复合水泥对生活污泥固化效果的研究

张京波，陈延昌，宋 鹏，付兴华，王 琦

(济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022)

作为城市污水处理的废弃物，城市污泥的成分非常复杂，含有大量的重金属盐、有机质、微生物病原体以及难以降解的有害物质[1]。由于污泥形状不规则，多为黑褐色胶体液体，其内部网状结构错横杂乱使其比表面积和孔隙率高，导致城市污泥含水率普遍在90%以上，脱水普遍困难[2-3]。我国的污泥处理尚处于初级阶段，随意的填埋和堆置给环境带来很大的伤害，因此污泥的处置成为当前社会非常紧迫的问题。

水泥加到污泥中会迅速发生水化反应，然而污泥中的杂质会包裹水泥颗粒，因此水化速度会低于纯水泥水化的速度[4]。单纯的硅酸盐水泥作为固化剂固化污泥效果不明显，水化产物C-S-H凝胶来胶结污泥容易干燥开裂[5]。铝酸盐水泥固化污泥水化速度快，但是产生的水化产物钙矾石填充到污泥空隙中会导致固化体膨胀开裂。二水石膏可以调剂水泥的凝结时间，促进生成钙矾石[6]，为此设计三元复合水泥固化剂，通过调节水泥产物钙矾石和C-S-C凝胶提高固化体的密实度。

1 实验

1.1 试剂、材料与仪器设备

二水石膏(AR，99%)；普通硅酸盐水泥(P.O.52.5)；郑州登峰CA-50-G6型高铝水泥。

实验用污泥来自济南大学污水处理厂，其主要指标如下：含水率为94.15%；pH值为7.05；烧失量为26.77。其生活污泥主要氧化物组成见表1。

表1 生活污泥主要氧化物组成 %

采用瑞典Retrca HB公司的3116-2型八通道量热计测定固化污泥的水化放热总量和放热速率，美国 FEI 公司的 Quanta 250 FEG型场发射扫描电子显微镜观察固化污泥的微观形貌。

1.2 方法

2 结果与分析

2.1 固化剂掺量对固化污泥强度的影响

表2 试验方案表

图1 固化剂掺量对固化体抗压强度的影响

2.2 复合水泥的水化热分析

图2 水化速率曲线

图3 水化放热总量曲线

2.3 复合水泥对固化污泥矿物组成的影响

图4 a试样不同龄期XRD图谱

图5 b试样不同龄期XRD图谱

3.4 复合水泥对固化污泥微观形貌的影响

由图6可知，样品a的固化体3d主要由棒状的AFt和C-S-H凝胶组成，针棒状的AFt与其他水化产物紧密交织在一起。7d时的水化产物AFt明显增多，在固化体孔隙中形成了很好的骨架结构。样品b早期水化产物主要以AFt为主，后期硅酸盐水泥水化的产物C-S-H凝胶与AFt交织在一起，钙矾石的孔隙填充和骨架作用提高了固化体的结构稳定性，使得固化体强度提高。

图6 试样不同水化龄期的SEM图片 (样品a:(a)3d (b)7d;样品b (c)3d (d)7d)

4 结论

复合水泥固化剂固化高含水率污泥体系中，随着复合水泥掺量增加，固化污泥体的抗压强度也不断增大，固化剂掺量低于20%时, 固化体的抗压强度将低于20kPa。二水石膏和铝酸盐水泥会促进早期AFt的形成，加快固化体的水化进程。复合水泥在固化体中的水化产物主要是AFt、C-S-H凝胶和CaCO3组成，针棒状的钙矾石与C-S-H凝胶在固化体中形成了支架结构，使孔隙细化，提高了固化体的强度。