工業污泥對水泥熟料性能影響的試驗研究

耿 飛，周利睿，馬俊逸，桂敬能，高培偉，解建光

（1.南京航空航天大學航空宇航學院，江蘇 南京 210016；2.中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

工業污泥是工業廢水經處理沉淀后分離出來的污濁物質。目前，工業污泥主要有造紙污泥、電鍍污泥、制藥污泥、煉鋼煉鐵污泥、制革污泥和印染污泥等[1]。在我國，隨著城市化進程的不斷加快，工業污水的排放量也在不斷增加，從而導致工業污泥的產生量也迅速增大，我國最常見且較為傳統的工業污泥處置方法主要有衛生填埋、投海、焚燒、堆肥和土地利用等[2-3]。

工業污泥的化學成分較為復雜，而且不同行業所生成的污泥成分也迥然不同，若是將其按照傳統的污泥處理處置方法進行消化，則可能會產生事倍功半的效果，更有可能會產生一些有毒氣體（氨氣、胺、含硫化合物等），對人體及環境產生危害[4-5]。本文基于對工業污泥化學成分的分析，重點研究了工業污泥摻量對水泥熟料的燒成、膠砂強度、凝結時間以及重金屬溶出的影響，通過對摻工業污泥燒制水泥熟料的綜合分析，為其資源化利用提供較好的處理處置方式，以提高工業污泥的資源化利用率。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）試驗原材料。石灰石、黏土、鋼渣等原料都取自南京某水泥有限公司，生料成分檢測選用氫氧化鋁分析純化學試劑，生料成分見表1所示。石灰石、黏土等工業原料在溫度為110℃的條件下烘干24h，然后用QM-3SP4行星式球磨機進行粉磨，再用0.08mm的篩子篩分，使污泥篩子篩余量＜2.5%。

表1 水泥生料成分（%）及率值

（2）工業污泥。取自鎮江某公司制農藥草甘膦產生的污泥，草甘膦污泥外觀呈棕色并伴有刺激性氣味，初始含水率約為70%，草甘膦污泥的組成成分和重金屬濾出值分別見表2和表3。將污泥在溫度為110℃的條件下烘干24h，然后用球磨機進行粉磨，再用0.08mm的篩子篩分，使污泥的篩余量＜2.5%。

1.2 試樣制備與試驗方法

1.2.1 試樣制備

當前我國硅酸鹽水泥熟料通常采用飽和比KH、硅率SM和鋁率IM三率值來控制熟料質量，在本試驗中，將草甘膦污泥采用內摻的方式代替部分水泥生料進行配料，其計算方法參照《水泥生產質量控制與管理》[6]進行。草甘膦污泥摻量分別為0、1%、2%、3%、4%，其具體組成成分見表4。

表2 草甘膦污泥的組成成分（%）

表3 草甘膦污泥的重金屬濾出值（mg/L）（ND：未檢測出）

表4 水泥生料配料表（g）

試樣的制備參考《水泥易燒性試驗方法》JC/T 735-2005。用壓力機將各個水泥生料試樣以10.6kN的力壓成φ13mm×13mm的小試塊，將其均布且不重疊的垂直置于坩堝底部，并放在以恒溫至105℃的真空干燥箱烘干1h，然后把這些試塊放在硅碳棒爐中煅燒，溫度以10℃·min-1的速度勻速上升，當溫度上升至1 450℃時保溫30min，然后將試塊取出來置于空氣中進行冷卻，并將燒好的熟料進行干燥保存[7]。

1.2.2 試驗方法

抗壓、抗折強度試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》GB/T 17671-1999進行；凝結時間參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》GB/T 1346-2011進行試驗；重金屬浸出試驗參照《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》GB5085.3-2007進行。

2 結果與討論

2.1 工業污泥對水泥熟料燒成的影響

水泥熟料的組成成分及其率值見表5。對比表2可知，工業污泥與水泥原料的主要化學成分是CaO、Fe2O3、SiO2和Al2O3，區別是工業污泥中還含有少量的磷和重金屬氧化物。水泥熟料礦物煅燒完成的主要標志是C3S，在水泥熟料的煅燒的整個過程中，C3S的形成必須依賴一定煅燒溫度，在這一溫度下生料形成的熔融液相。當前，普遍認為C2S和CaO熔融進入液相是C3S形成主要原因，這兩種物質在液相中互相反應生成C3S[8]。因此C3S的生成主要與水泥熟料煅燒時生成液相的溫度、產生的液相數量以及這種液相的化學性質相關，這些因素影響了熟料的燒成。如若能將熔點相對較低的雜質在配置生料時加入，那么在水泥熟料的煅燒時，由于雜質的引入降低了生料的熔點，使得部分水泥生料首先形成液相，從而C3S則會因為有液相的存在而能夠較早開始生成。與此同時，由于工業污泥中有多種堿性金屬元素，這些元素的摻入在一定程度上能夠有助于溶解。這些堿性物質的熔點比較低，它們摻入到生料中能夠降低液相出現的溫度。但是如若摻入生料中的堿含量過多，這時反而使液相變得更粘稠，也會加大熟料燒成的難度。

