利用污水污泥制备陶粒轻骨料

邓先宾，程薇玮，蓝小松，吴北华，梅雨

（四川经准检验检测集团股份有限公司 四川 广安 638500）

0 引言

随着我国经济的持续发展和城市人口的不断增加，环境污染问题也日渐严重，其中水污染问题就是一个关系到人们生活的重大问题。污水污泥是城市污水处理厂在污水处理后产生的固体絮凝状或流体状物质，据统计，截止2013年底，我国共建成城镇污水处理厂3 513座，日处理污水达到1.49亿m3，年产湿污泥超过3 000万t[1]。经过污水处理厂处理后的污泥具有含水率高（机械脱水仍高达80%）、强烈恶臭气味、重金属含量高（主要是Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等）、有机物含量高、病原体及微生物含量高、具有一定的热值等特点[2]。基于污泥的上述特点，若处置不当，将会对自然环境和人类健康造成极大的危害。在我国，传统的污泥处置方式有卫生填埋、土地利用、焚烧等，这些处置方式或多或少都存在一些问题，容易造成二次污染[3]。随着人们环保意识的提高，迫切需要一种新型的污泥处理方式。建筑材料是世界上需求量最大的材料之一，将污泥进行建材化利用不仅可以消纳大量的污泥，解决其污染环境的问题，而且还可以使其回到建筑工程中为人类所利用，具有广阔的应用前景。

1 污泥陶粒的制备原理

陶粒是一种人造建筑材料，可用于混凝土中作为骨料使用。传统的陶粒主要取材于页岩或粘土(主要成分为偏铝硅酸盐)，此生产过程对粘土有着巨大的需求，粘土资源的大量开采直接影响到农村耕地的数量和质量，威胁到我国的粮食生产，因而就地取土的方法近年来已经被逐渐禁止。

污泥陶粒最早由Nakouzi等人提出，以污泥为原料，掺加辅助原料及助熔剂经过一定的工艺流程焙烧而成[4]。研究表明，陶粒能够烧胀的必要条件是原料的化学成分中SiO2、Al2O3、助熔剂含量必须在一定的范围内[5]。干污泥的无机成分主要是粘土质原料，即是以SiO2、Al2O3等为主，与普通粘土的成分接近，这就为用污泥替代粘土烧制骨料提供了可能。经机械脱水后的污泥含水率仍较高，且烧失量相当大，焙烧后收缩明显，不具有烧胀性能，不能直接用来生产陶粒，必须添加一定的粘土质原料才能用来烧制陶粒。页岩属于粘土矿物，具有独特的层状结构和良好的离子交换及吸附性能。自然界中的页岩含水率一般较低，当污泥与页岩的掺加比例合适时，混合组分的含水率恰好是陶粒造粒所需的含水率范围，这就很好的解决了湿污泥含水率高的特点，为污泥的建材化利用提供了基础。这样，以污泥和页岩为主要原料，添加一些助熔剂，在适宜的烧成制度下就能焙烧出性能良好的陶粒。

2 污泥陶粒的制备工艺流程

污泥陶粒的烧制工艺与普通陶粒的工艺流程类似，不同的是采用污泥作为陶粒的部分原料来源，其工艺流程如图1所示[6]。

图1 利用污泥制备陶粒轻骨料的工艺流程

污泥与页岩按一定的比例进行混合，添加适量助熔剂，将所有组分在混料机中进行混合，均匀分布后用造粒机造粒（成球）。然后对生料球进行干燥处理，目的在于除去生料球中的水分，防止焙烧过程中开裂。为了减少生料球突然进入高温环境时因温度急剧变化所引起的炸裂，同时使气体逐渐产生，焙烧前还需要对生料球预热。焙烧过程是膨胀气体逸出与适宜粘度液相生成并抑制气体逸出的动态平衡过程，直接影响着污泥陶粒的最终性能，因此必须控制好焙烧温度、焙烧时间和烧成气氛等。冷却的作用是使陶粒表面逐渐形成坚硬壳体，从而使其表面密实，内部成为闭合的空隙，以便减少吸水率、提高强度，因此适宜的冷却机制对污泥陶粒的性能有着重要的影响。

