城市污水污泥制备绿色掺合料分析_混凝土
导读:：城市污水厂的污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物。污泥灰也可以作为混凝土混料的细填料。
关键词：污泥，混凝土，掺和料
0 引言
城市污水污泥是污水处理厂污水处理的二次产物，指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物，它含有大量的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原菌等[1]。城市污水处理厂每天都产生大量需要处理的污泥。据统计，2007年，我国城市污水厂每年污泥产量500多万吨，且以每年10%的速度在增长[2]。现在70%以上是弃置，20%是填埋，不到10%的是通过堆肥等技术处理后回用于土地[3]。由于污泥中往往含有病菌和过量的重金属，没有经过无害化处理的污泥大量的弃置，最终作为资源用于土地，常常造成二次污染，严重影响了环境综合整治的实际成果。如何安全有效地处理污泥成为城市发展过程中亟待解决的一大难题。
从技术角度看，目前污泥处置方式主要有农用、填埋、焚烧、建材利用等几种[4]。图1是国内外对污泥处置的主要措施，也是我国未来对污泥处置的主要路线。从图中可以看出污泥可以通过很多途径用于建材。目前混凝土，污泥的建材利用已经被看作是一种可持续发展的污泥处置方式而在日本以及欧美国家逐渐发展起来[1]。随着污泥排放量的日益增加和人们对环境要求的不断提高，污泥的资源化利用近来备受关注，并且随着我国城市化进程的加快，水泥和混凝土的需求量也会日益增加，传统建材耗费大量自然资源，而自然资源有限。利用污泥制备绿色掺合料用于水泥混凝土工业中应用，不仅有利于污泥的无害化处理，同时可以节约土地和矿物资源。
图1 国内外污泥的主要处置措施
Figure 1 major measures of sludge disposal at home andabroad
1 污泥掺合料应用对环境的影响
污泥中含有大量的有害物质，最主要的是重金属。解决重金属污染问题是污泥在水泥混凝土工业中应用的关键。由于水泥高碱度的氢氧基，可将重金属转变成氢氧化物等低溶解性物质，从而将重金属截留，其主要原理可归纳为凝硬反应与水合反应两种。飞灰中的SiO2, A1203与水泥中Ca(OH)2发生凝硬反应，生成晶体状的钙铝盐类(C-A-H)以及钙硅胶体(C-S-H)，以填充水泥凝固时的微小孔隙，提高固结体强度和耐久性，同时降低固结体的透水性，反应形成的硅酸钙、铝酸钙等水合物胶体，随时间逐渐硬化最终形成结晶状态，将污泥的重金属离子包覆于结晶相中，形成稳定结构同时达到固结体的最终强度。由于水泥的这种固结作用，虽然污泥中含有一定量的重金属等有害物质，但可使固结体重金属浸出量小于国家标准，而且随着时间的延长，重金属浸出趋势将变小[5～7]。所以污泥作为绿色掺和料应用于水泥混凝土工业对环境的影响是很有限的，而且因为水泥的固结作用有利于污泥稳定化、无害化、资源化处理，大大减少了污泥对环境的影响。综合起来，污泥作为掺和料应用于水泥混泥土工业是有利于环境的综合治理。
2 用污泥烧制掺和料可行性分析
对于SiO2 +A1203含量较高的污泥，我们可以考虑用来烧制绿色混凝土掺和料。对常温污泥和900°C焙烧污泥进行化学成分以及火山灰化学成分分析如表1[8]，分析其是否含有火山灰活性材料所必须具备的化学成分混凝土，表明:经900 oC高温焙烧后，污泥中的主要无机物总量从52.8%提高到89.2%，特别是SiO2 +A1203+Fe2O3，总量高达76.2%，很接近火山灰SiO2+A1203+Fe2O3含量[9]。分析可知，SiO2+A1203+Fe2O3含量较高的污泥，只要在高温焙烧或焚烧后进行快速冷却，就可形成足够多的活性SiO2和活性A1203[9]，从而使污泥具有较高的火山灰活性。新加坡的Tay-J.H研究表明污泥灰替代一部分水泥并不会降低混凝土的强度，而且在一定范围内还有利于混凝土强度的提高[10]。Hamernik and Frantz [11]研究了不同种类的污泥灰，根据ASTM标准，发现污泥灰类似于C级火山灰。J. Monzo和 J. Paya [12]等研究也表明污泥灰有一定的火山灰活性而且在污泥灰掺量为15%时，14天和28天的水泥浆体的强度大于没有加污泥灰同龄期水泥浆体的强度。所以用污泥制掺和料是可行的。
