上海給水污泥協(xié)同建筑垃圾再生骨料制免燒磚研究

顧 雍

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院有限公司，上海200237）

1 引言

目前，上海市實現(xiàn)了“兩江并舉、集中取水、水源地供水、一網(wǎng)調(diào)度”的原水供應格局，中心城區(qū)的水源地主要包括青草沙水庫、金澤水庫和陳行水庫，3 個水庫的取水位置各不相同。原水經(jīng)城鎮(zhèn)供水廠制備后會產(chǎn)生大量的脫水污泥，產(chǎn)生量逐年遞增，處置需求明確。截至2021 年，上海市每年產(chǎn)生約3.6×105t 給水污泥，平均含水率約69%。目前，給水污泥主要采用傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋或道路回填消納，均存在對周邊環(huán)境造成二次污染的風險［1-2］。因此，給水污泥的資源化利用勢在必行。

前人研究表明，給水污泥含有大量無機質(zhì)如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，其化學成分及物理性能與河砂極為類似，能夠部分替代河砂制備建筑材料，節(jié)省自然資源［3］。在給水污泥建材資源化領(lǐng)域，目前的主流技術(shù)路線是將污泥與其他原料混合生產(chǎn)燒結(jié)制品、陶粒、水泥、生化纖維板等。利用污泥制造免燒磚的方式相比于燒結(jié)磚能源消耗低、經(jīng)濟效益好，且符合我國的“雙碳”計劃［4］。在采用北方某給水污泥制免燒磚的實例（65%膠凝材料、25%骨料和10%污泥）中，免燒磚的平均強度能達到8.8 MPa，有較強的應用性和可行性［5］。

然而，給水污泥制免燒磚仍然存在以下問題亟待研究：①傳統(tǒng)制磚所使用的天然/人工砂性質(zhì)穩(wěn)定，而給水污泥的泥質(zhì)受到水源地咸潮、水華等影響導致有機物含量等性質(zhì)變化顯著［6］。因此，需探明不同污泥對免燒磚性能的影響，從而優(yōu)化制磚工藝；②已有研究中添加了較高比例的膠凝材料與天然砂石料，經(jīng)濟效益較低［7-8］。建筑垃圾再生骨料的協(xié)同利用可提升效益，但尚未有研究涉及；③給水污泥中部分重金屬污染物超出GB 5085.3—2007 危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別中規(guī)定的限值，加入膠凝劑固化穩(wěn)定化后的重金屬浸出毒性有待探明。

圍繞固廢精細化管理要求，針對不同水源地水廠產(chǎn)生的給水污泥制磚特性及變化規(guī)律不明、天然粗骨料用量大等問題，以上海市三大水庫的給水污泥作為研究對象，采用給水污泥協(xié)同建筑垃圾再生骨料制免燒磚，優(yōu)化級配，通過改變污泥-水泥-骨料的配比，研究污泥摻量、污泥含水率、水膠比、污泥來源、污泥成分等影響因素對免燒磚抗壓強度的影響，并開展免燒磚的重金屬浸出試驗，評估其環(huán)境安全性。研究成果將為上海市給水污泥的多元利用及分類利用模式構(gòu)建提供支撐。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

1）供試給水污泥取自上海市青草沙水庫給水廠（A 水廠）、金澤水庫給水廠（B 水廠）、陳行水庫給水廠（C 水廠），分季節(jié)采得夏季給水污泥和冬季給水污泥。

2）建筑垃圾再生骨料取自上海市嘉定區(qū)某建筑垃圾資源化公司，其中細骨料粒徑范圍為0～4.75 mm，粗骨料粒徑范圍為4.75～16.00 mm。

3）水泥選用PO.42.5 型普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗儀器和測定方法

試驗儀器：壓力試驗機，無錫建儀TYE-300B；電動脫模器，南京聯(lián)銳DLT-III；標準養(yǎng)護箱，浙江中科SHBY-40B；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，珀金埃爾默NexION 300X。

