水體底泥和豬糞理化性質分析及生態磚制備工藝初探

林映津，曾小妹，謝貽冬，蘇文勛，畢佛春

(1.華川技術有限公司，福建 福州 350008;2.福建省湖庫流域生態修復工程研究中心，福建 福州 350008)

1 引言

隨著社會經濟和工業化進程的快速發展，大量的工業廢水、生活污水和農業廢水被排入河湖等水體中，其中的污染物質經過逐年的積累沉淀，在水體底部形成了巨大的內源污染，因此需及時對底泥進行治理，以避免其對水生態系統造成嚴重的破壞[1，2]。

目前，國內對水體底污染的治理主要是采取環保疏浚的方法[3，4]，但疏浚的底泥的堆放不僅占用大量土地，而且容易對環境造成二次污染，因此如何妥善處理不斷增加的疏浚底泥，將經過減量化和無害化處理后的底泥進行資源化利用，已成為研究的焦點[5～7]。

當前，常用的底泥資源化技術主要有土地利用、堆肥、制備陶粒、水泥、制磚、填方等[8]，其中制磚技術融入了傳統的制磚工藝，基本無毒，并且對水質具有凈化作用，具有良好的生態環境和經濟效益。

我國是一個畜牧業生產大國， 其中生豬養殖為人們的日常食品供應提供了重要保障，但與此同時，豬糞帶來的環境污染問題也日益突出，因此，如何處理豬糞成為困擾生豬養殖產業健康可持續發展的瓶頸[9]。目前，對豬糞處理的方法主要有發酵、用作栽培基質、餌料化處理等[10，11]，未見利用其為制備生態磚的報道，因此，本文利用水體底泥和豬糞為原料，對二者進行理化性質分析，并進行制磚工藝的初探，以期為底泥和豬糞的資源化處理提供新的思路。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

水體底泥：取自福州市白馬河疏浚底泥；豬糞：取自三明市遠郊外小型生豬養殖場的干清糞；水玻璃：購自鄭州輝一騰實業有限公司；礦渣：取自三明三鋼集團有限責任公司；碳酸鈣：購自新鄭市龍湖鎮峰昌化工商行。

2.2 實驗儀器

DHG-9070A電熱鼓風干燥箱(購自上海一恒公司)、SRIX-10-13A箱式電阻爐(購自上海索域公司)、Vario Macro Elementar大量進樣元素分析儀(購自Elementar公司)。

2.3 實驗方法

2.3.1 原料預處理

首先利用18目的鐵篩網過濾疏浚的底泥，除去淤泥中石子、貝殼、雜草、生活垃圾等各種有機、無機雜質，在自然風干的同時輔以功能微生物(從河道底泥中分離得到的具有加速有機質降解和泥水分離功能的微生物)進行脫水處理。待底泥晾干后，再對其進行粉碎處理，使形成粒徑為0.150～5 mm的底泥灰。

將具有除臭功能的微生物(從生豬養殖場除臭通風管道中篩選分離得到)接種到豬糞中，降解其中的臭味物質，再置于恒溫干燥箱中80 ℃烘干備用。

2.3.2 底泥理化性質分析

2.3.2.1 底泥氧化物組成檢測

根據國標：煤灰成分分析方法(GB/T1574-2007)對底泥的氧化物組成進行檢測分析。

2.3.2.2 底泥的塑性指數分析

取未經處理的含水率90%的底泥，分別加入聚丙烯酰胺(PAM)和羧甲基纖維素鈉，每種藥劑投加量為底泥濕重的0.2%、 0.5%，靜置沉淀12 h，去除上清液，離心(5000 r/min)10 min，去除水分，收集沉淀底泥，自然晾干3～5 h，檢測其塑性指數。

2.3.2.3 底泥的燒失率檢測

取一定質量的底泥樣品，105 ℃烘干至恒重，置于箱式電阻爐中在600 ℃灼燒至恒重，冷卻至室溫后稱重，計算燒失率。

2.3.3 豬糞的理化性質分析

2.3.3.1 豬糞工業成分分析

依據美國材料與試驗協會(ASTM)標準對豬糞的水分、灰分、揮發分含量進行檢測分析。

由于固定碳的含量不能直接測定，因此需通過以下公式計算得出：

FC=1-W-Ash-VM

(1)

