改性污泥制备泡沫混凝土的可行性研究

马小莉，相玉琳

（榆林学院建筑工程系，陕西 榆林 719000）

应用技术

改性污泥制备泡沫混凝土的可行性研究

马小莉，相玉琳

（榆林学院建筑工程系，陕西 榆林 719000）

由于污泥在建材利用安全性方面存在较多质疑，致使污泥的建材利用一直得不到广泛推广。鉴于此，本实验对剩余污泥进行了改性处理，对改性后获得的泥渣与污泥蛋白液的特性进行了分析，同时对不同泥渣与泡沫掺量下的泡沫混凝土强度和耐火特性进行了研究。结果表明，改性污泥制备泡沫混凝土不存在安全隐患，获得的污泥蛋白发泡剂具有良好的发泡性能。制备的泡沫混凝土具有良好抗压强度、抗折强度，满足行业标准；同时泡沫混凝土的干密度、抗压强度及抗折强度都随着泡沫量的增加而降低；随着污泥渣的增加，泡沫混凝土的干密度和抗折强度下降，抗压强度则呈现先增加而后降低的趋势，在污泥渣质量分数为4%时，抗压强度最佳。耐火试验显示泡沫混凝土具有良好的耐火性能。因此，应用改性污泥制备泡沫混凝土具有较强的可行性。

改性污泥；蛋白质；泡沫；混凝土；强度；耐火

随着城镇化及现代化工业的迅猛发展，作为污水处理厂难以避免的副产物——污泥的产量在急剧上升。污泥的处理与处置已成为困扰污水处理厂的重大难题与挑战。如何对污泥进行合理有效地处理处置已成为现今亟待解决的问题。目前，污泥处理处置技术主要有填埋、焚烧、农业利用和建材利用等［1］。污泥的建材利用主要是利用污泥或其处理后产物制造板材、砌块、玻璃及水泥等［2-5］。污泥的建材利用较其农业利用、土地填埋、资源回收利用等具有经济效益社会效益明显、无二次污染等优势，是污泥处理处置的一个有潜力的发展方向。然而，由于我国在污泥建材利用方面的发展较晚，在污泥建材利用安全性方面存在较多质疑，致使污泥的建材利用一直得不到广泛推广［6］。

鉴于此，本研究在前期课题组［7］工作的基础上，针对污泥有机质含量高、脱水难等特点，对污泥进行改性处理后制备泡沫混凝土，探讨了以污泥渣为掺合料、污泥蛋白为发泡剂制备泡沫混凝土的可行性，以期为污泥的建材利用提供一定理论依据与技术支持。

1　实验部分

1.1 装置与材料

辐照实验采用天津金鹏源辐照技术有限公司60Co γ辐照源，源强1.6×104居里，剂量率70Gy/min，辐照温度23℃±2℃。污泥采自榆林市榆阳区污水处理厂的剩余污泥，主要化学成分见表1；粉煤灰来自榆林大保当，质量等级为Ⅰ级，见表2；水泥为榆林市蒙西产强度等级52.5级复合硅酸盐水泥。试验用水为民用自来水。试验所涉及化学试剂均为分析纯级。

1.2 实验过程

1.2.1 污泥改性

首先，粉煤灰用硝酸改性，硝酸浓度为4mol/L，粉煤灰与酸的配比为1∶4（g/mL），浸沉时间4h，过滤，将粉煤灰置于烘箱100℃±5℃干燥4h，然后碾碎过筛（100目），改性粉煤灰即可获得。然后改性粉煤灰与剩余污泥溶液按照0.2g/mL进行配比并充分混合，置于300mL玻璃瓶密封，10kGy计量下辐照［7］。辐照后，3000r/min离心分离出污泥上清液。污泥上清液浓缩至30%作为发泡剂；泥渣置于烘箱内烘干（200℃），烘干后的改性污泥渣粉碎过1mm筛，备用。

表1　污泥主要化学成分质量分数 单位：%

表2　粉煤灰的质量等级 单位：%

1.2.2 试块制备

通常情况下污泥加入量不可超过水泥量的10%［8-9］。因此，试验以改性污泥渣替代部分水泥进行混凝土的制作，研究改性污泥渣占混凝土量分别为0、2%、4%、6%和 8%（质量分数）的情况下混凝土的抗压性能。根据表3取样，先将水泥、改性污泥渣和水预混均匀，再加入污泥蛋白泡沫进行搅拌至均匀，然后将料浆浇注成100mm×100mm×100mm的试块，每个配合比成型6块试件。试块在2天后拆模、编号、放入养护箱内养护（温度20℃±3℃，相对湿度95%）。14天后进行抗压性能测试。

