污泥与尾矿制备烧结制品的应用进展

罗立群，王 召，魏金明

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

矿业纵横

污泥与尾矿制备烧结制品的应用进展

罗立群1，2，王 召1，2，魏金明1，2

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

目前污泥与矿山尾矿的处置与利用正成为我国工业化进程中亟待解决的重大社会问题。本文简述了我国污泥与尾矿的现状与潜在的影响，介绍了国内外污泥与尾矿的各自处置方式，重点归纳了利用污泥与尾矿混合制备烧结砖、轻质保温材料、透水砖、轻质骨料、陶粒陶瓷、玻璃产品等烧结制品，展望了多种固体废弃物协同利用的新思路，以期推动固体废弃物的资源化利用技术发展。

污泥；尾矿；烧结制品；资源化利用

污泥按照来源可分为生活污泥与工业污泥两类。生活污泥是生活污水处理过后的产物，因有机质的腐化分解，一般都具有恶臭味，影响环境；工业污泥以无机污泥较多，有赤泥、印染污泥、皮革污泥等。截至2015年底，生活污泥发生量3 510万t，虽有填埋、焚烧、堆肥、资源化等多种手段处置，但有效处理率远低于30%[1]。矿山尾矿为资源开发、加工过程中产生的固体废弃物，年发生量较大，目前年产出已超16亿t[2]；2015年综合利用率接近20%，而资源化利用率10%左右。随着我国工业化进程的快速发展，数目庞大的尾矿和污泥，易引发占用土地资源、污染社会环境、造成水土流失等诸多社会问题。为加快两者应用步伐，本文从生活污泥和矿山尾矿的产出现状、影响、资源化利用方法出发，着重归纳了两者协同制备烧结制品的应用现状，以期推动和提高生活污泥和矿山尾矿的综合利用率。

1 污泥和尾矿的产出与影响

1.1 我国污泥和尾矿的产出

生活污泥多由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成及其复杂的非均质体，主要呈现黑色或者黑褐色。我国每年产生3 000万～4 000万t含水率在80%的污泥，且年产量持续增加，近年来我国污泥的发生量见图1，预计到2020年市政污泥将达到6 000万～9 000万t，同时污水处理厂所产生的污泥，有80%以上未妥善处理，实际无害化处理率低于30%，后续环境压力较大。

据了解污泥处理占污水处理投资的20%～50%，“十二五”期间用于污水处理及再生利用设施规划投资近4 300亿元[3]，而污泥处理和处置设施投资为347亿元，占比仅为8%。目前累计堆存尾矿超过600亿t，但综合利用率仅为18.9%左右[4]，近年来我国尾矿发生量、利用量与利用率见图2。“矿产资源综合利用”新理论的提出[5]，将加速尾矿的利用，促进无尾矿工艺新技术的发展。

图1 近年来我国污泥的发生量

图2 近年来我国尾矿发生量、利用量与利用率

1.2 尾矿与污泥的影响

1)资源浪费严重。污泥与尾矿中含有部分有用组分，包括能源物质与伴生成分。由于其数量庞大，潜在的有用资源非常可观，弃之浪费严重，具有综合利用的潜力[6]。

2)占用土地资源。目前国内外常以堆存方式处理污泥与尾矿，污泥与尾矿的堆积方式不仅投资较大，而且占用了大量土地资源。为矿山与城市绿化及土地资源利用带来难题，此外堆存的方式可能会造成安全隐患。

3)生态环境的影响。堆存的污泥与尾矿极易对生态环境产生负面影响，引发山体滑坡、泥石流等自然灾害，且尾矿与污泥中的重金属或者其他一些酸碱性废水可能会浸染到土地中，造成地下水资源的污染。

1.3 污泥和尾矿资源化利用的可行性

1)随着中国城镇化进程的加速和对环保的重视，污泥与矿山尾矿已给社会发展和生态环境保护带来严重挑战，加快污泥与尾矿的资源化利用的进程已成为社会发展的必然趋势。

2)为实现固废减量化、稳定化、无害化的进程，国家将加大对污泥与尾矿资源化利用的资金与技术投入，制定或出台一系列法律法规和鼓励性政策，尽可能回收利用其中的能源和资源。

