賈魯濤 崔 強(qiáng) 梅 浩 張亞梅 張培根 孫正明

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)保能源集團(tuán)有限公司, 無(wú)錫 214131)(3華電電力科學(xué)研究院, 杭州 310030)

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湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合燒結(jié)磚的制備、性能及環(huán)境安全性

賈魯濤1,3崔 強(qiáng)2梅 浩1張亞梅1張培根1孫正明1

(1東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(2無(wú)錫國(guó)聯(lián)環(huán)保能源集團(tuán)有限公司, 無(wú)錫 214131)(3華電電力科學(xué)研究院, 杭州 310030)

以湖泊淤泥為主要原材料、煤渣為瘠性料、生活污泥為成孔劑,在實(shí)驗(yàn)室采用真空擠壓塑性成型技術(shù)制備并燒結(jié)得到燒結(jié)磚試樣.當(dāng)湖泊淤泥、煤渣和生活污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85%,10%和5%時(shí),可制備出干燥線性收縮為5.35%、吸水率為16.5%、抗壓強(qiáng)度為20.5 MPa的燒結(jié)磚試樣.按《環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測(cè)定同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》(HJ 77.2—2008)的相關(guān)規(guī)定,采用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀(HRGC/HRMS)對(duì)焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,焙燒過(guò)程中釋放的二噁英毒性當(dāng)量為0.176 ngTEQ/m3,遠(yuǎn)低于《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)中規(guī)定的1 ngTEQ/m3排放標(biāo)準(zhǔn).重金屬浸出試驗(yàn)表明,所測(cè)重金屬浸出濃度低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)限值的5個(gè)數(shù)量級(jí)左右,焙燒過(guò)程對(duì)重金屬進(jìn)行了有效固化,使用過(guò)程中不會(huì)造成重金屬污染.

湖泊淤泥;污泥;燒結(jié)磚;重金屬;二噁英

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)等污染物的排放已嚴(yán)重超過(guò)周圍水環(huán)境的承載能力,很多水域存在水體富營(yíng)養(yǎng)化[1-3]、重金屬污染[4-5]等水質(zhì)惡化問(wèn)題.湖泊清淤是湖泊污染治理的重要方式之一[6],我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥[7].疏浚底泥的利用方式主要有堆肥處理和園林綠化[8]、淤泥固化用作填方材料[9]、生產(chǎn)建筑材料[10-11]等.其中,以淤泥為主要原材制備燒結(jié)磚是實(shí)現(xiàn)資源綜合利用的有效途徑之一[12-14].另一方面,隨著城市污水處理力度的加大,污泥產(chǎn)量也隨之加大.生活污泥中一般含有重金屬以及大量的致病微生物等有害物質(zhì),若處置不當(dāng),易造成二次污染[15-17].

目前已有大量利用湖泊淤泥或者生活污泥制備燒結(jié)磚的研究,但一般存在淤泥摻量較少等問(wèn)題.而將湖泊淤泥和生活污泥復(fù)合制備燒結(jié)磚的研究很少,基本停留在對(duì)強(qiáng)度、吸水率等基本性能的研究上,對(duì)環(huán)境安全性的研究也側(cè)重于燒結(jié)磚重金屬浸出毒性方面.林子增等[18]以生活污泥、黏土為原材料制備燒結(jié)磚,研究結(jié)果表明,污泥中重金屬在高溫焙燒階段與硅酸鹽晶體熔融固化,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成重金屬污染.陳偉等[19]以污泥和頁(yè)巖為主要原材料制備燒結(jié)磚,研究發(fā)現(xiàn)Cu,Cr,Pb等重金屬在燒結(jié)制品中易形成穩(wěn)定的尖晶石型礦物從而被固化.由于生活污泥具有有機(jī)高聚物等污染物含量高的特點(diǎn),燃燒過(guò)程中有可能釋放對(duì)環(huán)境及人體有害的二噁英等物質(zhì)[20],但目前文獻(xiàn)中缺乏淤泥結(jié)合生活污泥制磚燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二噁英等有害物質(zhì)的定量研究.

