朱盛勝，陳 寧，俞泠智

（1.上海市建筑科學(xué)研究院；2.上海理工大學(xué)，上海 201108）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城市污水產(chǎn)生量與處理量大幅增加，污泥排放量飛速增長(zhǎng)。截至2016年底，全國(guó)污泥排放量超過(guò)3 500萬(wàn)t/a（含水率在80%左右），且其產(chǎn)生量仍以每年10%的數(shù)量增加。污泥是由有機(jī)殘片、細(xì)菌體、無(wú)機(jī)顆粒和膠體等組成的非均質(zhì)體，含有細(xì)菌、重金屬、有機(jī)污染物等多種復(fù)雜成分，若未經(jīng)妥善處置，將嚴(yán)重污染水質(zhì)、土壤和大氣環(huán)境。

目前，污泥處置方式主要分為填埋、焚燒和資源化利用。填埋是常用的污泥處置方式，成本較低，但占用大量土地資源，易形成二次污染。焚燒是將污泥深度脫水后，摻入生活垃圾協(xié)同焚燒或單獨(dú)焚燒，處理成本較高。資源化利用包括建材利用、土地利用和生物質(zhì)能利用等，其中利用污泥制備燒結(jié)磚，是污泥再生建材利用的重要手段之一，不僅可以減少黏土資源消耗，充分利用污泥中的熱值和無(wú)機(jī)組分，還可以有效控制污泥中有機(jī)污染物和重金屬的危害[1-2]。本文研究上海市不同污水廠污泥制備燒結(jié)磚的性能，為不同種類污泥用于燒結(jié)建材提供技術(shù)支撐。

1 原材料

黏土原料取自上海某工程基坑土，4種污泥原料取自不同的污水處理廠，分別記為XS、XJ、XW和XC。原材料的含水率如表1所示，污泥化學(xué)組成如表2所示。

表1 污泥含水率

表2 污泥化學(xué)成分

分析表2可知，不同來(lái)源污泥的化學(xué)組成存在較大差異，XS主要組成為CaO，SiO2和Al2O3的含量較低，并且MgO比其他三組污泥含量高。采用XS制備燒結(jié)磚將顯著降低燒結(jié)磚的力學(xué)性能，但是易引起石灰爆裂等問(wèn)題[3]。XJ、XW和XC三種污泥主要化學(xué)組成相近，包括SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，與一般黏土材料組成較為相似，可替代部分黏土制備燒結(jié)磚。但三種污泥化學(xué)組成仍有差異，例如，XW的燒失量最低，SiO2含量較高，XJ的Fe2O3含量相對(duì)較高[4]。

2 試驗(yàn)

將基坑土和污泥按設(shè)計(jì)配合比（基坑土:污泥:紅磚粉=75:15:10）混合，經(jīng)兩次輪碾攪拌均勻，密封陳化2 d，壓力成型制坯，坯體在自然通風(fēng)條件下晾曬，使含水率保持在5%～7%，在950℃下焙燒，制成污泥燒結(jié)磚[5]。

利用電子天平測(cè)試燒結(jié)磚坯體燒結(jié)前后的質(zhì)量，計(jì)算坯體燒失量。按照《砌墻磚試驗(yàn)方法》（GB/T2542-2012），測(cè)試燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 坯體燒失量

如圖1所示。

圖1 污泥磚焙燒前后質(zhì)量損失率

由于基坑土和4種污泥的性質(zhì)不同，不同污泥磚的壓實(shí)度不同，相同體積的坯體初始質(zhì)量存在明顯差異。燒結(jié)前后污泥磚質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果顯示，質(zhì)量損失率與污泥自身的燒失量正相關(guān)[6]。在污泥摻量相同的條件下，污泥自身燒失量越大，污泥磚質(zhì)量損失率越大，其原因主要是污泥燒失量和污泥磚的質(zhì)量損失均受污泥中有機(jī)質(zhì)含量的影響。XS污泥磚的質(zhì)量損失相比其自身燒失量明顯偏大，主要是由于其CaO、MgO含量高，燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生粉化現(xiàn)象，磚體表面存在明顯物料剝落現(xiàn)象。

3.2 污泥磚力學(xué)性能

如圖2所示，摻加污泥大幅降低污泥磚的力學(xué)性能[7]。不摻加污泥的基坑土燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度可達(dá)到15.0 MPa，摻XJ、XW和XC污泥的燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度最大降幅超過(guò)50%。XW污泥SiO2含量較高，燒失量低，其對(duì)燒結(jié)磚強(qiáng)度影響最小，但也僅為11.0 MPa，降低26.7%。XS污泥的化學(xué)組成中CaO、MgO含量高，磚體變形和粉化嚴(yán)重，強(qiáng)度僅為1.1 MPa，表明XS污泥不宜用于燒結(jié)磚生產(chǎn)。

圖2 污泥燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度

3.3 燒結(jié)溫度

選取XW污泥燒結(jié)磚坯體，在900℃、950℃和1 050℃三種不同燒結(jié)溫度條件下焙燒，試件破壞形態(tài)如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 900℃燒結(jié)磚破壞形態(tài)

圖4 950℃燒結(jié)磚破壞形態(tài)

圖5 1 050℃燒結(jié)磚膨脹變形

燒結(jié)溫度為900℃時(shí)，磚體受壓呈粉狀破壞，溫度較低，燒結(jié)磚未完全燒結(jié)，抗壓強(qiáng)度約4 MPa；950℃時(shí)，磚體受壓呈塊狀破壞，坯體充分焙燒，抗壓強(qiáng)度可達(dá)到11 MPa；1 050℃時(shí)，坯體在高溫爐中發(fā)生膨脹破壞，呈明顯過(guò)燒狀態(tài)[8]。

4 結(jié)論

不同污泥化學(xué)組成存在較大差異，XS由于CaO含量過(guò)高的污泥不宜用于制備燒結(jié)磚；其他三種污泥SiO2含量較高，主要成分與黏土組成較為相似，可替代部分黏土制備燒結(jié)磚。污泥燒結(jié)磚比不摻污泥的基坑土燒結(jié)磚燒失量高，并且與污泥自身的燒失量大小正相關(guān)。但XS污泥由于磚坯粉化等問(wèn)題導(dǎo)致燒失量偏大。

污泥顯著降低燒結(jié)磚的力學(xué)性能，15%摻量條件下抗壓強(qiáng)度下降幅度為26%～50%；XS污泥燒結(jié)磚變形粉化嚴(yán)重，強(qiáng)度大幅降低，不宜用于制備燒結(jié)磚。XW污泥燒結(jié)磚在不同的燒結(jié)溫度下，磚體燒結(jié)后的形態(tài)具有明顯差異，950℃燒結(jié)溫度下污泥磚性能較優(yōu)，溫度過(guò)高或過(guò)低影響污泥磚的燒結(jié)效果。