3)污泥与矿山尾矿中含有较高SiO2等成分，SiO2含量是评判原料是否适合制备烧结产品的一个重要指标，污泥与矿山尾矿具有制备烧结制品的可行性。

4)污泥中含有大量的有机物，部分尾矿(如煤矸石)含有能源物质，这些物质在高温烧结中会产生一定的热值[7]。因此，利用二者制备烧结制品不仅消耗大量的污泥和尾矿固废，并且还将节省能源，具有良好的前景。

2 污泥与尾矿的应用途径

2.1 污泥利用的主要途径

发达国家对污泥的处理主要以土地利用、陆地填埋和焚烧为主，中国起步晚、发展较缓慢，与发达国家间差距较大，各国污泥的发生量和主要处置方式见表1。我国过去对污泥的利用主要是填埋，该方法可能污染环境和造成资源浪费。近年来污泥在农用、施肥、绿化等方面都进行了相应地应用[8-10]。

表1 各国污泥的发生量和主要处置方式

注：处置方式中包含综合利用5.4%，露天堆存1.8%。

2.2 尾矿利用的主要途径

1)回收有价成分。国外对尾矿回收利用始于20世纪60年代，伴随提取技术的发展，目前很多国家均取得了良好的成就。美国Sivas-Divrigi选矿厂[11]在铁尾矿中回收钴、镍、铜等金属矿物，金属回收率分别达到了94.7%、86.4%、76.8%；王毓华等[12]对富石英和长石的某铌钽尾矿进行综合回收试验研究，最终得到了满足陶瓷及玻璃要求的石英精矿；田信普等[13]采用先重选后浮选的改进工艺流程制备出工业一级绢云母、二级绢云母。

3)尾矿的其他应用。尾矿的应用取得了蓬勃发展，可应用于矿物肥料、充填集料、土地复垦等方面。尼日利亚R.K.Etim等[18]将8%的石灰与10%的铁尾矿混合后治理黑棉土，其浸泡后的浸出液中Fe2+含量符合世界卫生组织应用水标准，可作为公路建设的基体材料。波兰Krystyna[19]将铅锌矿浮选尾矿处理后用于生长了三年低营养状态下的盆栽中，发现植物可以吸收尾矿中的微量P、K、Ca等元素，促进了植物的生长。

3 污泥与尾矿制备烧结制品现状

目前污泥与尾矿制备烧结制品的方法主要有两种：一是干污泥与尾矿混合制备烧结制品；二是污泥焚烧后的焚烧灰与尾矿混合制烧结制品。后一种方法制备方法虽然性能好，但其制备技术和成本要求相对较高，工业上一般采用干污泥与尾矿直接混合的方式。近年来污泥与尾矿制备烧制产品的典型案例见表2。

3.1 制备烧结砖

烧结砖不但需要满足坚固耐用的墙体要求，而且需具有保温隔热、隔声、透水等特定性能。

污泥制备烧结砖由Tay J H[20]提出并将污泥与黏土干燥后的混合物粉碎成细颗粒，挤压成砖坯干燥后，在1 080 ℃的砖窑中焙烧24 h制得烧结砖，开辟了污泥作为掺料制备烧结砖的先河。此后污泥与尾矿制备烧结砖取得了长足的发展[21-23]。L Pérez-Villarejo等[24]按焚烧灰∶尾矿=1∶4的配比混合后制备烧结砖。在压力为54.5 MPa、烧结温度950 ℃、保温24 h，产品强度达到40 MPa，满足了西班牙烧结砖的国家标准。

裴会芳等[25]利用城市污泥、煤矸石、稻壳制备烧结砖。当煤矸石与污泥用量比为3∶2，稻壳为6%和10%时，最佳烧制温度1 080 ℃、保温0.5 h的产品抗压强度分别达到了10.27 MPa、4.44 MPa符合承重砖与非承重砖国家标准。

3.2 轻质保温材料

轻质保温材料一般是指密度较传统黏土砖小、导热系数较小的材料。广泛应用于日常生活、农业、工业、军工等领域。节能保温烧结砖块是轻质保温材料的重要部分，其具有宏观多孔和导热系数低的特点[26]。