需測定的指標及其分析方法見表1。

表1 理化指標及分析方法Table 1 Physical and chemical indicators and analysis methods

2.3 試驗方法

依次按不同物料配比稱量污泥、水泥、建筑垃圾再生骨料和水，將污泥加部分水拌勻成泥漿，然后將再生骨料和水泥加入泥漿拌勻，最后將剩余的水倒入容器中采用機械攪拌器進行混合，以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌直至肉眼可見均勻、不結(jié)塊。將完全混合的物料裝入圓柱形模具（高×直徑=100 mm×100 mm）中壓制成型，成型壓力為20 MPa，然后將得到的免燒磚放入恒溫（20±1）℃、恒濕≥90%標準養(yǎng)護箱內(nèi)分別養(yǎng)護3、7、28 d，最后根據(jù)GB/T 4111—2013 混凝土砌塊和磚試驗方法檢測相應免燒磚的抗壓強度。具體試驗流程如圖1 所示。

圖1 污泥免燒磚試驗流程Figure 1 Experimental process of sludge unburned brick

本研究保持骨料最優(yōu)級配不變，選擇含水率、粒徑為4.75～16.00 mm 和0～4.75 mm 的兩種骨料摻量（骨料與干物質(zhì)總量的比）、給水污泥摻量（給水廠污泥添加量與干物質(zhì)總量的比）作為研究對象，探索制備給水污泥免燒磚的最優(yōu)配比以及最佳性能。

為達到合理級配范圍的要求，在實際使用礦料時通常需要采用兩種或兩種以上的集料進行組成搭配。目前實際使用的礦料級配類型主要為連續(xù)級配，筆者查閱大量文獻得知，泰波理論在散體顆粒級配優(yōu)化方面應用較為廣泛。泰波理論即最大密度曲線理論，認為固體顆粒按照粒度大小、有規(guī)則地排列、粗細搭配，可以得到密度最大、孔隙最小的混合料，其表達式為：

式中：P 為散體各粒徑的通過百分率，%；d為散體中的各粒徑，mm；D 為散體的最大粒徑，mm；n 為級配系數(shù)。

據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，n 約為0.45 時，礦質(zhì)混合料具有較大密實度。根據(jù)JTG E42—2005 公路工程集料試驗規(guī)程：粗集料是指粒徑大于4.75 mm 的碎石、礫石和破碎礫石；細集料是指粒徑小于4.75 mm 的天然砂、人工砂。粒徑級配優(yōu)化方案為細集料57.9%、粗集料42.1%。

因此，將試驗用粗骨料和細骨料的配比分別確定為25%和35%。給水污泥摻量設置為20%、水泥摻量為20%。并在此基礎上設計5 組給水污泥含水率，分別為20%、40%、50%、60%、70%；同時給水污泥設置5 個不同摻量，分別為0、5%、10%、15%、20%，進行單因素試驗，試驗物料配比見表2，共12 組，每組9 塊免燒磚。

表2 配比設計Table 2 Proportioning design

3 結(jié)果與討論

3.1 理化性質(zhì)分析

A 水廠、B 水廠和C 水廠冬季和夏季的給水污泥理化性質(zhì)如表3 所示。由表3 可知，給水污泥性質(zhì)呈現(xiàn)如下特點：①污泥主要由SiO2、Al2O3等礦物組成，具有建材利用的潛力；②污泥成分呈現(xiàn)季節(jié)性差異，夏季污泥有機質(zhì)含量高于冬季污泥，有機質(zhì)含量與污泥pH 呈現(xiàn)負相關(guān)。鑒于一定范圍內(nèi)pH 越高，水泥的水化反應越有利［9］，因此C 水廠冬季污泥較優(yōu)。

表3 給水污泥理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of water supply sludge

X 射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）結(jié)果如圖2 所示，其主要礦物組成為石英SiO2、白云母KAl2Si3AlO10（OH）2、伊利石KAl2[（OH）2AlSi3O10]、高嶺土Al2O3·2SiO2·2H2O，這表明給水污泥無機成分具有建材資源化的潛質(zhì)；白云母為造巖礦物，伊利石、高嶺土為黏土礦物，均具有巨大的工業(yè)價值，這些無機成分能夠在建筑業(yè)中提高制品強度［10］。

圖2 給水污泥XRD 分析結(jié)果Figure 2 Analysis result of water supply sludge by XRD

采用激光粒度儀對烘干后3 個水廠夏季和冬季的污泥樣品進行粒徑分析后，黏粒（＜2 μm）、粉粒（2～20 μm）和砂粒（20～2 000 μm）占比如表4 所示。A 水廠和B 水廠污泥以粗顆粒為主，砂粒含量高。相較于A 水廠和B 水廠，C 水廠污泥粉粒含量占比增高，制磚時細集料與膠凝材料之間的界面面積越大，磚的抗壓強度越大。