水泥熟料的三率值對其質量控制和易燒性有著重要的影響，石灰飽和系數KH值的提高有助于提高燒成水泥熟料的質量，但同時也會導致熟料煅燒的難度和能耗的增大；硅率過高會使熟料煅燒困難，硅率過低則會使熟料因硅酸鹽礦物過少而導致強度降低、出現結塊，影響窯的操作；鋁率的高低關系到水泥熟料凝結的快慢、液相黏度和煅燒的難易程度，鋁率過高使得液相黏度大、熟料煅燒困難、水泥凝結速度快，但鋁率過低，盡管液相黏度小，但燒結范圍較窄，窯內容易出現結大塊的現象，不利于窯的操作。國內硅酸鹽水泥熟料的三率值的控制值KH0.82～0.96、SM1.7～2.7、IM0.9～1.7，由表5可知，采用內摻法進行水泥生料的配料，工業污泥摻量為0、1%、2%、3%、4%的水泥熟料的飽和比KH變化幅度較小，均滿足要求。硅率和鋁氧率雖然變化幅度相對大一些，但仍在我國硅酸鹽水泥熟料的率值控制范圍內。

2.2 工業污泥對水泥熟料強度的影響

由圖1可知，當KH=0.92時，摻入污泥對3d的抗壓強度影響較小，對于28d的抗壓強度來說，當工業污泥的摻入量為1%時，抗壓強度略有下降，當工業污泥的摻入量為2%時，試件28d的抗壓強度有所提高，當工業污泥的摻入量＞1%時，試件的抗壓強度又開始降低。

圖1 不同工業污泥摻量下的抗壓強度

圖2 不同工業污泥摻量下的抗折強度

表5 水泥熟料組成成分（g）及率值

表6 重金屬濾出值（mg/L）（ND：未檢測出）

由圖2中可知，當KH=0.92時，對于試件3d的抗折強度，工業污泥的摻入量為1%時，抗折強度降低，然后隨著污泥摻入量的增加，抗折強度不斷提高，對于28d抗折強度，也是工業污泥摻量為1%時抗折強度有所降低，當工業污泥摻量為2%時，抗折強度有所提高，當工業污泥摻量＞2%時，隨著污泥摻入量的增加，抗折強度呈緩慢下降的趨勢。

2.3 工業污泥對水泥熟料凝結時間的影響

水泥的凝結時間分為初凝和終凝。根據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》GB/T 1346-2011可知，初凝時間不得早于45min，終凝時間不得遲于390min。水泥的凝結時間的影響因素主要有水泥熟料的礦物組成、細度、溫度和濕度等。經試驗，水泥的凝結時間并沒有因為工業污泥的摻入而產生了較大的變化，未摻工業污泥的水泥的初凝時間為85min，終凝時間為125min；工業污泥摻量為1%、2%、3%、4%的水泥的初凝時間分別為83min、82min、82min、80min；終凝時間分別為125min、127min、129min、130min，初凝時間以及終凝時間都在45min至390min之間。

2.4 重金屬溶出試驗分析

當前，重金屬對環境有著較大的危害，摻工業污泥制水泥過程中重金屬是否能被有效地固化是一個值得重視的問題。表6是當KH=0.92，工業污泥的摻入量為2%時，用等離子體發射光譜檢測出的水泥熟料中重金屬的濾出值以及《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》GB5085.3-2007所規定的重金屬濾出限制標準值，與我國重金屬濾出限制的標準值相比，摻入工業污泥時的重金屬濾出值的各項指標均符合國家標準。

3 結 語

大部分工業污泥的主要化學成分與水泥原料類似，可代替部分水泥原料用于水泥生產。摻入少量的工業污泥對水泥熟料的影響較小，但隨著工業污泥摻入量的增大，水泥熟料燒成的難度也逐漸變大；對于水泥的膠砂強度，當工業污泥的摻入量較小時，對試件抗壓強度的影響不大，抗折強度有所提高，但隨著工業污泥摻入量的增大，試件的抗壓抗折強度均有所下降；摻入工業污泥煅燒水泥，重金屬元素得到了很好的固化，浸出毒性測得的重金屬濾出值遠小于國家標準；摻入適量工業污泥煅燒水泥，其凝結時間也符合相關要求。然而，由于不同工業污泥的化學成分有所差異，鐵、鋁、硅和鈣的氧化物的占比各不相同，過量的工業污泥的摻入勢必會導致水泥熟料的石灰飽和系數、硅酸率和鋁氧率產生較大的變化，因此需對工業污泥的摻量予以控制，在保證水泥熟料煅燒的質量和煅燒的難易程度可控的前提下進行優化，從而更好的對工業污泥進行有效利用以提高其資源化利用率。

參考文獻：

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