污泥陶粒的制備及應用研究現(xiàn)狀

鐘嘉利 羅居海 陳孝娥

（攀枝花學院生物與化學工程學院，四川 攀枝花 617000）

0 引言

時代高速發(fā)展，城市化進程愈發(fā)完備，隨之而來的是日漸增多的生活污水處理問題，到2010年底，全國城鎮(zhèn)污水處理量為343億m3，每年產(chǎn)出的脫水污泥接近2200萬t，其中有80%未得到處理[1]。而如今我國的城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模達到了2.2億噸每天，每天產(chǎn)生的含水率在80%的污泥超過了6000萬噸。污泥具有含水率高和強度低的特性，且往往伴隨著一些病原體、重金屬和有機物。在我國，目前有關于污泥的處置方式主要有衛(wèi)生填埋、熱化學處理后建筑材料利用、生物穩(wěn)定化處理后土地利用。其中衛(wèi)生填埋對場地需求較大；污泥含水率較高，焚燒所需能耗較大；土地利用需要對污泥進行穩(wěn)定化處理否則會造成二次污染，污泥資源化處理迫在眉睫[2]。

污泥陶粒是一種良好的污泥資源化的產(chǎn)品，具有一定的機械強度，表面粗糙且有一定的比表面積，有一定的吸附能力，再生性能較好，經(jīng)濟實惠，可以作為濾料及微生物附著的載體，在水處理中的應用較為廣泛[3-5]。

1 污泥制陶粒的類型

1.1 燒結型陶粒

燒結型陶粒在焙燒的過程中，不會發(fā)生較大的體積膨脹，導致燒結陶粒內(nèi)部只有少量連通或開放性的氣孔，從而影響陶粒燒結性能的因素主要有焙燒溫度，焙燒時間，污泥狀態(tài)參比等。劉亞東等[6]發(fā)現(xiàn)影響陶粒結構特征的主要因素是燒結溫度，燒結溫度過低，陶粒未成瓷，過高可能會使陶粒內(nèi)部的孔隙坍塌，適當?shù)靥岣邿Y溫度，可以使陶粒具有較好的內(nèi)部結構，孔隙分布均勻。杜欣[7]等發(fā)現(xiàn)對脫水污泥“干化燒結”比“濕法造粒燒結”得到的陶粒效果要更好，“干化燒結”輔以粉煤灰、粘土和少量沸石粉制成的陶粒能進一步提高產(chǎn)品強度。朱思銘[8]發(fā)現(xiàn)將從污水處理廠取回的脫水污泥直接與其他原料按一定的配比制成陶粒，形成的陶粒堆積密度更低，吸水率與單顆抗壓強度等性能與傳統(tǒng)工藝一致。

1.2 燒脹型陶粒

燒脹型陶粒在燒制中會發(fā)生較大的體積膨脹，導致燒脹陶粒內(nèi)部會有大量密閉的互不相通的氣孔，開放性氣孔極少。當煅燒溫度高于1200℃時，陶粒膨脹性能隨著煅燒溫度的提高明顯改善。曲烈等[9]發(fā)現(xiàn)陶粒燒脹的原因是在還原氣氛下發(fā)生鐵碳反應。在高溫條件下，陶粒會部分液相化，隨著溫度的升高，內(nèi)部結構分解，產(chǎn)生氣體，使液相重新塑型，發(fā)生膨脹。升溫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。在趙傳文[10]的研究中，燒脹型粉煤灰污泥陶粒比粘土污泥陶粒更利廢、節(jié)能、節(jié)土，能帶來更大的經(jīng)濟效益。

1.3 免燒型陶粒

免燒型陶粒投資小，容易實施，技術難度小，成本低，但成品密度較大，易受養(yǎng)護方式影響，配比嚴格。粉煤灰中的活性SiO2和Al（OH）3在堿性介質條件下，受激發(fā)而水化、硬化具有膠凝性能。周靖淳[11]發(fā)現(xiàn)在蒸汽養(yǎng)護之前先用紗布養(yǎng)護可以加速粉煤灰內(nèi)部的玻璃體與Ca（OH）2之間聚合形成膠凝物，還能降低陶粒的破碎率和磨損率。劉丹妮[12]發(fā)現(xiàn)，蒸養(yǎng)時間適當增加會促進原料的水熱合成和水化反應，增加陶粒強度，降低解體率。

2 污泥陶粒的應用

2.1 用于建筑材料

污泥陶粒作為骨料被用于建筑領域，它具有質輕，機械強度高，耐腐蝕的特點，作為建材更有防滲漏防震和保溫隔熱等特點。以污泥陶粒和黏土陶?；旌夏z凝材料（水泥）制備陶?；炷粒炷恋目箟簭姸入S陶粒粒徑的增大而減小，粒徑為12mm時，抗壓強度最大（28MPa）[13]。在混凝土里加入25%的污泥陶?？梢蕴岣呋炷恋谋馗魺嵝阅躘14]。蔣文婷等[15]用工業(yè)污泥陶粒配制的輕骨料混凝土，在800℃高溫作用后，輕骨料混凝土有47%左右的抗壓強度殘余，和大約40%的劈裂抗拉強度殘余，其強度高于普通混凝土材料。添加污泥陶粒所制的空心砌塊現(xiàn)如今被廣泛使用，其保溫，隔熱以及節(jié)能效果顯著，被夏熱冬冷的地區(qū)歡迎。

