采用生活污泥制备用于花卉生长的轻质颗粒的试验

张雪梅，陈 涛，付红伦,汪徐春，况培培，刘 敏

(1.安徽科技学院化学与材料工程学院，233030，安徽蚌埠；2.桃州园林环保科技有限公司，518000，广东深圳)

生活污泥来自生活污水净化处理过程中产生的淤泥，含有大量植物生长所需的氮、磷、钾等多种营养元素，也积聚大量的寄生虫(卵)等多种病原体和有机污染物，一定程度上制约着生活污泥资源化再利用[1]。当前我国生活污泥年产量为3 000万～4 000万t，随着城镇化及经济快速发展，城市生活污泥日益激增，污泥年产量继续大幅增加，预计到2020年，污泥年产量将达到6 000万～9 000万t，如此之多生活污泥急需得到安全处置。目前对生活污泥处置的主要方式为自然干化，在我国，污泥处理的常用方法有厌氧消化、好氧消化、热处理、加热干化以及加碱稳定等。由于受到技术和资金的限制，目前大部分城市对污泥采用简单填埋或直接用于植物施肥，很容易造成污泥对环境的再次污染[2]；少数发达城市(如广州市)对湿污泥进行干化，然后对干化污泥进行填埋、焚烧后的灰进行填埋，以及对湿污泥进行厌氧消化、干化，在对干化后的污泥进行填埋[3]：都没有充分利用污泥中丰富的N、P、K等植物生长必需的营养元素。国外污泥通常都先经过厌氧消化或好氧发酵稳定化处理后，再对其进行卫生填埋和土地利用，美国、英国及法国主要将污泥用于土地利用，利用率达到60%，而日本则对污泥进行焚烧，达到65%，欠发达国家以及发展中国家普遍将污泥进行卫生填埋，没有对污泥资源化利用[4]。目前如何将污泥安全处置与资源化再利用相结合成为相关学者们的关注重点，污泥资源化再利用主要是利用其含有的大量有机质和营养元素，与贫瘠土壤混合后可以改善土质，促进植物的生长[5]。污泥中病原体微生物可通过高温煅烧将其杀灭，其他有毒物质转化成了无害物[6-7]。本试验采用黄土作为黏结剂，添加石英砂尾矿、硅藻土、高岭土和硫酸铝等无机试剂以制备满足花卉等植物生长要求的轻质颗粒，为生活污泥安全处置提供一种可靠的途径。在保证工艺简单的前提下加以创新，加入石英砂尾矿，石英砂尾矿来自石英砂开采时产生的废弃料，应用于本试验可有效降低它对环境的污染，同时进一步提高产品抗压能力。硅藻土具有多孔性，使轻质颗粒具备高孔隙度，从而具有较强的吸附能力。本研究原材料取材容易，成本低廉，工艺条件简单，制得产品具有抗压强度高、吸附性强、保湿性好等优越性能。

1 材料与方法

1.1 原料及其性质

1) 污泥。试验采用的污泥为生活污泥，取自凤阳县富春紫光污水处理有限公司，含水率为70%～80%，含有丰富的N、P、K等有益元素,采用Sherwood-410 型火焰光度计和ZEEnit-700P型原子吸收光谱仪等测定有益元素及微量元素的质量分数(表1)。此外，污泥含有大量的微生物等病原体[8-9]。将取回的污泥进行预处理，获得粒径分布为300～600 目的污泥粉体。(采用Bettersize2000激光粒度分布仪测得其粒度分布如图1左)。

表1 污泥中主要的有益元素及金属成分质量分数

图1 污泥(左)和黄土(右)原料的粒度分布Fig.1 Distribution of the particle size of the sludge (Left) and the clay (Right)

2) 黄土、石英砂尾矿、硅藻土、高岭土。黄土取自安徽省凤阳县本地土，主要成分为黏土矿物，理化性质表现为多孔隙、质地疏松，还含有土壤腐殖层，黄土原料研磨至粒径为100目左右。石英砂尾矿主要成分为SiO2，且含有长石、云母、铁矿物等杂质[10-12]，来自安徽省凤阳县天力石英砂厂生产的化学纯尾矿，研磨至粒径为200～400目。硅藻土为天津市永大化学试剂有限公司生产，高岭土为国药集团化学试剂有限公司生产。均采用Bettersize2000激光粒度分布仪测得其粒度分布，如图1(右)及图2、图3。