本文以湖泊淤泥為主要原材料、煤渣為瘠性料、生活污泥為成孔劑制備燒結(jié)磚.采用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀(HRGC/HRMS)測(cè)試湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合燒結(jié)磚在焙燒過(guò)程中有可能產(chǎn)生的二噁英類氣體的種類及含量;測(cè)試分析了燒結(jié)磚試樣的重金屬浸出毒性,對(duì)燒結(jié)磚從生產(chǎn)到應(yīng)用過(guò)程的環(huán)境安全性進(jìn)行了研究.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

淤泥取自江蘇某湖泊,初始含水量約為40%,顆粒細(xì)微,塑性指數(shù)為14.2;煤渣為燃煤后得到的爐渣,呈紅褐色;生活污泥來(lái)自江蘇某污水處理廠.所有原材料經(jīng)烘干、破碎、過(guò)篩(2 mm)后用于原材料性能測(cè)試及實(shí)驗(yàn)室擠壓成型.

1.1.1 氧化物組成

采用X射線熒光光譜儀(XRF)檢測(cè)干燥原材料的化學(xué)組成,結(jié)果見(jiàn)表1.可以看出,淤泥主要氧化物組成為SiO2,Al2O3,Fe2O3,并有少量CaO,MgO,Na2O,K2O等,燒失量為5.11%;煤渣和污泥中SiO2,Al2O3含量低于淤泥,Fe2O3,CaO含量高于淤泥,污泥燒失量為47.50%,說(shuō)明污泥中含有大量有機(jī)質(zhì).

表1 湖泊淤泥、煤渣及生活污泥的化學(xué)組成

1.1.2 物相組成

用X射線衍射儀(XRD)分析了干燥原材料的物相組成,分析表明:石英為淤泥的主要礦物,另外還有鈉長(zhǎng)石、云母等黏土礦物;生活污泥主要由石英、鈉長(zhǎng)石、綠泥石等礦物組成;煤渣主要由石英、莫來(lái)石、赤鐵礦、硬石膏等礦物組成.

1.1.3 重金屬含量

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)試原材料中的重金屬含量,結(jié)果見(jiàn)表2.可見(jiàn),3種原材料中重金屬的含量雖然不同,但總體含量均較高,特別是生活污泥中的Cd,As,Zn等含量都特別高,已超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2008)中規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值.綜合利用這些重金屬含量高的材料時(shí),必須有效固化重金屬才能避免二次污染[21].

表2 湖泊淤泥、煤渣、生活污泥中的重金屬含量

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測(cè)方法

參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)進(jìn)行吸水率、強(qiáng)度等性能測(cè)試;采用TPS 2500S型熱常數(shù)測(cè)定儀測(cè)試燒結(jié)磚試樣的導(dǎo)熱系數(shù);實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的重金屬浸出試驗(yàn)參照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》(HJ 557—2010)進(jìn)行;采用TL1200管式爐進(jìn)行污泥焚燒(最高燒成溫度為950 ℃),模擬湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合制磚過(guò)程,并同時(shí)進(jìn)行焚燒過(guò)程中氣體的收集,按《環(huán)境空氣和廢氣二噁英類的測(cè)定同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》(HJ 77.2—2008)的相關(guān)規(guī)定,對(duì)可能產(chǎn)生的二噁英類氣體進(jìn)行測(cè)試分析.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚試樣的制備

將烘干、過(guò)篩后的原材料干混均勻,加水,攪拌,陳化3 d后使用.

1) 成型.采用小型真空擠壓機(jī)對(duì)陳化后的物料進(jìn)行塑性擠出成型.根據(jù)物料的特點(diǎn)和小型真空擠壓機(jī)的實(shí)際情況,本研究的最佳成型條件為:水分20%,壓力1 MPa,真空度-0.075 MPa.成型后的泥條經(jīng)鋼絲切割成長(zhǎng)度為50和100 mm磚坯,長(zhǎng)度為50 mm的燒結(jié)磚用于強(qiáng)度測(cè)試,長(zhǎng)度為100 mm的燒結(jié)磚用于干燥線性收縮等其他性能的測(cè)試.2種燒結(jié)磚試樣的截面尺寸均為28 mm×17 mm.

2) 干燥.成型后的坯體首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然干燥24 h,然后放入鼓風(fēng)干燥箱中,由室溫開(kāi)始緩慢升溫,升溫速率控制在10 ℃/h,并在最高溫度105 ℃恒溫4 h,保證磚坯充分干燥.干燥過(guò)程中磚坯未產(chǎn)生裂紋.

3) 焙燒.干燥后的坯體放入實(shí)驗(yàn)室電爐中焙燒,控制升溫速率小于100 ℃/h,并在最高燒成溫度950 ℃保溫2 h,然后隨爐冷卻.整個(gè)過(guò)程約為24 h.

試驗(yàn)所用配比見(jiàn)表3.