2.2 用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植

污泥陶粒含有N、P等植物所必須的營養(yǎng)元素及有利于植物生長的Ca、Mg、K等微量元素，作為栽培基質時主要有增加植物產(chǎn)量、利于植物存活與生長、促進干物質積累等作用。但被用作無土栽培基質必須滿足低浸出毒性的特性，有較好的透水透氣功能，同時對pH在一定范圍內(nèi)有緩沖作用。羅沛聰?shù)热薣16]發(fā)現(xiàn)，當陶粒施用量為20%時小白菜種子發(fā)芽率最高，萌發(fā)較快；且隨陶粒施用量增加，小白菜產(chǎn)量呈增加趨勢。污水處理后的污泥陶粒含有大量堿性物質如磷酸鈣水合物、磷酸氫鈣鈉等，可有效中和土壤中的酸性物質，提高土壤的pH。在土壤表層添加陶粒不僅能有效提高基質中的水分，而且可以使不同土層、不同月份之間含水量的變幅降低，從而使植物的生長環(huán)境處于穩(wěn)定狀態(tài)[17]。在土壤表面覆蓋陶粒不僅對植物的光合作用影響顯著，而且可提高植物的存活率與生長速率[18]。

2.3 用于污水處理

污泥陶?？勺鳛槲⑸锷L繁殖的載體，有利于細菌生物膜的形成和附著，捕捉水中的有機物，從而實現(xiàn)有機物的分解和消化吸收，起到水體凈化的作用。根據(jù)其物理和物理化學作用分為過濾材料和吸附生物作為生物載體。作為過濾材料，污泥陶粒具有吸水不吸油的特點，被廣泛用于油田污水的處理；作為生物載體，污泥陶粒具有機械強度高、比表面積大、化學性質穩(wěn)定難于被分解、微生物親和力強等特點，且能截留少部分的懸浮物等顆粒物，降低污水的濁度和色度，平衡污水水流，使水流平穩(wěn)，主要運用于生物膜法污水處理[19]，以及濕地浮床綠植種植技術。

2.4 用于海綿城市建設

改變污泥陶粒特性生產(chǎn)出適宜于滲水儲水的陶粒，這種陶?？杀挥糜诤＞d城市滲水混凝土路的鋪設，雨水花園的濾料以及地下滲透過濾材料等。陶粒用于滲水混凝土路的鋪設，水通過陶粒吸收可逐漸保留在綠化帶中。用于混合混凝土設置明溝，可促進雨水的沉淀，避免造成路面積水。這種模式的陶粒已投入生產(chǎn)線并被多個城市采用和實施。

2.5 用于吸聲材料

污泥陶粒內(nèi)部有大量的孔隙，聲波通過連通的孔隙中時因空氣的粘滯摩擦和陶粒自身的熱傳導性，能量大大削弱，從而起到吸聲的作用。以污泥陶粒為骨料，水泥為膠凝材料，添加外加劑，通過混合、攪拌、壓制、養(yǎng)護等工藝可以制備成一種多孔吸聲材料。駱翔宇等人[20]研究表明陶粒生產(chǎn)過程中可以形成不同的粒級，通過采用不同粒級的陶粒，調(diào)整陶粒和膠凝材料的比例，可以形成不同孔隙率的吸聲材料，從而制備滿足吸聲、隔聲要求的吸聲材料。周紅梅等[21,22]用陶粒在實驗室內(nèi)制備了小型吸聲樣件，通過駐波管法進行了吸聲系數(shù)測試，并針對軌道交通吸聲板應用進行了許多相關研究。但目前國內(nèi)對這方面的研究欠缺，工藝生產(chǎn)也相較于國外落后許多。

此外，污泥陶粒具有較好的保溫隔熱效果，在工業(yè)生產(chǎn)中常被用于冶金方面回轉窯保溫隔熱層的制備。

3 結語

目前污泥處理處置技術路線各有利弊，尚無一種成本低、速度快、占地面積小，在減量化、無害化、資源化方面都具有優(yōu)勢的處置技術。污泥制成陶粒，在焙燒過程中，污泥中含有的大量病原菌會被殺死，重金屬會固化在陶粒中，不僅可以達到資源化的要求，還可以減少污染，降低污泥的處理成本。將污泥制作成陶粒，可以大量的消耗污泥，且制成的陶?？蓮V泛地應用于建筑、水處理等領域。但污泥制備陶粒，還需要提升產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)環(huán)保、節(jié)能以及生產(chǎn)工藝方面的技術水平，做到規(guī)模化、穩(wěn)定化處置。此外，污泥制陶粒燒制溫度要求過高，在高溫條件下有部分重金屬會被揮發(fā)出來，所以在高溫燒制陶粒過程中還要注意對產(chǎn)生的尾氣進行嚴格把控。污泥陶粒性能也需要通過配料比的優(yōu)選，污泥的改性，焙燒條件的控制，進一步得到改善。