利用污水污泥制備陶粒輕骨料

鄧先賓，程薇瑋，藍小松，吳北華，梅雨

（四川經準檢驗檢測集團股份有限公司 四川 廣安 638500）

0 引言

隨著我國經濟的持續發展和城市人口的不斷增加，環境污染問題也日漸嚴重，其中水污染問題就是一個關系到人們生活的重大問題。污水污泥是城市污水處理廠在污水處理后產生的固體絮凝狀或流體狀物質，據統計，截止2013年底，我國共建成城鎮污水處理廠3 513座，日處理污水達到1.49億m3，年產濕污泥超過3 000萬t[1]。經過污水處理廠處理后的污泥具有含水率高（機械脫水仍高達80%）、強烈惡臭氣味、重金屬含量高（主要是Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等）、有機物含量高、病原體及微生物含量高、具有一定的熱值等特點[2]。基于污泥的上述特點，若處置不當，將會對自然環境和人類健康造成極大的危害。在我國，傳統的污泥處置方式有衛生填埋、土地利用、焚燒等，這些處置方式或多或少都存在一些問題，容易造成二次污染[3]。隨著人們環保意識的提高，迫切需要一種新型的污泥處理方式。建筑材料是世界上需求量最大的材料之一，將污泥進行建材化利用不僅可以消納大量的污泥，解決其污染環境的問題，而且還可以使其回到建筑工程中為人類所利用，具有廣闊的應用前景。

1 污泥陶粒的制備原理

陶粒是一種人造建筑材料，可用于混凝土中作為骨料使用。傳統的陶粒主要取材于頁巖或粘土(主要成分為偏鋁硅酸鹽)，此生產過程對粘土有著巨大的需求，粘土資源的大量開采直接影響到農村耕地的數量和質量，威脅到我國的糧食生產，因而就地取土的方法近年來已經被逐漸禁止。

污泥陶粒最早由Nakouzi等人提出，以污泥為原料，摻加輔助原料及助熔劑經過一定的工藝流程焙燒而成[4]。研究表明，陶粒能夠燒脹的必要條件是原料的化學成分中SiO2、Al2O3、助熔劑含量必須在一定的范圍內[5]。干污泥的無機成分主要是粘土質原料，即是以SiO2、Al2O3等為主，與普通粘土的成分接近，這就為用污泥替代粘土燒制骨料提供了可能。經機械脫水后的污泥含水率仍較高，且燒失量相當大，焙燒后收縮明顯，不具有燒脹性能，不能直接用來生產陶粒，必須添加一定的粘土質原料才能用來燒制陶粒。頁巖屬于粘土礦物，具有獨特的層狀結構和良好的離子交換及吸附性能。自然界中的頁巖含水率一般較低，當污泥與頁巖的摻加比例合適時，混合組分的含水率恰好是陶粒造粒所需的含水率范圍，這就很好的解決了濕污泥含水率高的特點，為污泥的建材化利用提供了基礎。這樣，以污泥和頁巖為主要原料，添加一些助熔劑，在適宜的燒成制度下就能焙燒出性能良好的陶粒。

2 污泥陶粒的制備工藝流程

污泥陶粒的燒制工藝與普通陶粒的工藝流程類似，不同的是采用污泥作為陶粒的部分原料來源，其工藝流程如圖1所示[6]。

圖1 利用污泥制備陶粒輕骨料的工藝流程

污泥與頁巖按一定的比例進行混合，添加適量助熔劑，將所有組分在混料機中進行混合，均勻分布后用造粒機造粒（成球）。然后對生料球進行干燥處理，目的在于除去生料球中的水分，防止焙燒過程中開裂。為了減少生料球突然進入高溫環境時因溫度急劇變化所引起的炸裂，同時使氣體逐漸產生，焙燒前還需要對生料球預熱。焙燒過程是膨脹氣體逸出與適宜粘度液相生成并抑制氣體逸出的動態平衡過程，直接影響著污泥陶粒的最終性能，因此必須控制好焙燒溫度、焙燒時間和燒成氣氛等。冷卻的作用是使陶粒表面逐漸形成堅硬殼體，從而使其表面密實，內部成為閉合的空隙，以便減少吸水率、提高強度，因此適宜的冷卻機制對污泥陶粒的性能有著重要的影響。