1.2.3 分析方法

采用CHT-4106微机液压万能试验机进行抗压、抗折性能测试（抗压试件的尺寸为 100mm× 100mm×100mm，抗折试件的尺寸为 100mm× 100mm×400mm），样品的微观形貌采用JSM-6480LV型扫描电镜观察，样品宏观形貌采用XTL-2600低倍显微镜观察并用尼康D3300数码相机照相，污泥中重金属量采用混酸消解法提取［10］，污泥蛋白液的泡沫性能采用 Ross-Miles法测定（GB/T 7462—1994）。

2　结果与讨论

表3　试块掺料配合比

2.1 理化性质分析

重金属与微生物污染是限制污泥建材利用的主要因素。表4为剩余污泥经改性处理后所得泥渣与污泥蛋白液重金属及微生物检测结果。由表4可知，污泥蛋白液中未发现任何微生物，经过平板培养细菌总数仍然为零，不存在微生物污染；原始污泥含有大量细菌，经过平板培养细菌总数为 1.96× 107CFU/g，处理后泥渣中未发现菌胶团及原生动物，经过平板培养只有细菌生长出，培养后细菌总数为 5.8×104CFU/g，因此泥渣在混凝土的制作中也不会存在微生物污染。对于重金属的安全性，供试污泥中所含的重金属及其含量远低于国家标准《室内装饰装修材料 内墙涂料中有毒有害物质限量》（GB18582－2008）。因此，本研究所得泥渣与污泥蛋白液作为建材利用不存在安全隐患。

表4　检测结果

图1为剩余污泥改性处理前后扫描电镜图，由图可知，处理前后污泥细胞形貌明显不同，未处理污泥细胞形貌完整流畅，而改性处理后的污泥细胞遭到破坏，丝状细菌消失。

图2为污泥蛋白液泡沫形貌，由污泥蛋白液形成的泡沫多为多面体结构，气泡尺寸相对均匀，且泡沫具有良好的稳定性。泡沫主要分为多面体泡沫和球形泡沫。当气体量不足74%时，气泡间被液体分开较远，彼此不连接，主要形成球形泡沫。当气体量超过74%时，气泡量增多，当超过最致密球形分布时，就形成了多面体泡沫。多面体泡沫实则是气泡聚集体，气泡不再具有独立性，这样所形成的群体则大大地强化了泡沫的稳定性，延长了泡沫的寿命［11］。本研究所得蛋白泡沫液发泡性平均高度为19.1cm，稳泡性平均高度为16.6cm，而市售发泡剂的泡沫高度一般在15～18cm［12］。

2.2 泡沫混凝土强度的变化

2.2.1 泡沫掺量对混凝土强度的影响

固定污泥渣质量分数为 4%，对不同泡沫掺量的混凝土进行干密度和7天与28天强度分析，结果如图3所示。从图3可知，采用添加1350～1750mL污泥蛋白泡沫所研制的密度等级不小于400kg级的泡沫混凝土，抗压强度≥3.8MPa，满足建筑工业行业标准《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011）。由图 3可知，泡沫混凝土的干密度、7天与28天抗压及抗折强度都随着泡沫量的增加而降低，这表明泡沫量的增加不利于混凝土强度的发展。由于泡沫混凝土的强度不仅取决于硬化水泥浆体的强度，在很大程度上还受气孔体积分数的影响，气孔体积分数越大，混凝土的强度越低［14］。当泡沫量增加，气孔体积分数必然也增加，因此导致了泡沫混凝土强度的降低。