表3 試驗(yàn)配比 %

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)磚的性能

2.1.1 干燥線性收縮

坯體的干燥收縮是塑性成型的必然現(xiàn)象.成型時(shí),混合料周圍被水膜包圍,在干燥過(guò)程中,隨著水分的蒸發(fā),固體顆粒會(huì)相互靠攏,宏觀上表現(xiàn)為試樣尺寸的縮小.

由圖1可知,純淤泥磚坯的線性干燥收縮為6.45%,在各組中最大,主要原因是淤泥粒徑較小,塑性指數(shù)較高,干燥收縮也較大.隨著煤渣摻量的增加,干燥線性收縮降低,一方面是煤渣本身為瘠性料,幾乎沒(méi)有塑性,煤渣的加入降低了混合料的塑性指數(shù);另一方面,煤渣的粒徑較淤泥大,在干燥過(guò)程中起到骨架的作用,減少了干燥線性收縮.當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),磚坯干燥線性收縮為5.35%.干燥后的生活污泥顆粒較大,且硬度較大,可起到骨架的作用,降低了干燥收縮.通常燒結(jié)磚的總收縮需控制在8%以下,因此,各試驗(yàn)配比組均滿足此要求.

圖1 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚坯體的干燥線性收縮

2.1.2 體積密度

燒結(jié)磚的體積密度與成型水分、壓力、尺寸收縮、燒失量等有關(guān).由圖2可以看出,純淤泥燒結(jié)磚的體積密度最大,隨著煤渣摻量的增加,燒結(jié)磚的體積密度逐漸降低.試驗(yàn)所用干淤泥的密度約為1 329 kg/m3,煤渣密度約為1 278 kg/m3,煤渣密度略小;同時(shí),隨著煤渣摻量的增加,磚坯的干燥線性收縮降低,這對(duì)于體積密度的降低起到主要作用.生活污泥具有較大的燒失量,當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),燒結(jié)磚的體積密度為1 633 kg/m3,較純淤泥燒結(jié)磚的體積密度降低4.5%.通常,較小的體積密度對(duì)應(yīng)較小的導(dǎo)熱系數(shù),這對(duì)于降低建筑物自重、提高其保溫隔熱性能具有一定的意義.

圖2 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的體積密度

2.1.3 吸水率

吸水率是評(píng)價(jià)制品耐久性的重要指標(biāo)之一.吸水率越低,燒結(jié)磚的耐久性越好.燒結(jié)磚的吸水率主要與其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān):① 干燥過(guò)程中水分蒸發(fā)使得制品內(nèi)部形成孔隙;② 坯料中的有機(jī)物的燃燒、無(wú)機(jī)物分解也會(huì)在制品中留下氣孔;③ 坯料經(jīng)高溫后產(chǎn)生的熔融相如果不能充分填充這些空間,也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部存在殘留孔隙[22].

由圖3可以看出,純淤泥燒結(jié)磚的24 h吸水率為15.4%,5 h沸煮吸水率為17.4%;隨著煤渣摻量的增加,吸水率逐漸增大.《燒結(jié)普通磚》(GB 5101—2003)要求非嚴(yán)重風(fēng)化區(qū)的5 h沸煮吸水率不得大于19%.當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為15%時(shí),燒結(jié)磚的5 h沸煮吸水率為19.8%,略高于標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),燒結(jié)磚的24 h吸水率為16.5%,5 h沸煮吸水率為17.9%,滿足要求.用5%的生活污泥等量取代煤渣時(shí),燒結(jié)磚5 h沸煮吸水率降低,主要原因是生活污泥燒失量(47.50%)遠(yuǎn)高于煤渣的燒失量(1.04%),其熱值較高,在焙燒過(guò)程中釋放一定的熱量,促進(jìn)周圍黏土顆粒熔融,填充孔隙,冷卻后形成較多的玻璃相,且形成的孔大多為密閉孔.

圖3 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的吸水率

2.1.4 強(qiáng)度

淤泥與黏土的燒結(jié)過(guò)程類似,升溫過(guò)程主要有自由水的排出、結(jié)合水的失去、氫氧化物的氧化、有機(jī)質(zhì)的燃燒、無(wú)機(jī)物的分解等.隨著溫度的升高,坯體內(nèi)產(chǎn)生越來(lái)越多熔融液相,熔融液相包裹固體顆粒同時(shí)填充孔隙,最后冷卻得到堅(jiān)實(shí)致密的磚體.燒結(jié)磚的強(qiáng)度主要來(lái)源于磚體內(nèi)結(jié)晶的新生骨架和玻璃相.

