原状脱水污泥复合页岩制备砖和陶粒的前景

邓 成,陈 伟,范英儒,罗 晖,钱觉时

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400045;2.重庆市建筑科学研究院,重庆400015)

原状脱水污泥复合页岩制备砖和陶粒的前景

邓 成1,陈 伟1,范英儒1,罗 晖2,钱觉时1

(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400045;2.重庆市建筑科学研究院,重庆400015)

分析了国内利用污水污泥制备砖和陶粒的研究现状,提出了在污泥的利用形态上宜选择原状高含水率的脱水污泥,在配合料上宜选择页岩,将两者复合制备砖和陶粒,具有非常明显的优势。

原状脱水污泥;页岩;砖;陶粒;利用形态

Abstract:The domestic research status on preparation of brick and ceramsite with sewage sludge is analyzed.It is suggested that the suitable using form of sewage sludge should choose the original-dewatered sludge of high water content,and the matching material should choose shale.It hasobvious advantages to manufacture brick and ceramsite with original-dewatered sludge and shale.

Key words:original-dewatered sludge;shale;brick;ceram site;using fo rm

污水污泥是污水处理厂处理污水过程中产生的含水率非常高的废弃物,其排放量巨大。按照2007年统计[1],我国共有城市污水处理厂883座,城市污水年处理总量227亿m3,估算会产生1500万t左右含水率约80%的污水污泥。随着我国城市化进程的加快和对环境保护力度的加强,我国生活污水处置率也越来越高,污水污泥排放量也会逐年增长。因此,如何处置污水污泥已成为我国城市化快速发展过程中必须面临的重大环境问题之一。

而现有的污水污泥填埋、土地利用、焚烧等处置方式要么无害化不彻底,要么成本过高,难以处置排放量迅速增长的污水污泥,因此研究新的污水污泥资源化利用方式非常必要。由于建筑材料是所有材料中用量最大的材料,且对原料需求量也大的特点,并且污泥中的无机成份与许多建材生产所需原料组分要求非常相近,因此,近些年来利用污水污泥制备建材已经逐渐成为污泥处理处置与资源化的一个非常重要的发展方向。

1 利用污泥制备建材的现状

目前常见的污泥建材利用方式主要包含了生产砖、陶粒、水泥、生化纤维板[2]、玻璃和填料等,而砖和陶粒的原料配方多样,生产工艺控制相对简单,所以研究最多的是利用污泥制备砖和陶粒这2类建材。

污水污泥一般不能单独作为制备建材的原料,通常需要和其它原料配合。现有的研究主要是采用粘土、粉煤灰、煤矸石、页岩等混合污水污泥制备砖和陶粒。

(1)制砖

李旺[3]等采用干燥后的城市污泥与粘土及改性剂配合,在1 030℃烧制6h制备出抗压强度大于12 MPa,密度为1 150～1 240 kg/m3,吸水率小于23%的轻质微孔砖。赵伟[4]等采用10%的干污泥与页岩配合制备出了各项性能符合国家标准的烧结砖。任伯帜[5]等在粉煤灰-粘土砖中掺入30%左右含水率80%的污泥,所烧制的成品性能可达国家标准要求。D.F.Lin[6]等利用污水污泥焚烧灰和粘土作为烧制砖的原料,最佳的污泥灰掺量为 20%～40%,在烧成温度1 000℃下保持6 h,可制备出符合质量要求的烧结砖。

(2)制陶粒

张云峰[7]采用干污泥粉、高岭土、黑粘土和含铬废渣作为烧制陶粒的原料,在一定的原料配比和工艺参数下烧制出了筒压强度为4.9 MPa,吸水率为2.6%,堆积密度为676 kg/m3的陶粒。许国仁[8]等选用干污泥与粘土和粘结剂混合制备出松散容重为519 kg/m3,颗粒表观密度为1 110 kg/m3,吸水率为19.6%的陶粒;蔡昌凤[9]等研究了烘干污泥粉掺和粉煤灰并掺入一定量粘土制备陶粒,其结果显示陶粒的表观密度在 790～900 kg/m3,吸水率为68.95%～80.01%,可作为污水处理滤料。