图2 石英砂尾矿(左)和硅藻土(右)的粒度分布Fig.2 Distribution of the particle size of quartz sand tailings (Left) and diatomite (Right)

图3 高岭土的粒度分布Fig.3 Distribution of the particle size of kaolin

3) Al2(SO4)3无机试剂，为国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯。

1.2 试验性能测试

1)轻质颗粒具有较高的抗压强度，可以增加其反复使用率，不易碎裂。抗压强度测试：选取大小均匀的数粒轻质颗粒，依次放入ATH-5000型弹簧拉压试验机的压板中心，启动试验机连续均匀的施加压力直至试样破坏，记录试样破坏时的压力，计算平均压力P，试样的平均受力面积A1，通过Q=P/A1×100%计算抗压强度。

2)良好的吸水性能够保证轻质颗粒中有足够的水分，供给花卉生长的需求。吸水率测试：于分析天平中称取适量的轻质颗粒，充分干燥至恒重后记录质量m1，放入烧杯中加入适量的蒸馏水让其充分吸水后取出并用试纸擦干表面水珠，称得质量m2，通过K=(m2-m1)/m1×100%计算吸水率；

1.3 试验流程与方法

1.3.1 原料预处理 将污泥于马弗炉中在500 ℃左右煅烧4 h，使污泥内的有机质和病原体部分挥发和灭活，煅烧后所得污泥预处理原料中有机质含量为50%～60%，水分降低到0～1%。将其用玛瑙研钵研磨至所需的粒度，粒径分布为300～600目。

1.3.2 物料配比确定 本试验中影响轻质颗粒产品综合性能的主要因素有污泥、黄土、石英砂尾矿、硅藻土、高岭土的添加量，各无机粉体的粒度，湿混合料的培养时间、湿度和温度，煅烧温度与时间[13-15]。通过设计正交试验初步得到物料配比为：污泥(4.0～8.0 g)、黄土(3.0～5.0 g)、石英砂尾矿(0.5～2.0 g)、硅藻土(0.3～1.0 g)、高岭土(0.5～1.0 g)、Al2(SO4)3(0.2～0.6 g)。根据初步得到的物料配方采用控制单一因素变量法，得出最佳物料配比为污泥5.0 g、黄土4.0 g、石英砂尾矿1.5 g、硅藻土0.5 g、高岭土0.5 g、Al2(SO4)30.5 g，此时轻质颗粒的抗压能力、吸水率等综合性能均达到最优值。

1.3.3 混料、陈化与成型

1)于分析天平中按比例称量各无机粉体，于烧杯内充分搅拌均匀。

2)加入占干混合料重量27%～45%的自来水，搅拌均匀，陈化6 h以提高其可塑性。

3)利用造粒仪器将湿混合料制成粒径在3 mm左右的轻质颗粒，放入恒温鼓风干燥箱内60 ℃下干燥1 h得初步成型的轻质颗粒。

1.3.4 烧结温度时间的确定 采用单一变量法设置一定的温度梯度以及时间梯度，对一系列的轻质颗粒性能进行比对最终确定最优的烧结温度930 ℃和烧结时间50 min。

2 试验结果与分析

2.1 污泥的添加对轻质颗粒性能的影响

采用单一变量法，通过控制污泥添加量进一步研究污泥含量对轻质颗粒的抗压强度、吸水性及气孔率等性能影响(表2)。采用EVO-18型扫描电子显微镜分析污泥的微观形貌，XD-3型X射线粉末衍射仪进行晶体分析。

表2 污泥含量对轻质颗粒性能的影响

注：w为污泥含量占无机粉体总质量的比例。Notes:wrefers to the percentage of the amount of sludge in the total mass of the inorganic powder.

