工业污泥对水泥熟料性能影响的试验研究

耿 飞，周利睿，马俊逸，桂敬能，高培伟，解建光

（1.南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210016；2.中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）

0 引 言

工业污泥是工业废水经处理沉淀后分离出来的污浊物质。目前，工业污泥主要有造纸污泥、电镀污泥、制药污泥、炼钢炼铁污泥、制革污泥和印染污泥等[1]。在我国，随着城市化进程的不断加快，工业污水的排放量也在不断增加，从而导致工业污泥的产生量也迅速增大，我国最常见且较为传统的工业污泥处置方法主要有卫生填埋、投海、焚烧、堆肥和土地利用等[2-3]。

工业污泥的化学成分较为复杂，而且不同行业所生成的污泥成分也迥然不同，若是将其按照传统的污泥处理处置方法进行消化，则可能会产生事倍功半的效果，更有可能会产生一些有毒气体（氨气、胺、含硫化合物等），对人体及环境产生危害[4-5]。本文基于对工业污泥化学成分的分析，重点研究了工业污泥掺量对水泥熟料的烧成、胶砂强度、凝结时间以及重金属溶出的影响，通过对掺工业污泥烧制水泥熟料的综合分析，为其资源化利用提供较好的处理处置方式，以提高工业污泥的资源化利用率。

1 试 验

1.1 原材料

（1）试验原材料。石灰石、黏土、钢渣等原料都取自南京某水泥有限公司，生料成分检测选用氢氧化铝分析纯化学试剂，生料成分见表1所示。石灰石、黏土等工业原料在温度为110℃的条件下烘干24h，然后用QM-3SP4行星式球磨机进行粉磨，再用0.08mm的筛子筛分，使污泥筛子筛余量＜2.5%。

表1 水泥生料成分（%）及率值

（2）工业污泥。取自镇江某公司制农药草甘膦产生的污泥，草甘膦污泥外观呈棕色并伴有刺激性气味，初始含水率约为70%，草甘膦污泥的组成成分和重金属滤出值分别见表2和表3。将污泥在温度为110℃的条件下烘干24h，然后用球磨机进行粉磨，再用0.08mm的筛子筛分，使污泥的筛余量＜2.5%。

1.2 试样制备与试验方法

1.2.1 试样制备

当前我国硅酸盐水泥熟料通常采用饱和比KH、硅率SM和铝率IM三率值来控制熟料质量，在本试验中，将草甘膦污泥采用内掺的方式代替部分水泥生料进行配料，其计算方法参照《水泥生产质量控制与管理》[6]进行。草甘膦污泥掺量分别为0、1%、2%、3%、4%，其具体组成成分见表4。

表2 草甘膦污泥的组成成分（%）

表3 草甘膦污泥的重金属滤出值（mg/L）（ND：未检测出）

表4 水泥生料配料表（g）

试样的制备参考《水泥易烧性试验方法》JC/T 735-2005。用压力机将各个水泥生料试样以10.6kN的力压成φ13mm×13mm的小试块，将其均布且不重叠的垂直置于坩埚底部，并放在以恒温至105℃的真空干燥箱烘干1h，然后把这些试块放在硅碳棒炉中煅烧，温度以10℃·min-1的速度匀速上升，当温度上升至1 450℃时保温30min，然后将试块取出来置于空气中进行冷却，并将烧好的熟料进行干燥保存[7]。

1.2.2 试验方法

抗压、抗折强度试验参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17671-1999进行；凝结时间参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346-2011进行试验；重金属浸出试验参照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》GB5085.3-2007进行。

2 结果与讨论

2.1 工业污泥对水泥熟料烧成的影响

水泥熟料的组成成分及其率值见表5。对比表2可知，工业污泥与水泥原料的主要化学成分是CaO、Fe2O3、SiO2和Al2O3，区别是工业污泥中还含有少量的磷和重金属氧化物。水泥熟料矿物煅烧完成的主要标志是C3S，在水泥熟料的煅烧的整个过程中，C3S的形成必须依赖一定煅烧温度，在这一温度下生料形成的熔融液相。当前，普遍认为C2S和CaO熔融进入液相是C3S形成主要原因，这两种物质在液相中互相反应生成C3S[8]。因此C3S的生成主要与水泥熟料煅烧时生成液相的温度、产生的液相数量以及这种液相的化学性质相关，这些因素影响了熟料的烧成。如若能将熔点相对较低的杂质在配置生料时加入，那么在水泥熟料的煅烧时，由于杂质的引入降低了生料的熔点，使得部分水泥生料首先形成液相，从而C3S则会因为有液相的存在而能够较早开始生成。与此同时，由于工业污泥中有多种碱性金属元素，这些元素的掺入在一定程度上能够有助于溶解。这些碱性物质的熔点比较低，它们掺入到生料中能够降低液相出现的温度。但是如若掺入生料中的碱含量过多，这时反而使液相变得更粘稠，也会加大熟料烧成的难度。