式(1)中：FC為固定碳含量，單位(%)；W為豬糞樣品中水分含量，單位(%)；Ash為豬糞樣品中灰分含量，單位(%)；VM為豬糞樣品中揮發分的含量，單位(%)。

2.3.3.2 豬糞元素成分分析

稱取約40 mg 豬糞便樣品，壓實后，利用大量進樣元素分析儀自動進樣分析C、N、S、H元素，O含量則根據以下公式計算得出[12]：

O=1-C-H-N-S-Ash

(2)

式(2)中，O為豬糞樣品中氧元素含量，單位(%)；C為豬糞樣品中碳元素含量，單位(%)；N為豬糞樣品中氮元素含量，單位(%)、S為豬糞樣品中硫元素含量，單位(%)、Ash為豬糞樣品中灰分含量，單位(%)。

2.3.3.3 豬糞熱值分析

采用國標：煤的發熱量測定方法(GB/T 213-2008)對豬糞的進行熱值的檢測分析。

2.3.4 底泥與豬糞磚的制備

2.3.4.1 配方

為探究不同添加劑及其摻量對環保磚性能的影響，本次實驗以礦渣和水玻璃+碳酸鈣進行對比，根據添加劑的不同，將配方分為P1組(添加礦渣)和P2組(添加水玻璃和碳酸鈣)。其中P1組配料中設置水體底泥占比80%，礦渣摻量梯度設置為為0.1%、0.5%、1%、5%，剩余比例以豬糞補充，P2組配料中，設置水體底泥占比80% ，選取碳酸鈣比例分別為3%、5%，剩余成分以調節水玻璃和豬糞的比例，設置配比方案如表1、2所示。

2.3.4.2 工藝流程[13]

制磚步驟可大致分為磚胚制作、干燥陳化、高溫煅燒這3個階段：將底泥、豬糞干燥粉碎，過80目篩，稱量所需的量，同時稱量添加劑一起加入已稱好的底泥-豬糞混合料中，反復多次地混合，使原料輔料充分混合均勻。加水調節含水量，反復捏拌，再將拌好的材料放入9 cm×4.5 cm×2 cm(長×寬×高)的制磚模具中，形成磚胚，待磚胚成型后利用恒溫干燥箱在150 ℃條件下干燥陳化2 h，在干燥陳化過程中每0.5 h需對磚胚進行翻面，以確保干燥陳化的均勻性。將干燥陳化后的磚胚放入電阻爐中，在1150 ℃條件下煅燒30 min，并在室溫下冷卻后即可得到成品，探究不同配方對所制磚的透水率及密度等性能的影響[13]。

2.3.5 性能分析

按照《砌墻磚實驗方法》GB/T-2542-2012的要求，對本研究中的成品磚進行吸水率和密度測定(測試值均取3個平行樣品的平均值)。

3 結果與討論

3.1 底泥理化性質分析

本研究針對福州市白馬河的疏浚底泥進行氧化物組成、塑性指數及TN、TP等指標進行檢測分析，其結果如表3所示。

表3 福州市白馬河疏浚底泥理化性質

燒結磚的主要成分通常以SiO2為主，含量以55%～70%為宜，當其含量超過70 %時，磚頭的塑性指數會降低；Al2O3是燒結磚的骨架，其含量宜控制在10%～20%，諾Al2O3的含量過低，則燒制的成品磚抗壓強度會降低，但當Al2O3的含量高于20%，雖然會增大陳品磚的抗壓強度，但是同時對燒結溫度的要求也會增高，并使成品的顏色變淡[14]。由表2可知，底泥的氧化物組成以SiO2和為Al2O3主，分別占總成分的62.69±0.09%和23.48±0.24%，符合燒結磚對原材料的基本要求。此外，底泥中還含有少量的Fe2O3及CaO、MgO、K2O、Na2O等物質，其中Fe2O3在高溫作用下發生分解反應和還原反應，生成CO和FeO，是產氣的主要成分之一，同時也是制磚原料中的著色劑，CaO、MgO、K2O、Na2O等可起到助熔作用，降低燒成溫度有利于磚的燒結制備。

表2 以碳酸鈣和水玻璃為添加劑的制磚配比方案(P2組)

淤泥取代粘土制磚最重要的依據之一是塑性指數的大小，塑性指數高有利于擠出成型，但干燥和煅燒時容易產生裂紋，塑性指數低雖有利于干燥和焙燒，但又會給磚的成型帶來較大的困難，因此，塑性指數通常控制在7～15為宜。由表2可知，白馬河疏浚底泥的塑性指數為9.3，符合燒結磚對原料的基本要求。