表1 常温和焙烧后的污泥以及火山灰化学成分 %
Table 1 The chemical composition ofdry sludge, sludge ash and volcanic ash %
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材料 |
化学成分 |
|||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
Na2O |
|
|
干化污泥 |
35.1 |
7.2 |
5.4 |
1.8 |
2.8 |
0.5 |
|
污泥灰 |
52.8 |
15.7 |
8.7 |
4.3 |
7.7 |
|
|
火山灰 |
54.08 |
26.62 |
2.64 |
0.64 |
6.03 |
|
3 增加污泥灰火山灰活性途径
污泥作为掺和料是可行的，但污泥灰的火山灰活性与粉煤灰，矿渣相比较低。要想把污泥掺和料广泛大量在水泥混凝土工业中，增加污泥掺和料的活性是关键。我们可以通过以下途径增强污泥掺和料的火山灰活性：
(1)细磨。Shih-Cheng Pana和Dyi-Hwa Tseng[13]研究表明通过细磨，污泥灰颗粒的表面积增加，污泥的火山灰活性显著提高，从而使污泥混凝土的强度提高。他们还研究得出，污泥灰表面积每增加100m2/kg，其活性指数将增加5%，而且随着污泥颗粒表面积的增加，其“滚珠效应”和“形态效应”也显著提高，从而使掺有污泥掺和料的水泥浆体工作性能明显提高。但是他们同时研究表明当污泥细磨到一定程度时，其活性很难再有提高。且细磨过程能耗比较大。所以细磨是物制备绿色掺和料的有效途径，但同时也有一定的局限。
(2)控制焚烧温度和焚烧时间。Joo-Hwa Tay和Kuan-Yeow Show[14]研究表明1000°C的焚烧温度和4个小时的焚烧时间是最合适的，在这种焚烧温度和焚烧时间下得到的污泥灰其火山灰活性最强。国内外在研究污泥作为掺和料方面的研究对象一般是污泥焚烧场的污泥灰渣，研究得出其活性不高，其主要原因有：1.焚烧温度过高或过低。焚烧炉内的温度一般在750°C～1000°C混凝土，但污泥含有大量的有机物，有机物燃烧放出大量的热，使焚烧炉内的温度超过1000°C，或者污泥含水量比较大，水蒸发带走大量热，使得实质温度低于1000°C。温度过高或过低，都不利于其火山灰活性的增强。2.焚烧时间不够。在焚烧场，污泥焚烧时间一般在半个小时左右，远达不到污泥烧制掺和料的最佳焚烧时间。所以控制好污泥的焚烧温度和焚烧时间是增加其活性的有效途径。
(3)加入激发剂。激发剂是一种能够激发工业废渣里面活性物质，让其发生化学反应的复合剂。污泥灰渣和粉煤灰、矿渣等工业废渣一样，里面含有大量的SiO2和Al2O3这些活性物质，但它们以“玻璃体”惰性状态存在，通过化学激发，可以大大增强污泥灰的火山灰活性，进而增加污泥掺和料取代水泥的用量，从而大大降低水泥用量提高污泥的利用率。激发剂用量小，一般在2%左右，也比较便宜，比较常见的激发剂有石膏、NaOH 、Ca(OH)2等核心期刊。所以用加激发剂增强污泥灰的火山灰活性的途径是简单而有效的。
(4)改善焚烧工艺。污泥焚烧场焚烧污泥主要目的是减少污泥的体积，其焚烧温度和焚烧时间不适合用来烧制污泥掺和料，而且污泥在焚烧场焚烧炉中焚烧不均匀、不充分。这就需要改进其焚烧工艺，以适应用污泥烧制掺和料。例如先将脱水干燥的污泥细磨然后喷入焚烧炉中焚烧，这将使污泥充分均匀焚烧。控制好焚烧温度，将污泥中有机物燃烧产生的多余的热量导出，使焚烧炉内温度恒定在一个最佳值。虽然改进焚烧工艺需要增加成本，但通过改进焚烧工艺，污泥灰渣的火山灰活性将大大增强，有利污泥灰在混凝土中大量应用，这样可以大大减少污泥灰渣处理所带来的环境问题。