图4 污泥的X衍射(左)与扫描电镜(右)Fig.4 X-ray diffraction (Left) and scanning electron microscopy (Right) of the sludge

从表2看出，污泥含量从0～100%逐渐增加时，轻质颗粒的抗压强度从7.47 MPa下降到2.33 MPa，由图4中的污泥X衍射分析可知，在2θ=26.72°时出现SiO2晶体最强特征峰，说明污泥中主要成分为SiO2骨料，污泥含量的增加降低了黏结剂在颗粒中所占比例，产品颗粒堆积密度从1.63 g/cm3减小到1.11 g/cm3，粗骨料颗粒之间黏结度降低，使轻质颗粒的抗压强度逐渐减小[16]。如图4右图所示，分析污泥的微观形貌，发现其呈现疏松多孔状，具有发达的孔隙度，这些颗粒中空隙是煅烧过程中污泥中的有机质和水分挥发留下的，使产品的吸水率从33.33%～63.67%不断增加。从图1可知污泥的粒径主要分布在45～60 μm之间，随着污泥量的增加，颗粒间的堆积密度下降，孔隙度增大，吸水率提高，抗压强度降低，结果表明轻质颗粒的抗压强度与吸水率变化趋势呈现相反关系。

太阳能制冷系统具体驱动设备如下：循环泵电机M1由双速电机控制，溶液泵电机M2由变频器进行多段速控制，太阳板清洗电机M3为普通三相异步电动机，太阳板仰角由伺服电机M4控制，太阳板方位由步进电机M5控制。

2.2 黄土的添加对轻质颗粒性能的影响

设置黄土添加量的梯度研究黄土含量对轻质颗粒的抗压强度、孔隙率和吸水性等主要性能影响，探究不同的黄土含量对污泥固化程度已达到本试验研究的轻质颗粒理化性质满足花卉等植物生长要求，并且可以长期反复使用[17-18]。

从表3数据看出，当黄土添加量从0～100%变化时，轻质颗粒的抗压强度从0.67～7.27 MPa不断增加，吸水率从61.33%～40.33%逐渐下跌，颗粒的堆积密度从0.91～1.20 g/cm3不断增加。通过图5黄土的X衍射和SEM分析，超过900 ℃时黄土中主要黏土矿物与二氧化硅等形成低温共熔体，以液相进入粗骨料的间隙并将骨料颗粒紧密的结合在一起，同时发生晶型转变，形成形貌更加规律，应力更小的稳定晶型[19]，从而使轻质颗粒具有一定的抗压强度，随着黄土量的增加，产生的液相愈多，将粗骨料包围的更加紧密，使颗粒的抗压能力不断增强。图5的扫描电镜表明黄土本身具有一定的孔隙度，加上轻质颗粒中各无机粉体的煅烧损失以及有机质和水分挥发，使颗粒拥有多空隙，使颗粒具备一定的吸水率和保湿性。但是随着轻质颗粒中液相共熔体逐渐增多，不断地填充空隙，降低了空隙度，吸水率及保湿性开始慢慢降低。

表3 黄土含量对轻质颗粒性能的影响

注：w为黄土含量占无机粉体总质量的比例。 Notes:wrefers to the percentage of amount of clay in the total mass of the inorganic powder.

图5 黄土的X衍射(左)与扫描电镜(右)Fig.5 X-ray diffraction (Left) and scanning electron microscopy (Right) of the clay

2.3 烧成温度对轻质颗粒性能的影响

图6 煅烧温度对轻质颗粒的性能影响Fig.6 Effect of firing temperature on the performance of the light particles