由圖4可以看出,純淤泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最大為33.1 MPa.隨著煤渣摻量的增加,實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的強(qiáng)度逐漸下降,當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為15%時(shí),其強(qiáng)度為23.3 MPa,較純淤泥燒結(jié)磚下降約30%.當(dāng)淤泥摻量為85%、煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),燒結(jié)磚的強(qiáng)度為20.5 MPa,較純淤泥燒結(jié)磚降低38%,可見(jiàn),污泥的摻加對(duì)強(qiáng)度的影響較大.

圖4 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的強(qiáng)度

2.1.5 抗凍性

燒結(jié)磚由于其自身的多孔結(jié)構(gòu),具有吸收、貯存、傳遞液態(tài)水的能力,在結(jié)冰、融化的過(guò)程中,在材料不同部位形成溫度差和應(yīng)力差,當(dāng)經(jīng)受反復(fù)凍融循環(huán)時(shí),損傷逐漸擴(kuò)大,致使材料發(fā)生開(kāi)裂、掉角、剝落等,造成質(zhì)量和強(qiáng)度的損失,甚至完全失效.

參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)對(duì)實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚進(jìn)行凍融試驗(yàn),在-15～-20 ℃下冰凍,在10 ℃融化,每3 h為一個(gè)凍融循環(huán).實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的抗凍性如圖5所示.可以看出,在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,純淤泥燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率最小,抗凍性能最優(yōu),隨著煤渣摻量的增加,燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率逐漸增加,抗凍性能下降.這是因?yàn)殡S著煤渣摻量的增加,燒結(jié)磚的孔隙率增大,強(qiáng)度逐漸下降,導(dǎo)致其抵抗凍融循環(huán)破壞的能力下降.但總體上,所有燒結(jié)磚的質(zhì)量損失率都較小,表明其抗凍性較好.

圖5 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的抗凍性

用5%的生活污泥等量取代煤渣時(shí),燒結(jié)磚的抗凍性較優(yōu),一方面是因?yàn)榍罢呶瘦^低;另一方面,燒結(jié)制品的抗凍性與其孔隙率、孔徑分布參數(shù)等有著密切的關(guān)系[23-24].一般來(lái)說(shuō),隨著孔隙率的增大,燒結(jié)制品的抗凍性能下降,在相同的孔隙率條件下,具有細(xì)小微孔尺寸的燒結(jié)制品在凍融循環(huán)過(guò)程中水壓阻力增大,對(duì)凍融循環(huán)更加敏感.生活污泥在焙燒過(guò)程中釋放熱量,促進(jìn)黏土顆粒熔融,優(yōu)化了孔徑分布,同時(shí)冷卻后形成較多的密閉空間,可以緩解燒結(jié)磚在凍融循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力,改善抗凍性能.

2.1.6 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)燒結(jié)磚保溫隔熱性能的重要指標(biāo).在多孔材料中,導(dǎo)熱系數(shù)是孔結(jié)構(gòu)和密度的函數(shù),一般來(lái)說(shuō),孔隙率高、孔徑小、孔尺寸分布均勻的多孔材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù).

由圖6可以看出,純淤泥燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.623 W/(m·K);隨著煤渣摻量的增加,燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)降低,當(dāng)煤渣摻量在10%以內(nèi)時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)的降低幅度較小,當(dāng)煤渣摻量為15%時(shí),較純淤泥燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)降低約5.9%;當(dāng)煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.533 W/(m·K),較純湖泊淤泥燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)降低11.3%,生活污泥的摻加對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的降低影響作用較為明顯.

圖6 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 環(huán)境安全性

2.2.1 二噁英類氣體

污泥在燃燒過(guò)程中有可能釋放對(duì)環(huán)境及人體有害的二噁英等物質(zhì),因此,需要對(duì)湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合燒結(jié)磚在焙燒過(guò)程中釋放的氣體進(jìn)行定性和定量的環(huán)境評(píng)價(jià).常用的差示掃描量熱儀可用于研究污泥燃燒特性及燃燒過(guò)程釋放的氣體等,但其一般只可檢測(cè)到分子量較小的CO,CO2,NOx,SOx等氣體[25-26],無(wú)法檢測(cè)到分子量較大的有機(jī)物,如二噁英類物質(zhì)等.本文采用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜聯(lián)用儀(HRGC/HRMS)測(cè)試了湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合燒結(jié)磚在焙燒過(guò)程中有可能產(chǎn)生的二噁英類氣體的種類及含量,分析其環(huán)境安全性.采用TL1200管式爐(見(jiàn)圖7)對(duì)樣品進(jìn)行焙燒,然后用天虹儀表有限公司生產(chǎn)的微電腦煙塵平行采樣儀(見(jiàn)圖8)進(jìn)行氣體收集,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.