胡明玉等[27]利用城市污泥与粉煤灰作为主要原料，加入少量助溶剂。按粉煤灰∶污泥∶助溶剂=65∶30∶5混合后，在1 050 ℃烧结，保温3 h后得到抗压强度26.7 MPa、密度1 200 kg/m3、导热系数0.170 6 W/(m·K)的高强度保温墙体材料

张亚梅等[28]利用湖底沉积物∶煤渣∶污泥=85∶10∶5的配比，最佳烧制温度950 ℃、保温2 h后烧制出密度1.633 g/cm3、抗压强度20.5 MPa、热导率0.533 W/(m·K)的轻质保温材料。通过对比热导率，掺加10%污泥的制品，热导率减少了14%，制品具有良好的隔热性能。

3.3 制备透水砖

透水砖是适用城市广场路面和行人便道的环保型绿色建材，具有透气透水性好、强度高、安全耐磨等特点，能有效改善城市热岛效应、城市内涝和地下水源不足等问题[29]，营造高质量的自然生活环境，维护了城市生态平衡。

李国昌等[30]利用55%赤泥，35%粉煤灰，10%膨润土，成型压力40 MPa，烧结温度1 080 ℃，保温时间1 h为最佳条件。获得透水砖密度2.1 g/cm3，抗压强度35.32 MPa，透水系数0.028 cm/s，磨坑长度27.35 mm，产品强度、透水性及重金属含量均符合的国家标准。

于衍真等[31]将污泥∶淤泥∶煤矸石∶砂=15∶33∶22∶30混合制备透水砖，成型压力20 MPa，最佳的烧结温度为1 100 ℃、保温1.5 h，成型压力20 MPa，烧结制品的抗压强度达到21.8 MPa，透水系数1.03×10-3cm/s，满足渗水铺地砖的要求。

研究发现，污泥能够影响到透水砖制品的工艺参数。通常污泥的掺加量越多，烧结砖制品的密度、抗压强度等均会降低。故须控制污泥的掺量，才能获得技术指标合格的产品。

3.4 生产陶粒骨料

污泥与黏土的组成相似，故利用污泥可制备诸如陶粒的轻质骨料，它是一种具有球状的外形，表面光滑而坚硬，内部呈蜂窝状，其密度小、热导率低、强度高。

国外主要是用污泥焚烧灰烧结陶粒轻集料[32-33]，或将污泥干化处理与尾矿混合烧结陶粒[34-35]，也可烧制用于水环境治理的陶粒滤料。我国用于生产陶粒的原材料以污泥、煤矸石、废弃物、尾矿等固废为主，利用各种废弃物生产陶粒占全国陶粒总量的40%以上，利用污泥与尾矿制备陶粒的技术已较完善。

郭夙琛等[36]利用污泥和石英矿尾矿制备陶粒，污泥经过粉末、干燥、焙烧处理后，按污泥∶石英砂尾矿∶河道底泥∶黏结剂=4∶4∶3∶3的比例混合。在预热温度400℃下，预热20 min的条件下，1 080℃下烧制25 min而成。陶粒骨料的密度约900 kg/m3，筒压强度稳定在5.59 kPa，可有效利用部分污泥和淤泥。

岳敏[37]利用污泥与粉煤灰为主要原料，加入少量黏土制备陶粒，发现了温度是影响陶粒物理性能的关键，高温下陶粒发生了膨胀效应产生大量气体，生成了更多的玻璃态物质并使表面张力增加，进而导致密度增大、吸水率降低。

表2 污泥与尾矿制备烧制产品的典型案例

3.5 烧制多孔陶瓷

传统陶瓷产品是利用黏土与天然矿物经过粉碎、混炼、成型和煅烧而制得。用于建筑材料、医学、日用品材料、电器部件、隔热材料等行业[42-43]。将污泥与尾矿添加到陶瓷的制作原料之中，推动了耐高温高压、抗酸碱，孔隙率高的多孔陶瓷技术发展。Eliane Wolff等[44]利用造纸厂污泥与石英尾矿以合适的配比和950℃的烧结温度，获得了满足隔音性的陶瓷制品。