3.2 豬糞理化性質分析

3.2.1 豬糞的工業成分分析

本研究針對三明市遠郊外小型生豬養殖場的豬糞干燥制備樣進行工業成分分析，并與麥秸工業成分的數據進行對比，其結果如表4所示。

表4 豬糞與麥秸的工業分析對比 %

由表4可知，本研究中的豬糞樣品水分、灰分、揮發分、固定碳這4個工業成分的變化幅度不大，其中水分含量的平均值為6.40%，略高于麥秸的含量；灰分含量的平均值高達19.90%，遠高于麥秸的灰分含量；揮發分含量的平均值為65.14%，與麥秸(67.36%)接近，揮發分的含量與熱值之間有良好的正相關性，因此豬糞的燃燒熱應該和麥秸的燃燒熱較為接近；豬糞固定碳的平均值較麥秸含量低。

3.2.2 豬糞的元素成分分析

本研究對豬糞中的N、C、H、S、O五種元素進行了含量測定，并與麥秸的這五種元素進行比對，結果如表5所示。

由表5可知，本研究中的豬糞樣品中各元素的含量分別為：N介于1.431%～4.649%，C介于26.791%～52.281%，H介于6.340%～9.528%，S介于0.231%～0.893%，O介于23.957%～30.005%。數據顯示，豬糞樣品中C和O元素含量最多，而N、H、S元素含量較少；且各元素含量范圍跨度較大，其中N、C、H、S、O的最大值分別是最小值的3.2、1.95、1.50、3.86、1.25倍，基本上包含了生豬糞便制備樣的元素含量范圍。研究表明，C和H元素是畜禽糞便的可燃元素，也是豬糞燃燒過程中提供熱量的主要元素，即當樣品中C、H元素含量較高時，樣品的熱值越高。豬糞樣品的C、H含量與麥秸的含量較為接近，表明豬糞的燃燒熱值可能與麥秸相當。

表5 豬糞與麥秸的元素分析對比 %

3.2.3 豬糞的熱值分析

熱值是指單位質量的豬糞完全燃燒并冷卻至室溫時所釋放的所有熱量，是豬糞進行資源化的主要特性之一，包括高位熱值和低位熱值等。本研究對豬糞中的熱值進行了測定，并與其他類似生物質進行了對比，結果如表6所示。

表6 豬糞與麥秸的熱值分析對比 J/g

由表6可知，豬糞制備樣具有較高的熱值，其高位熱值的平均值為16380 J/g，略低于麥秸，但也達到了普通煤燃燒熱值的1/2，因此，可判斷豬糞在燃燒時釋放的熱量較多。豬糞燃燒時釋放的熱量可以增加生態磚燒結過程中的保溫時間，一方面有利于底泥中所含有機質在高溫下持續地燒減，增加生態磚的孔隙率，從而增加磚頭的吸水率和保溫性能[17]；另一方面，也能延長材料間的反應時間，使得顆粒間的粘結作用增大，從而增加磚頭的抗壓強度。

3.3 不同配方對磚的性能影響

3.3.1 P1組配方試驗結果

本研究在P1組配方中，對不同礦渣摻量煅燒的磚進行外觀、吸水率和密度的研究，其結果如表7和圖1所示。

圖1 礦渣摻量對密度和吸水率的影響

由表7可知，當礦渣摻量<1%時，燒結出的生態磚表面出現裂縫，并且液相程度低，外觀性能較差，隨著礦渣摻量的增加，生態磚表面的裂縫程度有所減緩。從成品磚的外觀可以粗略判斷其性能，若外觀出現裂縫，液相程度低的特征可推斷出燒結磚吸水率較高、密度較低；外觀完整且液化程度高可推斷出燒結磚吸水率低、密度高。而當礦渣摻量>1%時，燒結出的生態磚表面無裂縫，且液相程度高。礦渣是高爐煉鐵過程中形成的粒化固態渣，含有豐富的硅、鋁元素，以及堿金屬氧化物[18]。當礦渣增加含量時，磚體內的硅鋁含量也相應的增加，提高硅含量可以增加燒結過程中的熔融溫度，增加液相粘度；而提高鋁含量可以有效增加磚體的熱穩定性和機械強度，降低磚體的膨脹性能[19]，減少磚體的裂縫；同時，礦渣中的金屬氧化物可以起到助溶作用，能在較低燒結溫度下就能產生較高的液相程度，保證磚體的性能。