2 现有污泥制备砖和陶粒研究的不足

虽然近年来已有比较多的研究采用污泥制备砖和陶粒,但目前多数研究采用的是干燥污泥或污泥焚烧灰,然后再混合粘土和粉煤灰等制备砖和陶粒,这些研究不同程度存在一些问题。

2.1 污水污泥的利用形态问题

首先,由于污泥焚烧的处置方式所用技术和设备复杂,投资成本昂贵,运行费用也很高,是其它工艺的2～4倍[10],因此在我国一段时间内还很难成为主要的处置污水污泥的手段,故基于污泥焚烧灰制备砖和陶粒的研究并不适应我国的情况。

其次,一般经过机械脱水后的污水污泥含水率仍在80%左右,且呈絮凝态,保水能力比较强,并且污水污泥烘干收缩率很大,干燥到一定程度后变得致密,甚至表层形成硬壳,阻碍水分向外扩散蒸发,故要使得污泥再脱水是相当不易的。马学文[11]等研究表明污水污泥干燥速率随颗粒的增大而减小,超过10 g的团絮污水污泥在100℃下干燥需要450 min。而实际中污泥的团絮远大于此,所以要干燥污水污泥到绝干状态是比较困难的,而且能耗较高,目前采用的污泥干化系统每蒸发1 t水大约需3 000 MJ的热能,如果热效率按照70%计算,则需要标煤约150 kg。

由于现有的污水污泥干燥技术主要是针对后续的焚烧或者是堆肥设计的,一般干燥后的污水污泥含水率仍在10%以上,甚至达到40%～50%。表1为不同含水率状态下污水污泥的物理状态。

表1 不同含水率污水污泥的物理状态

从表1可以看出,污水污泥含水率在80%时还是疏散絮凝态,易于分散,可以通过搅拌的方式与其它原料混合;含水率在50%时就成为难以分散的柔软可塑状态,很难与其它原料混合;含水率降到10%时,成为固体颗粒状态,只能采用破碎的强力方式才能分散。因此一般干燥后的污水污泥比较难与其它原料混合均匀,如果想通过粉磨的方式分散,则需要将污水污泥进一步干燥降低其含水率,而这个烘干过程以及粉磨干污泥的过程能耗都是很高的。因此,采用先将污泥干燥后粉磨再利用的方式是不经济的。

因此,当污水污泥需要与其它原料配合作为建筑材料原料时,需要保持其易于分散的疏松絮凝状态时的含水率,即应该直接采用原状高含水率的脱水污泥。

2.2 污水污泥的配合料问题

随着国家对耕地的保护,以粘土为主要原料的建材行业已经受到了很大的限制,我国已在大中城市全面禁止使用粘土烧结砖,因此选用粘土作为污泥的配合材料难以推广应用。而且粘土本身的含水率也比较高,如果与高含水率的污水污泥配合会导致生料含水率过高,从而需要降低污水污泥的掺用量,使得利用率下降。

采用粉煤灰虽然思路较好,但是粉煤灰是瘠性材料,本身不具备塑性,生料成型很困难,和污泥混合后难以成型,一般也还需要加入粘土等塑性材料作为粘合剂,因此难以推广,消纳污泥量有限。另外,采用粉煤灰制备的烧成建材性能还存在一些问题,例如粉煤灰作为陶粒原料时,其生产的陶粒表观密度较大,吸水率很高,陶粒质量不理想。而利用污水污泥掺和粉煤灰制备陶粒,陶粒的表观密度依然较大,吸水率也较高,整体来看并不理想。

因此,应该选择一种来源广泛、且在组成上和粘土相近的原材料作为污水污泥的配合料,页岩是个较好的选择。

3 利用原状脱水污泥复合页岩制备砖和陶粒的优势

前已述及,污水污泥与其它原料配合用作建材原料时应选择高含水率的脱水污泥为基础。在配合料上选择页岩,用两者混合来制备砖和陶粒,具有很好的优势。

(1)直接利用原状脱水污泥制备砖和陶粒,与利用污泥焚烧灰相比,除了能消纳燃烧灰分,还可利用原来污泥中的有机质燃烧热值,降低烧成时的能耗。

表2为污水污泥的塑性指数测试情况,可以看出,脱水污泥的塑性指数较高,属于高塑性粉质或黏质有机土类型,而直接利用30%原状脱水污泥与页岩所得混合料的塑性比所用纯页岩的塑性提高很多。这主要是因为原状脱水污泥呈疏松絮凝状态,其含有的有机质主要以丝絮的形式缠绕包裹在固体颗粒表面,同时有机质的腐殖质也易形成粘稠高分子化合物,使得其塑性较高。因此,与利用干污泥粉以及污泥焚烧灰相比,直接利用原状脱水污泥还有另一个优势,即能够较大改善页岩混合料的塑性,有利于成型。

