壓強度為31.6 MPa 的燒結(jié)磚。已有研究大多注重對于燒結(jié)條件與宏觀性能的研究，對燒結(jié)過程中的礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)的研究相對較少。

本研究對頁巖、渣土、爐渣和市政污泥的化學(xué)成分進行分析，利用上述材料制備燒結(jié)磚，以不同成型壓力、不同原料配合比、不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)磚的技術(shù)性能、物相組成及微觀形貌作為市政污泥用于制備燒結(jié)磚的可行性依據(jù)，并盡可能得出一個較為適宜的市政污泥摻量和燒結(jié)溫度范圍。

1 實 驗

1.1 原材料

頁巖、爐渣、渣土、市政污泥：均來自上海市某建材廠，利用X 射線熒光分析儀對各原料主要化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1。市政污泥的液限為36.3%、塑限為18.6%、塑性指數(shù)為17.7，滿足制磚原料的要求[11]。市政污泥的燃燒熱值為7.874 kJ/kg。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 試樣制備方法

將所有原料烘干、破碎、篩分、再烘干后按照預(yù)先擬定好的配比，加入13%的水攪拌均勻，陳化7 d 后，分別以5、10、15、20 MPa 的壓力壓制成型。試塊為直徑5 cm，高5 cm 的圓柱體。成型后的生坯在室內(nèi)自然條件下干燥2 d，然后以5 ℃/min的速率升溫至100 ℃，保溫60 min，再以5 ℃/min 的速率升溫至設(shè)定溫度（700、800、900、1000 ℃），保溫120 min 之后停止加熱，待溫度自然冷卻至室溫后取出試塊，得到市政污泥燒結(jié)磚。實驗條件及原料配合比見表2。

表2 實驗條件及原料配比

1.3 測試與表征

市政污泥燒結(jié)磚的體積密度、吸水率和抗壓強度按照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行測試。試驗儀器采用浙江競遠機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TYE-300 型水泥壓力試驗機。抗壓強度試驗的加載速度為1 kN/s。使用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的Ultima IV 型X-射線衍射儀對市政污泥燒結(jié)磚樣品進行物相分析，使用日本日立公司生產(chǎn)的SU 8220 場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察市政污泥燒結(jié)磚樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 成型壓力對市政污泥燒結(jié)磚物理性能的影響

圖1 是燒結(jié)溫度為1000 ℃、污泥摻量為10%、成型壓力為5～20 MPa 時燒結(jié)磚的抗壓強度和吸水率。

由圖1 可知：（1）成型壓力在5～20 MPa 時，隨著成型壓力的增大，燒結(jié)磚的吸水率逐漸降低，其中以成型壓力由5 MPa 增加至7.5 MPa 時的降幅最大，為6.5%。這是由于隨著成型壓力的增大，混料之間的結(jié)合逐漸變得密實，燒結(jié)后的吸水率隨之下降，在成型壓力達到7.5 MPa 后，混合料顆粒很難再被壓縮，因而吸水率降低的幅度變得平緩[13]。（2）成型壓力在5～20 MPa 時，隨著成型壓力的增大，燒結(jié)磚的抗壓強度先提高后降低。成型壓力從5 MPa 增加至15 MPa，抗壓強度提高了36.0%，在成型壓力為15 MPa 時達到最大值20.24 MPa。這是由于成型壓力增大使得磚坯混料間更加致密，燒結(jié)后的物理性能相應(yīng)提高；當成型壓力超過15 MPa 時，隨著混合料顆粒間的拱橋效應(yīng)增強，磚坯的密實度開始下降[14]，且磚坯與模具間的粘結(jié)力增大，脫模時表面出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致燒結(jié)后磚體抗壓強度降低[15]。