赤泥是制备氧化铝过程中生成的废弃物，其利用已成为世界性难题。吴庆波[38]利用煤矸石与赤泥作为主要原料制备烧结多孔陶瓷，在赤泥∶煤矸石为1∶2，烧结温度为1 150 ℃，保温时间40 min的工艺条件下，其抗折强度达到16.5 MPa，显气孔率为48.33%。徐鹏等[39]利用粉煤灰与城市污泥为主要原料，添加适量造孔剂、发泡剂制备多孔陶瓷材料，显示造孔剂用量、烧结温度、保温时间对产品性能影响较大。当污泥∶粉煤灰为3∶2，CaCO3用量为30%，烧结温度1 150 ℃，保温30 min，能够得到抗折强度为11.51 MPa，显气孔率67.29%，吸水率9.16%的合格陶瓷产品，可用于制备耐火材料。

3.6 制备微晶玻璃

传统玻璃产品有平板玻璃、特种玻璃，微晶玻璃又称为陶瓷玻璃，是近年来开发的新型建筑材料。目前利用污泥制备微晶玻璃主要是利用污泥焚烧后产生的焚烧灰或炉渣及废旧玻璃[45-46]等固废，而直接利用污泥与尾矿制备玻璃的研究较少。

赵东[40]采用熔融法通过理化分析后，以粉煤灰∶污泥∶添加剂=35∶55∶10，在830℃制得了密度3.27 g/cm3、抗折强度190.65 MPa、维氏硬度730 HV的合格微晶玻璃。韩国Young等[41]利用污泥在760 ℃，焚烧1 h后的飞灰与煤灰按1∶9混合，在1 050 ℃，保温2h的条件下进行烧结，制得到玻璃陶瓷。产品测试及晶相表明：在1 050 ℃、保温2 h的物理性能最佳，抗折强度达到92 MPa，维氏硬度623 HV。

目前利用污泥制备烧结制品多为污泥与黏土、粉煤灰、赤泥匹配应用。若污泥多与尾矿制备建材产品，既可实现成分互补，解决污泥与尾矿的处置难题，又可节省所需的部分黏土，实现互补共赢、资源高效化利用。

4 结论与展望

污泥与尾矿都是“放错地方”的潜在资源，具有较好的资源化利用前景，值得深入研究和开发。我国污泥与尾矿固废资源化综合利用意识和技术与国外尚有差距，需要政策、法律和技术方面的鼓励和支持。

1) 在国家与地方层面给予政策和资金支持的前提下，要在资源化利用的研发，企业的创新上加大投入，鼓励科研院所、企业积极开展污泥与尾矿资源化利用的研究和应用。

2) 在制定相应可持续发展法律法规条件下，促进和监督污泥与尾矿资源化利用的进程，加快污泥与尾矿的资源化利用步伐。

3) 需要在污泥与尾矿固废利用技术上宽思路[47]，在制备高附加值产品的研发上汲取国外先进的技术经验，并以此消化，勇于创新。

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Applications and developments of sintered products’ preparation from sludge and mine tailings

LUO Liqun1，2，WANG Zhao1，2，WEI Jingming1，2

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment of Hubei，Wuhan 430070，China)

At present，disposal and utilization of sludge and mine tailings have being become a major social problem that needs to be solved in the process of industrialization in our country.In this paper，the status and potential impacts of sludge and tailings in China are briefly introduced.The disposal methods of sludge and tailings at home and abroad are introduced，respectively.The mixing utilization of sludge and tailings is used to prepare sintered bricks，lightweight insulation materials，permeable bricks，lightweight aggregate，ceramic ceramics，glass products and other sintering products.The outlook of a variety of solid waste synergistic use of new ideas is presented in order to promote technology developments on solid waste resource utilization.

sludge；tailing；sintering product；resource utilization

2017-01-06 责任编辑：宋菲

“十二五”国家科技支撑计划项目资助(编号：2013BAB03B03)；承德市科技发展项目资助(编辑：201606A080)

罗立群(1968-)，男，博士，高级工程师，主要从事矿物资源的高效利用与清洁生产研究，E-mail：lqluollq@hotmail.com；

王召(1991-)，男，硕士研究生，矿物资源综合利用；魏金明(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为复杂多金属矿分选与利用。

X705；TU522；TQ175

A

1004-4051(2017)07-0129-06