表2 脱水污泥及污泥页岩混合料的塑性指数

(2)鼓励利用页岩替代粘土生产建筑材料,是我国提倡新型建筑材料的重要内容。页岩是一种泥质岩石,含有较多的粘土矿物,在性质上是与粘土最相近的取代材料,现在已成为烧制类建筑材料的主要原料。我国页岩储量丰富[12-13],量大面广,各省都有储量可观、质量优良的页岩可供页岩烧结砖开采利用。以重庆地区为例[12],页岩矿是特别优势的资源,北从开县、南到綦江,东起酉阳,西至潼南断续均有较丰富的页岩矿分布。从地形上看,重庆属山区、丘陵地带,土地资源宝贵,但页岩资源比较丰富,开采页岩,不但节约耕地,甚至还能开山造田。

另外,用页岩制砖性能比粘土好[13],页岩砖坯干燥收缩基本上在6%以下,比粘土的3%～12%低。低收缩、低干燥敏感系数,能有效防止干燥裂纹的产生,为快速干燥打下了基础,烧成速度比粘土砖提高15%～20%。页岩烧结砖的质量相比粘土砖,外观尺寸偏差小,强度高于粘土砖,吸水率低于粘土砖,抗冻性、耐久性好于粘土砖。

(3)由于页岩特别是硬质页岩含水率很低,如果防止雨淋,含水率可以控制在2%左右,因此直接将原状高含水率的脱水污泥与页岩混和,则可以基本不需要外加水分,就能满足一般塑性成型的要求。当然,原状脱水污泥用量会有一定的限制,但80%含水率的污水污泥的掺量也基本可以达到30%左右,达到国家优惠政策的利废量。

(4)前已述及,我国页岩储量丰富,分布很广,但并不是任何页岩都具有烧胀性能的,具有良好烧胀性能的页岩对化学成分、矿物组成等要求比较严格,分布并不是很广[14],而利用污水污泥的成分改性作用和发泡作用,可以改善页岩陶粒的烧胀性能,甚至使难以烧胀的页岩也能生产出轻质陶粒,这将大大提升页岩陶粒产品的性能。已有研究表明[15],采用含水率80%左右的原状脱水污泥与页岩配合,污水污泥掺量在30%左右时可制备出颗粒表观密度在700 kg/m3左右(约400～500级)的轻质陶粒。由于污泥中的有机质分散非常均匀,使用原状脱水污泥混合页岩也易于分散,可以使得污泥页岩烧结砖比纯页岩烧结砖具有更微细的孔隙构造,这也将大大提高烧结砖的保温隔热性能。

(5)页岩砖和陶粒的烧成温度一般在900～1 200℃,高温下页岩中的粘土矿物在烧结熔融固化的过程中,可较为容易地将污泥中的重金属固定在铝硅酸盐的晶格中。有研究表明[16],污泥页岩陶粒和烧结砖总体重金属浸出浓度都比较小,符合浸出毒性的安全标准。另外,高温烧成还可以杀灭细菌,使污泥内部病原微生物分解,无害化处置相当甚至高于污水污泥的焚烧处置,从而使得污水污泥复合页岩烧制建材是一种环保的污泥处置途径。

4 结语

污水污泥的建材资源化途径很多,而直接利用原状高含水率的脱水污泥复合页岩制备砖和陶粒,无论是从技术经济角度还是环保角度考虑都具有非常明显的优势,并且所生产的建材产品是建筑节能所需的保温隔热材料,因此需要继续深入研究和大力推广。

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Prospects of Brick and Ceramsite Made by Original-dewatered Sludge and Shale

DENG Cheng1,CHEN Wei1,FAN Ying-ru1,LUO Hui2,QIAN Jue-shi1

(1.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Chongqing Research Institute of Building Science,Chongqing 400015,China)

X 705

A

1674-2842(2010)05-0035-03

2010-07-12

重庆市科学技术项目(城科字2007第38号),重庆市科技攻关计划项目(CSTC2009AC7121)

邓 成(1986-),男,四川什邡人,在读硕士研究生,研究方向:固体废弃物资源化、建筑材料。E-mail:cqudc@126.com