圖7 樣品焚燒裝置

圖8 二噁英收集裝置

樣品檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果濃度/(ng·m-3)TEF毒性當(dāng)量濃度/(ng·m-3)多氯二苯并對(duì)二噁英(PCDDs)2，3，7，8?T4CDD0．0043410．004341．2．3，7，8?P5CDD0．03960．50．019801，2，3，4，7，8?H6CDD0．03780．10．003781，2，3，6，7．8?H6CDD0．05570．10．005571，2，3，7，8，9?H6CDD0．04920．10．004921，2，3，4，6，7，8?H7CDD0．25600．010．00256O8CDD0．29500．0010．000295多氯二苯并呋喃(PCDFs)2，3，7，8?T4CDF0．02420．10．002421，2，3，7．8?P5CDF0．06090．050．003052，3，4，7，8?P5CDF0．1380．50．069101，2，3，4，7，8?H6CDF0．1560．10．015601，2，3，6，7，8?H6CDF0．1600．10．016002，3，4，6，7，8?H6CDF0．1870．10．018701，2，3，7，8，9?H6CDF0．04210．10．004211，2，3，4，6，7，8?H7CDF0．4810．010．004811，2，3，4，7，8，9?H7CDF0．06040．010．000604O8CDF0．1300．0010．00013毒性當(dāng)量TEQ(PCDDs+PCDFs)0．176ngTEQ/m3

從表4可以看出,在樣品焚燒過(guò)程中收集到的氣體中檢測(cè)到了多種不同異構(gòu)體的二噁英類物質(zhì).由于二噁英類物質(zhì)主要以混合物的形式存在,在對(duì)二噁英類的毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),根據(jù)其不同的毒性當(dāng)量因子(TEF),通常把各類物質(zhì)折算成相當(dāng)于2,3,7,8-TCDD的量來(lái)表示,稱為毒性當(dāng)量,以TEQ表示.本研究所測(cè)得的總毒性當(dāng)量為0.176 ngTEQ/m3.在我國(guó) 《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)中規(guī)定,二噁英的排放濃度應(yīng)小于1 ngTEQ/m3,所以,在本試驗(yàn)條件下,焚燒產(chǎn)生的氣體中二噁英類物質(zhì)毒性遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)極限值.考慮到在實(shí)際的燒結(jié)磚生產(chǎn)過(guò)程中,一般需要通入大量的空氣作為助燃風(fēng),可進(jìn)一步促進(jìn)污泥的充分燃燒和二噁英的分解,也可以稀釋尾氣中二噁英等有害氣體的濃度,同時(shí),生產(chǎn)過(guò)程中一般也會(huì)控制較長(zhǎng)的保溫時(shí)間,促進(jìn)二噁英等有害物質(zhì)的進(jìn)一步分解.所以,在污泥合理?yè)搅糠秶鷥?nèi),通過(guò)生產(chǎn)工藝等的控制,完全可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二噁英類物質(zhì)排放毒性的要求.

2.2.2 重金屬浸出毒性

燒結(jié)磚的重金屬毒性析出也是需要關(guān)注的問(wèn)題.由于物理化學(xué)性質(zhì)的不同,不同重金屬經(jīng)高溫焙燒后遷移過(guò)程有一定的差別.一般認(rèn)為,Pb等沸點(diǎn)較低、揮發(fā)性較強(qiáng)的元素,在高溫作用下容易生成氣態(tài)產(chǎn)物而揮發(fā);Cd屬于半揮發(fā)性物質(zhì),在高溫條件下部分揮發(fā)、部分轉(zhuǎn)化成其他難溶鹽等形式,而不易被浸出;Zn元素屬于容易富集的元素,在高溫作用下可以與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成共熔物或不易析出的化合物;Cr是典型的親氧元素,高溫下易發(fā)生氧化反應(yīng),由Cr3+向Cr6+轉(zhuǎn)化,最終形成易溶鈣鹽等,更易發(fā)生遷移[27].