2.2.2 污泥渣质量分数对混凝土强度的影响

固定泡沫量为 1450mL，对不同污泥渣质量分数的混凝土进行干密度和7天与28天强度分析，结果如图4所示。

图1　剩余污泥改性处理前后形貌

图2　污泥蛋白液泡沫形貌

图3　泡沫量对泡沫混凝土强度的影响

图4　污泥渣质量分数对泡沫混凝土强度的影响

由图4（a）可知，随着污泥渣质量分数的增加，泡沫混凝土的干密度呈现下降的趋势，这主要是由于污泥渣的密度小于硅酸盐水泥的密度。对于抗压强度，随着污泥渣质量分数的增加，混凝土的抗压强度先增加而后降低。泡沫混凝土的抗压强度与胶凝物质量（即硬化水泥浆体的强度）成正比，与气孔体积分数成反比。由于污泥渣的密度小于水泥，当用污泥渣等质量取代水泥时，随着污泥渣质量分数的增加，泡沫混凝土的固体与气泡体积比增加，相当于降低了泡沫混凝土的气孔体积分数，因此混凝土的抗压强度增加。当气孔体积分数降到一定程度时，胶凝物质的影响占优势［13］，由于污泥渣质量分数的增加降低了胶凝物质的含量，尽管污泥渣中含有一定量的胶凝物质，但该胶凝物质活性低，在一定程度上影响了整个体系的水化反应，导致混凝土强度下降。

对于抗折强度，主要取决于胶凝物质，因此随着污泥渣质量分数的增加，胶凝物质活性降低，致使泡沫混凝土抗折强度降低。

2.3 耐火试验

配置650kg/m3的泡沫混凝土。图5为耐火试验（火焰温度1000℃）前后直接用数码相机拍摄的泡沫混凝土表面形貌及内部结构图。泡沫混凝土温度达到220℃所需时间为40min，实体混凝土达到该温度需要 30min。灼烧后表面不再平滑，但未发现明显裂纹，内部结构变化不明显。耐火材料抗张拉强度小，当对表面进行加热时，表面扩张较内部快，致使表面受到挤压力，内部受到张力；冷却过程与上述情况相反［14］，在两种力的交替变换下，致使表面变得凸凹不平，当这些力过大时，则会产生裂纹，由于泡沫混凝土气孔的存在起到了一定的缓冲作用，因此，灼烧后未发现明显裂纹，而实体泡沫灼烧后则出现了较大的裂纹。由此可见，本研究所得泡沫混凝土耐火性较好。

图5　泡沫混凝土灼烧前后形貌

3　结　论

本文作者课题组在前期研究的基础上，对改性污泥制备泡沫混凝土制品的可行性进行了研究。通过对改性后的污泥渣及污泥蛋白液进行理化性质分析，发现污泥渣及污泥蛋白液不存在重金属及细菌微生物污染风险，可放心应用于建材生产。获得的污泥蛋白发泡剂具有良好的发泡性能。应用污泥渣及污泥蛋白发泡剂配合复合硅酸盐水泥制备的泡沫混凝土满足行业标准，耐火性能良好。因此应用改性污泥制备泡沫混凝土具有较强的经济效益和环境效益，可行性强，值得推广。

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Feasibility study on foam concrete prepared by modification sludge

MA Xiaoli，XIANG Yulin
（Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi，China）

The utilization of sludge in building materials have not been widely used because of safety dispute.In this paper，modification treatment of excess sludge was carried out，and characteristics of dislodged sludge and sludge protein solution after modification treatment，and the influence of dislodged sludge and sludge protein solution with different contents on strength and fire-resistant performance of foam concrete were investigated.The results showed that foam concrete prepared by modification sludge has no potential safety risks，and the sludge protein solution had excellent foaming property.The prepared foam concrete had good compressive strength and breaking strength，which met the requirement of the industrial standard.Dry density，compressive strength and breaking strength decreased with the increase of foam quantity.As sludge mud increased，dry density and breaking strength decreased.Compressive strength first increased and then decreased.When the ratio of sludge mud was 4%（wt），compressive strength was optimum.Fire test showed that foam concrete has good fire-resistant performance.Therefore，foam concrete prepared by modification sludge had comparatively more feasible and reasonable.

modification sludge；protein；foam；concrete；strength；fire-resistant

TU 992.3

A

1000-6613（2016）09-2997-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.049

2016-01-13；修改稿日期：2016-03-13。

榆林市科技局项目（2014cxy-09）、榆林学院高层次人才科研基金（12GK04）及陕西省科技厅基础研究计划重点项目（2012JZ2003）。

及联系人：马小莉（1967—），女，硕士，副教授，主要从事土木工程专业教学与科研工作。E-mail maxiaoli719000@126.com。