表4 夏季、冬季給水污泥粒徑分布Table 4 Particle size distribution of water supply sludge in summer and winter

綜合分析污泥組成及粒徑分布，C 水廠冬季污泥pH 最高，其粉粒含量占比相對較高，最適合制作免燒磚，故選用C 水廠冬季給水污泥作為主要研究對象。

3.2 免燒磚抗壓強度單因素影響試驗

3.2.1 污泥摻量

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細骨料摻量35%，C 水廠給水污泥摻量分別為0、5%、10%、15%、20%（總量不變，缺少的摻量用細骨料代替），分別養(yǎng)護3、7、28 d 的條件下，考察污泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 污泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響Figure 3 Effects of sludge dosage on compressive strength of unburned brick

從圖3 可以看出，隨著給水污泥摻量增加，免燒磚強度整體呈下降趨勢。但在污泥摻量為0 時，28 d 齡期免燒磚的抗壓強度達到了9.17 MPa，摻入量上升到5%時，免燒磚抗壓強度上升到10.54 MPa，上升了14.9%。該現(xiàn)象主要原因在于給水污泥中有機物含量對磚強度的負效應小于其填充作用對結(jié)構(gòu)強度的正效應，整體表現(xiàn)為抗壓強度上升。在污泥摻量為15%時，28 d 齡期免燒磚的抗壓強度為6.59 MPa，摻入量上升到20%時，免燒磚抗壓強度下降到6.10 MPa，僅降低了7.4%，且當污泥摻量繼續(xù)增大，免燒磚強度過低難以作為建筑材料使用［11］?？紤]到污泥資源化率最大、經(jīng)濟成本最低和符合免燒磚抗壓強度要求等因素，污泥摻量選取20%。

3.2.2 污泥含水率

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細骨料摻量35%，C 水廠給水污泥含水率分別為20%、40%、50%、60%，分別養(yǎng)護3、7、28 d 的條件下，考察污泥含水率對免燒磚抗壓強度的影響，具體試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 污泥含水率對免燒磚抗壓強度的影響Figure 4 Effects of sludge moisture content on compressive strength of unburned brick

從圖4 可以看出，隨著污泥含水率增加，免燒磚強度總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。污泥初始含水率對免燒磚的強度有顯著影響，污泥、水泥和再生骨料的加入均會降低拌合料的含水率，引起需水量的增加，在固化過程中，應在滿足攪拌和流動性的要求時選擇含水率較高的污泥進行固化處理，污泥含水率越高，拌合料的流動性、均勻性越好，同時為水化反應提供更多水分［11］，從而有利于強度形成。

3.2.3 水膠比

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細骨料摻量35%，選取C 水廠給水污泥，水膠比分別為0.50、0.75，分別養(yǎng)護3、7、28 d 的條件下，考察水膠比對免燒磚抗壓強度的影響，具體試驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水膠比對免燒磚抗壓強度的影響Figure 5 Effects of water-binder ratio on compressive strength of unburned brick

從圖5 可以看出，隨著水膠比增加，免燒磚強度呈上升趨勢。當水膠比為0.75 時，養(yǎng)護28 d 的免燒磚抗壓強度達到了15 MPa。因為制磚所用的污泥、水泥、再生骨料都是吸水性強的材料，水膠比的改變極大程度影響了免燒磚整體的強度［12］。

3.2.4 污泥來源

不同因素對免燒磚抗壓強度的影響結(jié)果如圖6所示。從3 d 和7 d 磚塊的早期強度形成來看，由圖6（a）可知，3 家水廠冬季污泥固化塊強度依次為C 水廠＞B 水廠＞A 水廠；由圖6（b）可知，夏季污泥固化強度低于冬季污泥固化強度。結(jié)合有機質(zhì)含量，夏季給水污泥有機質(zhì)含量整體高于冬季給水污泥（表3），3 家給水污泥有機質(zhì)含量為A水廠＞B 水廠＞C 水廠，隨有機質(zhì)含量的提高，免燒磚的抗壓強度變低。有機質(zhì)延緩了水泥水化的進程，同時會分解一部分水化產(chǎn)物，阻礙水泥的硬化，進而影響免燒磚強度［13］。為進一步探究體系pH 對磚強度的影響，開展了3%CaO 添加試驗，結(jié)果如圖6（c）所示。結(jié)果表明，添加3%CaO 的免燒磚抗壓強度明顯高于不投加的試驗組，說明在一定范圍內(nèi)較高的pH 有利于水化反應進行，隨pH 的增大，水泥的水化速率加快，免燒磚強度增加［9］。

