導讀:：城市污水廠的污泥是指處理污水所產生的固態、半固態及液態的廢棄物。污泥灰也可以作為混凝土混料的細填料。

關鍵詞：污泥，混凝土，摻和料

0 引言

 城市污水污泥是污水處理廠污水處理的二次產物，指處理污水所產生的固態、半固態及液態的廢棄物，它含有大量的有機物、豐富的氮磷等營養物、重金屬以及致病菌和病原菌等[1]。城市污水處理廠每天都產生大量需要處理的污泥。據統計，2007年，我國城市污水廠每年污泥產量500多萬噸，且以每年10%的速度在增長[2]。現在70%以上是棄置，20%是填埋，不到10%的是通過堆肥等技術處理后回用于土地[3]。由于污泥中往往含有病菌和過量的重金屬，沒有經過無害化處理的污泥大量的棄置，最終作為資源用于土地，常常造成二次污染，嚴重影響了環境綜合整治的實際成果。如何安全有效地處理污泥成為城市發展過程中亟待解決的一大難題。

 從技術角度看，目前污泥處置方式主要有農用、填埋、焚燒、建材利用等幾種[4]。圖1是國內外對污泥處置的主要措施，也是我國未來對污泥處置的主要路線。從圖中可以看出污泥可以通過很多途徑用于建材。目前混凝土，污泥的建材利用已經被看作是一種可持續發展的污泥處置方式而在日本以及歐美國家逐漸發展起來[1]。隨著污泥排放量的日益增加和人們對環境要求的不斷提高，污泥的資源化利用近來備受關注，并且隨著我國城市化進程的加快，水泥和混凝土的需求量也會日益增加，傳統建材耗費大量自然資源，而自然資源有限。利用污泥制備綠色摻合料用于水泥混凝土工業中應用，不僅有利于污泥的無害化處理，同時可以節約土地和礦物資源。

圖1 國內外污泥的主要處置措施

 Figure 1 major measures of sludge disposal at home andabroad

1 污泥摻合料應用對環境的影響

 污泥中含有大量的有害物質，最主要的是重金屬。解決重金屬污染問題是污泥在水泥混凝土工業中應用的關鍵。由于水泥高堿度的氫氧基，可將重金屬轉變成氫氧化物等低溶解性物質，從而將重金屬截留，其主要原理可歸納為凝硬反應與水合反應兩種。飛灰中的SiO2, A1203與水泥中Ca(OH)2發生凝硬反應，生成晶體狀的鈣鋁鹽類(C-A-H)以及鈣硅膠體(C-S-H)，以填充水泥凝固時的微小孔隙，提高固結體強度和耐久性，同時降低固結體的透水性，反應形成的硅酸鈣、鋁酸鈣等水合物膠體，隨時間逐漸硬化最終形成結晶狀態，將污泥的重金屬離子包覆于結晶相中，形成穩定結構同時達到固結體的最終強度。由于水泥的這種固結作用，雖然污泥中含有一定量的重金屬等有害物質，但可使固結體重金屬浸出量小于國家標準，而且隨著時間的延長，重金屬浸出趨勢將變小[5～7]。所以污泥作為綠色摻和料應用于水泥混凝土工業對環境的影響是很有限的，而且因為水泥的固結作用有利于污泥穩定化、無害化、資源化處理，大大減少了污泥對環境的影響。綜合起來，污泥作為摻和料應用于水泥混泥土工業是有利于環境的綜合治理。

2 用污泥燒制摻和料可行性分析

 對于SiO2 +A1203含量較高的污泥，我們可以考慮用來燒制綠色混凝土摻和料。對常溫污泥和900°C焙燒污泥進行化學成分以及火山灰化學成分分析如表1[8]，分析其是否含有火山灰活性材料所必須具備的化學成分混凝土，表明:經900 oC高溫焙燒后，污泥中的主要無機物總量從52.8%提高到89.2%，特別是SiO2 +A1203+Fe2O3，總量高達76.2%，很接近火山灰SiO2+A1203+Fe2O3含量[9]。分析可知，SiO2+A1203+Fe2O3含量較高的污泥，只要在高溫焙燒或焚燒后進行快速冷卻，就可形成足夠多的活性SiO2和活性A1203[9]，從而使污泥具有較高的火山灰活性。新加坡的Tay-J.H研究表明污泥灰替代一部分水泥并不會降低混凝土的強度，而且在一定范圍內還有利于混凝土強度的提高[10]。Hamernik and Frantz [11]研究了不同種類的污泥灰，根據ASTM標準，發現污泥灰類似于C級火山灰。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摻量為15%時，14天和28天的水泥漿體的強度大于沒有加污泥灰同齡期水泥漿體的強度。所以用污泥制摻和料是可行的。

表1 常溫和焙燒后的污泥以及火山灰化學成分 %

 Table 1 The chemical composition ofdry sludge, sludge ash and volcanic ash %

3 增加污泥灰火山灰活性途徑

 污泥作為摻和料是可行的，但污泥灰的火山灰活性與粉煤灰，礦渣相比較低。要想把污泥摻和料廣泛大量在水泥混凝土工業中，增加污泥摻和料的活性是關鍵。我們可以通過以下途徑增強污泥摻和料的火山灰活性：