设置一定的温度梯度对轻质颗粒进行煅烧探究其最佳烧成温度，图6可以看出随着烧成温度从600～1 050 ℃变化时，轻质颗粒的抗压强度逐渐增高到7.35 MPa时，开始出现下降现象。堆积密度从0.87 g/cm3上升到2.47 g/cm3时开始逐渐下降。在600～900 ℃时轻质颗粒中慢慢开始出现少量熔融体液相并进入骨料颗粒间隙中，颗粒之间的黏结度不断增强，颗粒中气体挥发形成的气孔逐渐被液相替代，使轻质颗粒表现出抗压强度增加，吸水率降低。在900～950 ℃高温下，轻质颗粒中的氧化铝、氧化硅与其他物质共同形成大量共熔体，并以液相形式进入骨料颗粒之间，将骨料牢牢地黏结在一起使轻质颗粒具有一定的抗压强度[19]，颗粒的气孔逐渐降低。当温度超过950 ℃，过高的温度破坏了共熔体的结构，使成品中孔隙增大，堆积密度降低，颗粒与颗粒之间黏结度降低，从而使轻质颗粒的抗压强度降低，吸水率提高，所得成品较易粉碎。

2.4 焙烧时间对轻质颗粒的性能影响

通过正交试验及控制单一变量法确定了制备轻质颗粒的各无机粉体及其它添加剂的配比，按原料配比初步制得的轻质颗粒需要进行高温煅烧以达到对污泥固化再利用目的。

表4可知，当焙烧时间从0～80 min变化时，轻质颗粒的抗压强度变化呈现抛物线形式，由0.56 MPa逐渐上升达到最高点5.33 MPa后开始下降，吸水率逐渐降低后又再次升高，在抗压强度为最高值时吸水率为33.33%。煅烧温度超过900 ℃后，轻质颗粒产生液相促进了颗粒重排及传质过程，同时液相融入骨料间隙促使颗粒与颗粒之间结合的更加紧密，轻质颗粒的抗压强度逐渐升高。在0～50 min期间由于轻质颗粒还未开始致密化，其内部的有机质挥发、二氧化碳气体和水蒸气逸出留下空隙，液相随之填充，轻质颗粒内的气孔率降低使其吸水率进而降低[18]。当焙烧时间在50～60 min范围内逐渐增加，颗粒开始致密化，残留气体被液相包裹其中，在颗粒内部形成微孔，此阶段轻质颗粒的抗压强度依然继续增强，吸水率缓慢减小。焙烧时间超过60 min时，包裹在液相中的气体开始逸出，使微孔与微孔之间连通形成较大气孔，轻质颗粒的致密度随之降低，抗压强度逐渐减小，孔隙度增大提高了颗粒的吸水率。进一步分析焙烧时间对轻质颗粒性能的影响试验可知，该轻质颗粒的抗压强度与吸水率呈相反关系，在二者之间找出平衡点使抗压强度与吸水率等性能均较好，最终得出在焙烧时间在50～70 min之间，抗压强度与吸水率变化较为缓慢，轻质颗粒的整体性能较好。

表4 焙烧时间对轻质颗粒的性能影响

图7 石英砂尾矿(左)与硅藻土(右)的扫描电镜图Fig.7 Scanning electron microscopy of the quartz sand tailings (Left) and diatomaceous earth(Right)

2.5 石英砂尾矿、硅藻土添加对轻质颗粒性能的影响

尾矿的添加主要将其作为轻质颗粒的粗骨料，一定程度上对尾矿进行了资源化再利用，降低其对环境的污染。从图7(左)尾矿的扫描电镜图看出，尾矿中SiO2通过硅氧四面体在空间形成三维网状结构，使其具有规律且稳定的结构和较高的硬度。试验表明若轻质颗粒中SiO2含量过低，颗粒的抗压强度较低，含量过高会降低颗粒的膨胀性能[19]，进而会减小气孔率。当SiO2所占比例合适时，焙烧后轻质颗粒综合性能较好，经试验探究其含量为30%～40%时较为合适，其中SiO2占有37%时，制得的轻质颗粒抗压强度、吸水性等达到最佳性能。

硅藻土是由古代硅藻的遗骸堆积形成的硅质沉积岩，具有独特的微孔结构(如图7右)，孔隙率可达80%～95%，吸附能力强，同时其分散性能与悬浮性能强[11]。硅藻土壤的酸碱度近为中性，将其掺杂于农林用土中可以疏松土质、提高保湿能力、延长肥效时间，促使农作物生长。本试验添加硅藻土用来提高轻质颗粒的孔隙度以增加颗粒的吸水率，同时硅藻土的大量微孔结构以及表面存在丰富的硅羟基和氢键，使硅藻土具有较强的吸附性[12]，在轻质颗粒制备过程中添加硅藻土，使轻质颗粒同样具备较高的吸附性，可以对空气中的有害气体进行吸收，以达到净化空气的目的。