3 污泥陶粒的性能特點

用于混凝土中的骨料，一般具有抗壓強度高、外形好、產量大的特性，出于建筑節能的要求，也希望骨料具有輕質保溫的性質。天然的砂石原料是性能優異的混凝土骨料，但是天然砂石原料又是一種不可再生資源，隨著我國基礎建設的進行已經被大量消耗，自然界中優質的砂石骨料總有一天會消耗殆盡，不能滿足我國高速發展的建設進程。陶粒作為一種人造骨料，只要性能能夠滿足相關要求，就可以取代天然砂石用于混凝土中。污泥陶粒由于其配料中污泥本身含有的有機物組分能在高溫條件下完全分解釋放出來，陶粒內部會產生大量的空隙，降低了陶粒的表觀密度，增加了陶粒的保溫隔熱、抗震性能和隔音性能。

抗壓強度、堆積密度、吸水率是陶粒最重要的幾個性質。K.J.Mun[7]用城市脫水污泥與烘干磨細粘土混合制備出的污泥陶粒，堆積密度在700～900kg/m3，吸水率約20%～25%左右。陳偉[8]等人用污泥輔以粘土和粉煤灰制備了污泥陶粒，其堆積密度為760kg/m3，筒壓強度達到5.2MPa，主要指標達到或超過了GB/T 17431.1-1998《輕集料及其實驗方法第一部分：輕集料》的要求。

4 污泥陶粒的應用

利用污泥陶粒來配制混凝土和制備混凝土制品是其最主要的應用途徑。目前，由于生產出污泥陶粒的抗壓強度難以滿足高強度等級混凝土的要求，因此污泥陶粒一般不單獨用于配制高強度等級混凝土。通過摻加其他優質礦物摻合料和高性能外加劑，可配制出滿足C30強度要求的輕集料混凝土。除此之外，在自然砂石集料中摻入一定比例的污泥陶粒配制混凝土的方法也得到了大家的認可。利用碎石與污泥陶粒作混合粗集料配制了不同集料組成的次輕級混凝土，其早期強度與不摻污泥陶粒的混凝土相當，比同強度等級普通混凝土有更好的延展性，導熱系數大大降低，明顯提高了所拌合混凝土的保溫隔熱性能[9]。

污泥陶粒除了用于配制混凝土之外，在廢水處理方面可用作吸附劑，其吸附效果與普通商品陶粒相當；在農業上也可用作無土栽培的介質和土壤改良劑等。

5 污泥陶粒的環境協調性能

利用污水污泥摻加一定量的頁巖和輔助原料制備，可獲得性能良好的混凝土輕骨料。污泥陶粒是一種綠色建筑材料，具有良好的環境協調性能，具體表現在以下幾個方面：

（1）很大程度上解決了城市污泥的處置問題。污泥具有一系列不良的特性，其處置一直是一個十分棘手的問題。在污水處理廠旁邊建設一個陶粒生產線，可以很好地解決污泥的出路問題。污泥含水率較高，與頁巖摻合使用可解決其含水率高的問題；經過高溫條件下的焙燒，污泥中的病原體、微生物等可以被殺死，降低了其對人類的威脅；污泥中的重金屬在高溫條件下固化，解決污泥中重金屬危害的問題。因此，利用污泥來生產混凝土輕骨料的方法可以將污泥本身的危害降到最低。

（2）一定程度上解決鉻渣的使用問題。鉻渣是工業生產金屬鉻和鉻鹽過程中排放出的工業廢渣，對人類健康有著很大的危害。用鉻渣作污泥陶粒生產中的助熔劑，不僅利用了鉻渣這一工業廢棄物，而且降低陶粒生產過程中的能耗。

（3） 節約了天然砂石骨料的使用。自然界中性能優異、可用于混凝土中的砂石的總量是有限的，利用污泥陶粒取代一部分砂石集料用于混凝土中，可減少天然砂石的使用量，節約了自然資源。

（4） 污泥陶粒配制出的輕集料混凝土能降低建筑物的使用能耗。污泥陶粒內部含有較多的空隙，配制而成的混凝土不僅質量輕，而且保溫隔熱性能良好。污泥陶粒混凝土用于建筑物中，能降低建筑物的使用能耗，節約空調使用費用，節約了資源和能源。

6 結語

綜上所述，利用污水污泥摻加一定量的頁巖和輔助原料制備得到的混凝土輕骨料—污泥陶粒是一種綠色建筑材料。它很大程度上解決了城市污泥的處置問題；一定程度上解決鉻渣的使用問題；節約了天然砂石骨料的使用；當用于建筑物時，由于其保溫隔熱性能良好，還能降低建筑物的使用能耗。但由于生產出污泥陶粒的抗壓強度難以滿足高強度等級混凝土的要求，因此污泥陶粒一般不單獨用于配制高強度等級混凝土。在自然砂石集料中摻入一定比例的污泥陶粒配制混凝土的方法得到了大家的認可。