2.2 污泥摻量對市政污泥燒結(jié)磚物理性能及物相組成的影響

圖2 是燒結(jié)溫度為1000 ℃、成型壓力為10 MPa、污泥摻量在0～20%之間的燒結(jié)磚的體積密度、質(zhì)量損失率、抗壓強度和吸水率。

由圖2（a）可知，污泥摻量為0～20%時，隨著污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的體積密度逐漸減小，質(zhì)量損失率逐漸增大。這是由于污泥中有機質(zhì)在高溫焙燒下發(fā)生分解，導(dǎo)致磚體內(nèi)氣孔增多[16]，且污泥摻量越多，其帶入的有機質(zhì)越多，質(zhì)量損失率越大[17]。由圖2（b）可知，污泥摻量為0～20%時，隨著污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的吸水率逐漸增大，抗壓強度逐漸降低。當污泥摻量由0 增加至20%時，燒結(jié)磚的抗壓強度降至14.01 MPa，下降了32.5%。這是由于隨著污泥摻量的增加，污泥中含有較多的有機質(zhì)在燒制過程中發(fā)生分解，導(dǎo)致磚體孔隙率增大[16]，施加外力時孔隙周圍更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，孔隙的增加導(dǎo)致燒結(jié)磚強度大幅下降[18]。

圖3 是不同污泥摻量下燒結(jié)磚的XRD 圖譜。

由圖3 可知，燒結(jié)磚試樣的礦物組成包含石英相、鈉長石相和斜方鈣沸石相，隨著污泥摻量的增加，試樣中斜方鈣沸石相和鈉長石相逐漸減少。斜方鈣沸石相含量越多，試樣顆粒間相互熔融結(jié)合越緊密，孔隙越小[6]。這與圖2 中燒結(jié)磚物理性能的變化一致。

2.3 燒結(jié)溫度對市政污泥燒結(jié)磚物理性能及微觀形貌的影響

圖4 是成型壓力為10 MPa、污泥摻量為10%、燒結(jié)溫度在700～1000 ℃之間的燒結(jié)磚的體積密度、質(zhì)量損失率、抗壓強度和吸水率。

由圖4（a）可知，燒結(jié)溫度在700～1000 ℃時，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)磚的體積密度、質(zhì)量損失率逐漸增大。這是由于磚體內(nèi)部產(chǎn)生的液相量隨著溫度升高而增加，液相不斷填充到磚體孔隙中，并且包裹固體顆粒，使固體顆粒移動和重排，燒結(jié)磚整體體積收縮[19]。由圖4（b）可知，燒結(jié)溫度在700～1000 ℃時，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)磚的吸水率逐漸減小，抗壓強度逐漸提高。燒結(jié)溫度從700 ℃升高到1000 ℃，抗壓強度達到最大值17.36 MPa，提高了32.8%。這是由于隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)磚內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙被高溫下材料生成的液相填充，使試樣內(nèi)部密實，所能承受的抗壓強度也隨之提高[20]。試樣中孔隙結(jié)構(gòu)的變化可以通過SEM 來觀察。

圖5 是不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)磚的微觀形貌。

由圖5（a）可以看出，燒結(jié)溫度為700 ℃時，燒結(jié)磚內(nèi)部非常疏松。這說明此時物料間還未發(fā)生反應(yīng)，顆粒間的孔隙較大[21]。由圖5（b）、（c）可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，離散的顆粒不斷減少。當溫度為800 ℃時，開始出現(xiàn)大量液相，包裹固體顆粒形成固溶相，開始形成封閉的孔結(jié)構(gòu)，溫度升高到900 ℃時，熔融液相填充到固體顆粒間，使磚體內(nèi)部變得更為致密[19]，抗壓強度得到提高。這與圖4（b）中物理性能的變化保持一致。

3 結(jié)論

（1）隨著市政污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的抗壓強度明顯下降。當污泥摻量小于20%時，一定范圍內(nèi)成型壓力和燒結(jié)溫度的升高能夠提高燒結(jié)磚的抗壓強度；當成型壓力大于15 MPa 時，燒結(jié)磚的抗壓強度會開始下降。

（2）從燒結(jié)磚的物相組成及微觀形貌分析可以看出，熔融液相填充到固體顆粒間使得燒結(jié)磚的強度提高，試樣的孔隙和致密度是影響燒結(jié)磚性能的主要原因。

（3）考慮到消耗市政污泥為本研究的主要目的，最優(yōu)原料配比為：市政污泥20%、頁巖32%、渣土32%、爐渣16%；最佳工藝條件為：成型水分13%，成型壓力15 MPa，燒結(jié)溫度1000℃，保溫時間30 min。最優(yōu)條件下所制備的試樣的抗壓強度為17.90 MPa，吸水率為17.6%，符合GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》中抗壓強度MU15 的要求，體積密度和吸水率符合標準。