2.6 轻质颗粒的化学成分及微观形貌

通过探究污泥、黄土、石英砂尾矿、硅藻土和高岭土的添加对轻质颗粒的抗压强度以及吸水率等主要性能的影响，得出各无机试剂的最优比例。采用X衍射和SEM进行分析试验制得的成品颗粒如图8，测得轻质颗粒中对植物生长有益化学成分质量分数如表5。

由表5可知轻质颗粒中含植物生长所必需的大量营养元素及各元素质量分数分别为N 8.5 mg/g、P 2.6 mg/g、K 4.9 mg/g，满足花卉等植物生长需求，此外硅、铝、镁和钠等元素的存在还具有提高植物抗病性，促进光合作用等用处。从产品颗粒的X衍射图(如图8左)可知，在2θ=26.72°时出现最强特征峰，在2θ=21.03°时出现次强特征峰，2个特征峰均为SiO2晶相，数据分析表明颗粒中晶型存在的主要形式为SiO2，此外还含有蓝晶石(Al2SiO5)。各无机粉体试剂在高温煅烧成产品颗粒时发生晶型转变，形成较稳定的硅酸盐晶型，使产品颗粒拥有较高的抗压强度。本试验中SiO2晶体在930 ℃条件下并没有大量熔融与其它元素结合改变结构，依然以高硬度的原物相存在，进一步增强了产品颗粒的抗压能力。由轻质颗粒的SEM微观形貌(如图8右)可知，产品颗粒存在大量的微孔，由于污泥煅烧过程中有机质挥发留下了一定量的气孔，又添加一定量的硅藻土增加了一定的孔隙度，使产品颗粒具有较高的吸附性。

表5 轻质颗粒的有益化学成分

图8 轻质颗粒的X衍射(左)与扫描电镜(右)Fig.8 X-ray diffraction (Left) and scanning electron microscopy (Right) of the light particles

2.6 轻质颗粒对花卉生长的影响

采用盆栽花卉吊兰作为培育对象，选出生长状况一致的吊兰(Chlorophytumcomosum(Thunb.) Baker)，采用污泥含量不同的产品颗粒对其进行培养，利用空白对照法将吊兰放在培养箱内在同一条件下培养35天，观察并记录吊兰生长状况如表6。

表6 不同污泥含量的产品颗粒对吊兰生长的影响

从表6可以看出随着污泥含量不断增加，吊兰的生根数从无逐渐增加到40多条，而且其茎越来越长同时更加粗壮，比空白组长12.0 cm，宽1.5 mm，叶片数也不断增多至15片，吊兰的整体生长状况呈现出不断增强趋势。由于污泥本身蓬松多孔(如图6左图)，随着污泥量的不断增加，使轻质颗粒的堆积密度逐渐下降，孔隙度增大，吸附能力不断增强，轻质颗粒对营养液的缓释能力增强，对吊兰生长具有促进作用。污泥中大量的氮、磷、钾等营养元素含量随着污泥量的增加逐渐增多，同时也会进一步促进吊兰的生长。与空白试验对比发现采用生活污泥制备的轻质颗粒不仅能满足花卉等植物的生长要求，而且随着污泥量的适量增加，在一定程度上有利于植物生长。

3 结论

试验采用单一变量法较为全面的筛选出了最佳制备轻质颗粒的条件，使得产品颗粒性能表现达到预期结果。通过控制单一变量法逐一排除影响轻质颗粒性能的因素，找到某一影响因素中的最佳条件，通过比较获得轻质颗粒的最佳物料配比。本试验对污泥的利用率高达50%，制得轻质颗粒抗压强度达7.0 MPa以上，吸水率为50%，产品颗粒的性能优于国内外同等产品，且满足花卉等植被生长需求条件，为高效率利用污泥提供简单易行的途径，具有一定的经济效益、环境效益和社会效益。