 (1)細磨。Shih-Cheng Pana和Dyi-Hwa Tseng[13]研究表明通過細磨，污泥灰顆粒的表面積增加，污泥的火山灰活性顯著提高，從而使污泥混凝土的強度提高。他們還研究得出，污泥灰表面積每增加100m2/kg，其活性指數將增加5%，而且隨著污泥顆粒表面積的增加，其“滾珠效應”和“形態效應”也顯著提高，從而使摻有污泥摻和料的水泥漿體工作性能明顯提高。但是他們同時研究表明當污泥細磨到一定程度時，其活性很難再有提高。且細磨過程能耗比較大。所以細磨是物制備綠色摻和料的有效途徑，但同時也有一定的局限。

 (2)控制焚燒溫度和焚燒時間。Joo-Hwa Tay和Kuan-Yeow Show[14]研究表明1000°C的焚燒溫度和4個小時的焚燒時間是最合適的，在這種焚燒溫度和焚燒時間下得到的污泥灰其火山灰活性最強。國內外在研究污泥作為摻和料方面的研究對象一般是污泥焚燒場的污泥灰渣，研究得出其活性不高，其主要原因有：1.焚燒溫度過高或過低。焚燒爐內的溫度一般在750°C～1000°C混凝土，但污泥含有大量的有機物，有機物燃燒放出大量的熱，使焚燒爐內的溫度超過1000°C，或者污泥含水量比較大，水蒸發帶走大量熱，使得實質溫度低于1000°C。溫度過高或過低，都不利于其火山灰活性的增強。2.焚燒時間不夠。在焚燒場，污泥焚燒時間一般在半個小時左右，遠達不到污泥燒制摻和料的最佳焚燒時間。所以控制好污泥的焚燒溫度和焚燒時間是增加其活性的有效途徑。

 (3)加入激發劑。激發劑是一種能夠激發工業廢渣里面活性物質，讓其發生化學反應的復合劑。污泥灰渣和粉煤灰、礦渣等工業廢渣一樣，里面含有大量的SiO2和Al2O3這些活性物質，但它們以“玻璃體”惰性狀態存在，通過化學激發，可以大大增強污泥灰的火山灰活性，進而增加污泥摻和料取代水泥的用量，從而大大降低水泥用量提高污泥的利用率。激發劑用量小，一般在2%左右，也比較便宜，比較常見的激發劑有石膏、NaOH 、Ca(OH)2等核心期刊。所以用加激發劑增強污泥灰的火山灰活性的途徑是簡單而有效的。

 (4)改善焚燒工藝。污泥焚燒場焚燒污泥主要目的是減少污泥的體積，其焚燒溫度和焚燒時間不適合用來燒制污泥摻和料，而且污泥在焚燒場焚燒爐中焚燒不均勻、不充分。這就需要改進其焚燒工藝，以適應用污泥燒制摻和料。例如先將脫水干燥的污泥細磨然后噴入焚燒爐中焚燒，這將使污泥充分均勻焚燒。控制好焚燒溫度，將污泥中有機物燃燒產生的多余的熱量導出，使焚燒爐內溫度恒定在一個最佳值。雖然改進焚燒工藝需要增加成本，但通過改進焚燒工藝，污泥灰渣的火山灰活性將大大增強，有利污泥灰在混凝土中大量應用，這樣可以大大減少污泥灰渣處理所帶來的環境問題。

 (5)加入稻殼灰、垃圾灰等增加污泥中SiO2 、A1203等化學成分。由表2可知稻殼灰SiO2含量非常高混凝土，垃圾灰中A1203和CaO的含量比較高，在污泥中加入稻殼、垃圾等一起焚燒，可以增加污泥灰中SiO2 、A1203等化學成分，有利于污泥灰火山灰活性的增強，而且其綜合效應將有利于污泥灰作為綠色摻和料在水泥混凝土工業中的利用。而且稻殼灰和垃圾灰產量大且容易獲得，所以加入稻殼灰、垃圾灰以增加污泥摻和料的火山灰活性是比較經濟且簡單易行的。

 上述六種提高污泥摻和料火山灰活性的途徑都是有效可行的，通過這些途徑，我們可以用污泥制備出綠色摻和料，提高其火上灰活性，增加污泥摻合料在水泥和混凝土工業中的應用量。這將有利于污泥的無害化，資源化處理，同時也有利于土地和礦物資源的節約以及環境的綜合治理。

表2 污泥焚燒灰、稻殼灰和垃圾灰化學成分比較 %

 Table 2 The chemical composition comparation ofsludge incineration ash ，rice hull ash and garbage ash%

4 總結

 (1)通過上面的分析可以得出用污泥燒制混凝土摻合料是可行的。它具有一定的活性，其某些特性能夠在一定程度上提高混凝土的性能。

 (2)用污泥燒制的摻合料活性類似于C級火山灰，活性不高，但是可以同過細磨、控制焚燒溫度和焚燒時間、加入激發劑、改善焚燒工藝等有效途徑提高污泥摻合料的火山灰活性。

 (3)污泥燒制混凝土摻合料前景廣闊。污泥的產量大，應用于混凝土對環境影響小，用污泥燒制混凝土摻合料不僅有利于污泥穩定化、無害化、資源化處理,而且有利于土地、礦物資源的節約，自然資源的保護以及社會可持續發展。

參考文獻：

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