水泥熟料的三率值对其质量控制和易烧性有着重要的影响，石灰饱和系数KH值的提高有助于提高烧成水泥熟料的质量，但同时也会导致熟料煅烧的难度和能耗的增大；硅率过高会使熟料煅烧困难，硅率过低则会使熟料因硅酸盐矿物过少而导致强度降低、出现结块，影响窑的操作；铝率的高低关系到水泥熟料凝结的快慢、液相黏度和煅烧的难易程度，铝率过高使得液相黏度大、熟料煅烧困难、水泥凝结速度快，但铝率过低，尽管液相黏度小，但烧结范围较窄，窑内容易出现结大块的现象，不利于窑的操作。国内硅酸盐水泥熟料的三率值的控制值KH0.82～0.96、SM1.7～2.7、IM0.9～1.7，由表5可知，采用内掺法进行水泥生料的配料，工业污泥掺量为0、1%、2%、3%、4%的水泥熟料的饱和比KH变化幅度较小，均满足要求。硅率和铝氧率虽然变化幅度相对大一些，但仍在我国硅酸盐水泥熟料的率值控制范围内。

2.2 工业污泥对水泥熟料强度的影响

由图1可知，当KH=0.92时，掺入污泥对3d的抗压强度影响较小，对于28d的抗压强度来说，当工业污泥的掺入量为1%时，抗压强度略有下降，当工业污泥的掺入量为2%时，试件28d的抗压强度有所提高，当工业污泥的掺入量＞1%时，试件的抗压强度又开始降低。

图1 不同工业污泥掺量下的抗压强度

图2 不同工业污泥掺量下的抗折强度

表5 水泥熟料组成成分（g）及率值

表6 重金属滤出值（mg/L）（ND：未检测出）

由图2中可知，当KH=0.92时，对于试件3d的抗折强度，工业污泥的掺入量为1%时，抗折强度降低，然后随着污泥掺入量的增加，抗折强度不断提高，对于28d抗折强度，也是工业污泥掺量为1%时抗折强度有所降低，当工业污泥掺量为2%时，抗折强度有所提高，当工业污泥掺量＞2%时，随着污泥掺入量的增加，抗折强度呈缓慢下降的趋势。

2.3 工业污泥对水泥熟料凝结时间的影响

水泥的凝结时间分为初凝和终凝。根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346-2011可知，初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min。水泥的凝结时间的影响因素主要有水泥熟料的矿物组成、细度、温度和湿度等。经试验，水泥的凝结时间并没有因为工业污泥的掺入而产生了较大的变化，未掺工业污泥的水泥的初凝时间为85min，终凝时间为125min；工业污泥掺量为1%、2%、3%、4%的水泥的初凝时间分别为83min、82min、82min、80min；终凝时间分别为125min、127min、129min、130min，初凝时间以及终凝时间都在45min至390min之间。

2.4 重金属溶出试验分析

当前，重金属对环境有着较大的危害，掺工业污泥制水泥过程中重金属是否能被有效地固化是一个值得重视的问题。表6是当KH=0.92，工业污泥的掺入量为2%时，用等离子体发射光谱检测出的水泥熟料中重金属的滤出值以及《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》GB5085.3-2007所规定的重金属滤出限制标准值，与我国重金属滤出限制的标准值相比，掺入工业污泥时的重金属滤出值的各项指标均符合国家标准。

3 结 语

大部分工业污泥的主要化学成分与水泥原料类似，可代替部分水泥原料用于水泥生产。掺入少量的工业污泥对水泥熟料的影响较小，但随着工业污泥掺入量的增大，水泥熟料烧成的难度也逐渐变大；对于水泥的胶砂强度，当工业污泥的掺入量较小时，对试件抗压强度的影响不大，抗折强度有所提高，但随着工业污泥掺入量的增大，试件的抗压抗折强度均有所下降；掺入工业污泥煅烧水泥，重金属元素得到了很好的固化，浸出毒性测得的重金属滤出值远小于国家标准；掺入适量工业污泥煅烧水泥，其凝结时间也符合相关要求。然而，由于不同工业污泥的化学成分有所差异，铁、铝、硅和钙的氧化物的占比各不相同，过量的工业污泥的掺入势必会导致水泥熟料的石灰饱和系数、硅酸率和铝氧率产生较大的变化，因此需对工业污泥的掺量予以控制，在保证水泥熟料煅烧的质量和煅烧的难易程度可控的前提下进行优化，从而更好的对工业污泥进行有效利用以提高其资源化利用率。

参考文献：

[1]周明.污水污泥替代 土易烧性试验[J].中国水泥，2010，（08）：78.

[2]汪智勇，钟卫华，张文生，等.钢渣对硅酸盐水泥熟料形成的影响研究[J].水泥，2010（3）：10-13.

[3]万朝均，袁启涛，刘立军，等.废弃混凝土代替天然石灰石煅烧水泥熟料实验[J].重庆大学学报自然科学版，2008，31（9）：1012-1017.

[4]杨力远，杨俊，马军涛.利用污水厂污泥配料煅烧水泥熟料研究[J].武汉理工大学学报，2007，29（11）：11-13.

[5]徐伟.不同脱水方式的城市污泥对水泥熟料烧制的影响[J].绿色科技，2016（14）：57-60.

[6]张雪芹.水泥生产质量控制与管理[M].北京：中国建材工业出版社，2006：63-71.

[7]宝志强，戴恒杰，蔡锐锋，等.污泥对水泥熟料烧成和强度的影响[J].材料科学与工程学报，2009，27（6）：000909-913.

[8]宋忠元，廖正彪，王云龙.水泥窑协同处理城市污泥[J].中国水泥，2013（04）：56-59.