淤泥經(jīng)950 ℃高溫焙燒、冷卻后形成密實(shí)的微觀結(jié)構(gòu),同時(shí),重金屬可以進(jìn)入一些礦物的晶格間隙或取代硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的Ca2+,Al3+等,使其在礦物中被固化[28].本研究用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)試燒結(jié)磚的重金屬析出性能.由表5可以看出,所測(cè)重金屬浸出濃度遠(yuǎn)低于《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的標(biāo)準(zhǔn)要求,因此,湖泊淤泥、生活污泥等綜合利用生產(chǎn)燒結(jié)磚不會(huì)對(duì)環(huán)境造成重金屬污染.

表5 燒結(jié)磚重金屬浸出毒性及危險(xiǎn)成分限值 ng/L

3 結(jié)論

1) 湖泊淤泥顆粒較細(xì)、塑性指數(shù)高,氧化物組成、礦物組成等滿足生產(chǎn)燒結(jié)磚對(duì)原材料理化性能的基本要求.

2) 煤渣可作為瘠性料用于湖泊淤泥燒結(jié)磚的生產(chǎn),對(duì)于降低坯體的干燥線性收縮具有重要的作用;隨著其摻量的增加,實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚的強(qiáng)度降低,吸水率增大,導(dǎo)熱系數(shù)降低.

3) 生活污泥具有較大的燒失量,不宜單獨(dú)使用來(lái)生產(chǎn)燒結(jié)磚,但可利用其有機(jī)質(zhì)含量高、熱值較大的特點(diǎn),將其作為成孔劑與湖泊淤泥復(fù)合使用,對(duì)于降低制品自重,減少外投燃料的使用,提高其保溫隔熱性能都具有重要的作用.湖泊淤泥摻量為85%、煤渣摻量為10%、生活污泥摻量為5%時(shí),可制備出干燥線性收縮為5.35%、吸水率為16.5%、強(qiáng)度為20.5 MPa的實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)磚.

4) 湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合生產(chǎn)燒結(jié)磚,重金屬可以得到有效固化,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成重金屬污染.同時(shí),本試驗(yàn)條件下,焙燒過(guò)程中有一定二噁英產(chǎn)生,其總的毒性當(dāng)量為0.176 ngTEQ/m3,遠(yuǎn)低于《生活垃圾污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)排放要求1 ngTEQ/m3.

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Preparation, properties and environmental safety of fired bricks made from lake silt and sewage sludge

Jia Lutao1,3Cui Qiang2Mei Hao1Zhang Yamei1Zhang Peigen1Sun Zhengming1

(1School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Wuxi Guolian Environment and Energy Group Co., Ltd., Wuxi 214131, China)(3Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou 310030, China)

A vacuum plastic extruder in laboratory was employed to make the brick samples with lake silt, cinder and sewage sludge as primary raw material, coarse aggregate and pore-forming agent. An optimal combination of the linear drying shrinkage (5.35%), water absorption (16.5%) and compressive strength (20.5 MPa) was achieved for fired bricks made from 85% lake silt, 10% cinder and 5% sewage sludge, respectively. Gases released during sintering process were analyzed by the combined technique of high resolution gas chromatography and high resolution mass spectrometry (HRGC/HRMS) according to the specification HJ 77.2—2008 (ambient air and flue gas determination of polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) and polychorinated dibenzofurans (PCDFs) isotope dilution HRGC-HRMS) for testing the PCDDs/PCDFs in environment and waste gas by HRGC/HRMS. The results show that the toxic equivalent of PCDDs/PCDFs is 0.176 ngTEQ/m3, which is much less than 1 ngTEQ/m3, specified in GB 18485—2014 (standard for pollution control on the municipal solid waste incineration). Heavy metal leaching tests show that heavy metals in bricks are lower than that specified in specification for leaching toxicity evaluation of dangerous wastes GB 5085.3—2007 (identification standards for hazardous wastes—identification for extraction toxicity) for about 5 orders of magnitudes, demonstrating that heavy metals are effectively immobilized. Thus the environment would not be polluted by the use of the bricks.

lake silt; sewage sludge; fired brick; heavy metal; dioxins

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.032

2015-12-20. 作者簡(jiǎn)介: 賈魯濤(1989—),男,碩士生;張亞梅(聯(lián)系人),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,ymzhang@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378115).

賈魯濤,崔強(qiáng),梅浩,等.湖泊淤泥與生活污泥復(fù)合燒結(jié)磚的制備、性能及環(huán)境安全性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(6):1301-1307.

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.06.032.

TU522.19

A

1001-0505(2016)06-1301-07