(5)加入稻壳灰、垃圾灰等增加污泥中SiO2 、A1203等化学成分。由表2可知稻壳灰SiO2含量非常高混凝土，垃圾灰中A1203和CaO的含量比较高，在污泥中加入稻壳、垃圾等一起焚烧，可以增加污泥灰中SiO2 、A1203等化学成分，有利于污泥灰火山灰活性的增强，而且其综合效应将有利于污泥灰作为绿色掺和料在水泥混凝土工业中的利用。而且稻壳灰和垃圾灰产量大且容易获得，所以加入稻壳灰、垃圾灰以增加污泥掺和料的火山灰活性是比较经济且简单易行的。
上述六种提高污泥掺和料火山灰活性的途径都是有效可行的，通过这些途径，我们可以用污泥制备出绿色掺和料，提高其火上灰活性，增加污泥掺合料在水泥和混凝土工业中的应用量。这将有利于污泥的无害化，资源化处理，同时也有利于土地和矿物资源的节约以及环境的综合治理。
表2 污泥焚烧灰、稻壳灰和垃圾灰化学成分比较 %
Table 2 The chemical composition comparation ofsludge incineration ash ，rice hull ash and garbage ash%
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材料 |
化学成分 |
||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
Na2O |
SO3 |
|
|
污泥灰 |
20.3 |
14.6 |
1.8 |
2.1 |
20.6 |
0.5 |
7.8 |
|
稻壳灰 |
91.7 |
0.36 |
0.86 |
0.31 |
0.90 |
0.12 |
|
|
垃圾灰 |
22.9 |
30.4 |
19.7 |
4.8 |
5.6 |
3.3 |
|
4 总结
(1)通过上面的分析可以得出用污泥烧制混凝土掺合料是可行的。它具有一定的活性，其某些特性能够在一定程度上提高混凝土的性能。
(2)用污泥烧制的掺合料活性类似于C级火山灰，活性不高，但是可以同过细磨、控制焚烧温度和焚烧时间、加入激发剂、改善焚烧工艺等有效途径提高污泥掺合料的火山灰活性。
(3)污泥烧制混凝土掺合料前景广阔。污泥的产量大，应用于混凝土对环境影响小，用污泥烧制混凝土掺合料不仅有利于污泥稳定化、无害化、资源化处理,而且有利于土地、矿物资源的节约，自然资源的保护以及社会可持续发展。
参考文献：
[1]汪靓,朱南文,张善发等.污泥建材利用现状及前景探讨[J].给水排水,2005,(3):40-41.
[2]谷晋川,将文举,雍毅.城市污水厂污泥处理与资源化[M].北京:化学工业出版社,2008.
[3]黄昀,王洪臣.浅谈城市污水处理厂运行管理问题[J].中国建设信息(水工业市场),2007,(1):40-43.
[4]郭鸿,万金泉,马邕文.污泥资源化技术研究新进展[J].化工科技,2007,(1):46-50.
[5]Q.Y.Chen,M.Tyrer,C.D.Hills,X.M.Yang,P.Carey.Immobilisationof heavy metal in cement-based solidification/stabilisation[J].WasteManagement,2009,29(1):390-403.
[6]Zbigniew Giergiczny,Anna Król.Immobilization of heavy metals(Pb,Cu,Cr,Zn,Cd,Mn) in the mineral additions containing concretecomposites[J].Journal of Hazardous Materials,2008,160(2-3): 247-255.
[7]Alunno,R.V.,Medici,F.Immobilisation of toxic metals in
cement matrices[J].Cementand Concrete Research,1995,25:1147-1152.
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