圖6 不同因素對免燒磚抗壓強度的影響Figure 6 Effects of different factors on compressive strength of unburned brick

3.3 重金屬浸出試驗

C 水廠冬季污泥的重金屬元素含量如表5 所示。由表5 可知，C 水廠冬季污泥中Pb、Cr、Ni、Zn、Cu含量均低于GB/T 25031—2010 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)中規(guī)定的限值，而As 本體值含量84.1 mg/kg 高于限值75 mg/kg，同時在堿性環(huán)境下As 的遷移風險增大，為探究給水污泥的安全性，As 浸出的數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 As 浸出濃度Figure 7 As leaching concentration

表5 C 水廠冬季污泥重金屬含量Table 5 Heavy metal contents in winter sludge of water plant C

由圖7 可知，隨著固化齡期的延長，As 的浸出濃度上下波動并無明顯變化趨勢。給水污泥加水泥及建筑碎渣固化時，反應環(huán)境為堿性，過剩的OH-與陰離子砷酸鹽和亞砷酸鹽競爭土壤吸附點位，發(fā)生排斥作用，導致土壤各礦物組分吸附砷的能力下降；同時Ca2+與HAsO42-形成較難溶的CaHAsO4，當HAsO42-解離后，能形成較多的CaHAsO4和Ca3（AsO4）2，另外Ca2+在堿性條件下形成無定形CaCO3，As 通過與無定形CaCO3共沉淀或吸附在其上；兩種拮抗作用同時發(fā)生，表現(xiàn)為固化對污泥As 的浸出無明顯影響。固化后As 浸出濃度遠低于GB 5085.3—2007 中規(guī)定的限值。故給水污泥免燒磚無明顯環(huán)境安全風險。

3.4 微觀機理分析

為更深層次地揭示免燒磚微結(jié)構(gòu)與抗壓強度的關(guān)系，本研究采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對養(yǎng)護3、7、28 d 免燒磚的截面進行分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 免燒磚截面掃描電鏡照片F(xiàn)igure 8 Scanning electron microscope photos of unburned brick section

由圖8 可知，免燒磚試樣水化后產(chǎn)生的網(wǎng)狀交錯密布結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護時間增長愈發(fā)致密，并與再生骨料緊密結(jié)合。這是因為硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等礦物水化成水化硅酸鈣，并在晶體間不斷相互穿插、黏結(jié)、聚結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將污泥和骨料等包裹在內(nèi)，從而使整個配合料凝結(jié)成一個整體，最后經(jīng)干燥硬化形成了具有一定強度的聚合結(jié)構(gòu)［14］。通過圖8 可以看出，養(yǎng)護3 d的微孔最多，界面相對松散，因此強度低；養(yǎng)護28 d的微孔最少，界面相對致密，因此強度高。

4 結(jié)論

1）本研究免燒磚的最優(yōu)配方為水泥20%、污泥20%、再生粗骨料25%、再生細骨料35%、污泥含水率70%，28 d 抗壓強度高達15 MPa，強度等級達到GB/T 8239—2014 中的MU15。

2）污泥的有機物含量越高、pH 越低，免燒磚的強度越低，整體表現(xiàn)為冬季優(yōu)于夏季。通過加入CaO 可顯著提升免燒磚強度。

3）重金屬浸出試驗證明As 的遷移性并不會在制磚過程中增加，污泥免燒磚無明顯環(huán)境安全風險。

4）隨著固化時間的延長，28 d 時各材料結(jié)合良好，混合均勻，界面相對致密，在機械強度方面有更好的性能。

致謝：感謝上海理工大學高慧敏和康愷同學在實驗過程中提供的測試幫助。