表7 不同礦渣摻量對磚性能的影響

由圖1可知，以礦渣作為添加劑時，成品磚的吸水率較低，并且隨著礦渣摻量的不斷增加，吸水率出現逐漸降低的趨勢，而磚體密度則不斷升高，當礦渣摻量達到5%時，其吸水率降低至0.35%。這是因為以礦渣作為添加劑，且其摻量不斷增加的條件下，水體底泥和豬糞混合材料的總有機質不斷下降，導致其在高溫煅燒條件下，內部結構出現的空隙減少，從而降低了成品磚的吸水率，因此，不適宜以礦渣作為添加劑進行生態磚的制備。

3.3.2 P2組配方試驗結果

P2組配比方案燒結出的成品磚其外觀效果較P1組好，無裂縫及泛霜，并且液相程度高，其吸水率與密度如圖2所示。

圖2 不同碳酸鈣及水玻璃摻量對密度和吸水率的影響

由圖2可知，隨著水玻璃的摻量增加，成品磚的吸水率呈現上升的趨勢；燒成密度呈下降趨勢，但在水玻璃摻量大于10%之后，其吸水率的上升趨勢趨于平緩，燒成密度下降趨勢也趨于平緩。如若繼續增加水玻璃的量對燒結磚性能提升效果不佳，由此可判斷水玻璃最佳摻入量為10%。水玻璃在高溫加熱時，會形成稠狀液體，具有良好的粘結能力，在一定范圍內添加水玻璃的摻量可以增加磚體內部顆粒間的粘結作用，保證磚頭的結構和吸水率，但過量的水玻璃將會填充磚體的孔隙結構，降低磚體的孔隙率，導致磚頭吸水率降低。

此外，在碳酸鈣摻入量為3%和5%時，燒結磚吸水率和密度呈現相同的趨勢。碳酸鈣在高溫條件下可以反應生成CaO和CO2，不僅可以起到助融作用，降低燒結溫度，生成液相程度高的磚體；還能作為產氣成分，促進磚體的孔隙形成，增加磚體的吸水率。在水玻璃摻入量為10%時，碳酸鈣摻入量為5%的吸水率僅比摻入量為3%提升了4.4%；燒成密度下降了1.1%，效果不明顯，考慮到添加劑量少的原則，選擇碳酸鈣最佳摻入量為3%。因此可初步推斷出原料最佳配比為底泥∶豬糞∶碳酸鈣∶水玻璃=80∶7∶3∶10。

4 結論

本研究利用河疏浚底泥和豬糞作為原材料，測定底泥的氧化物組成、塑性指數、總磷總氮含量；以及豬糞的熱值、元素及工業分析，并輔以礦渣和水玻璃、碳酸鈣作為添加劑，來制備生態磚，并對成品磚進行吸水率和密度分析，探索出制備生態磚的最佳配比。不僅消納了底泥及豬糞等污染物，制備的成品還能應用于工程建設中，也為底泥及豬糞的資源化利用途經提供了技術支撐。結論如下。

(1)白馬河疏浚底泥的氧化物組成以SiO2和Al2O3主，分別占總成分的62.69%和23.48%，同時還含有少量的Fe2O3及CaO、MgO、K2O、Na2O等物質；底泥的塑性指數為9.3，燒失率為11.34%，符合燒結磚對原料的基本要求。

(2)豬糞樣品的高位熱值為16380 J/g，約為普通煤燃燒熱值的1/2；豬糞樣品中各元素的含量范圍較大，N、C、H、S、O含量均值分別為3.040%、39.536%、7.934%、0.562%和27.006%；此外，豬糞中水分含量為6.40%，灰分含量為19.90%，揮發分含量為65.14%，推測其燃燒熱和麥秸相近。

(3)P1組配方制出的成品磚品質和外觀性能較差，表明礦渣不適宜作為制備生態磚的添加劑；而P2組配方制出的成品磚品質和外觀性能均較優，因此選用碳酸鈣和水玻璃作為添加劑；且原料最佳配比為底泥∶豬糞∶碳酸鈣∶水玻璃=80∶7∶3∶10。