3 污泥陶粒的性能特点

用于混凝土中的骨料，一般具有抗压强度高、外形好、产量大的特性，出于建筑节能的要求，也希望骨料具有轻质保温的性质。天然的砂石原料是性能优异的混凝土骨料，但是天然砂石原料又是一种不可再生资源，随着我国基础建设的进行已经被大量消耗，自然界中优质的砂石骨料总有一天会消耗殆尽，不能满足我国高速发展的建设进程。陶粒作为一种人造骨料，只要性能能够满足相关要求，就可以取代天然砂石用于混凝土中。污泥陶粒由于其配料中污泥本身含有的有机物组分能在高温条件下完全分解释放出来，陶粒内部会产生大量的空隙，降低了陶粒的表观密度，增加了陶粒的保温隔热、抗震性能和隔音性能。

抗压强度、堆积密度、吸水率是陶粒最重要的几个性质。K.J.Mun[7]用城市脱水污泥与烘干磨细粘土混合制备出的污泥陶粒，堆积密度在700～900kg/m3，吸水率约20%～25%左右。陈伟[8]等人用污泥辅以粘土和粉煤灰制备了污泥陶粒，其堆积密度为760kg/m3，筒压强度达到5.2MPa，主要指标达到或超过了GB/T 17431.1-1998《轻集料及其实验方法第一部分：轻集料》的要求。

4 污泥陶粒的应用

利用污泥陶粒来配制混凝土和制备混凝土制品是其最主要的应用途径。目前，由于生产出污泥陶粒的抗压强度难以满足高强度等级混凝土的要求，因此污泥陶粒一般不单独用于配制高强度等级混凝土。通过掺加其他优质矿物掺合料和高性能外加剂，可配制出满足C30强度要求的轻集料混凝土。除此之外，在自然砂石集料中掺入一定比例的污泥陶粒配制混凝土的方法也得到了大家的认可。利用碎石与污泥陶粒作混合粗集料配制了不同集料组成的次轻级混凝土，其早期强度与不掺污泥陶粒的混凝土相当，比同强度等级普通混凝土有更好的延展性，导热系数大大降低，明显提高了所拌合混凝土的保温隔热性能[9]。

污泥陶粒除了用于配制混凝土之外，在废水处理方面可用作吸附剂，其吸附效果与普通商品陶粒相当；在农业上也可用作无土栽培的介质和土壤改良剂等。

5 污泥陶粒的环境协调性能

利用污水污泥掺加一定量的页岩和辅助原料制备，可获得性能良好的混凝土轻骨料。污泥陶粒是一种绿色建筑材料，具有良好的环境协调性能，具体表现在以下几个方面：

（1）很大程度上解决了城市污泥的处置问题。污泥具有一系列不良的特性，其处置一直是一个十分棘手的问题。在污水处理厂旁边建设一个陶粒生产线，可以很好地解决污泥的出路问题。污泥含水率较高，与页岩掺合使用可解决其含水率高的问题；经过高温条件下的焙烧，污泥中的病原体、微生物等可以被杀死，降低了其对人类的威胁；污泥中的重金属在高温条件下固化，解决污泥中重金属危害的问题。因此，利用污泥来生产混凝土轻骨料的方法可以将污泥本身的危害降到最低。

（2）一定程度上解决铬渣的使用问题。铬渣是工业生产金属铬和铬盐过程中排放出的工业废渣，对人类健康有着很大的危害。用铬渣作污泥陶粒生产中的助熔剂，不仅利用了铬渣这一工业废弃物，而且降低陶粒生产过程中的能耗。

（3） 节约了天然砂石骨料的使用。自然界中性能优异、可用于混凝土中的砂石的总量是有限的，利用污泥陶粒取代一部分砂石集料用于混凝土中，可减少天然砂石的使用量，节约了自然资源。

（4） 污泥陶粒配制出的轻集料混凝土能降低建筑物的使用能耗。污泥陶粒内部含有较多的空隙，配制而成的混凝土不仅质量轻，而且保温隔热性能良好。污泥陶粒混凝土用于建筑物中，能降低建筑物的使用能耗，节约空调使用费用，节约了资源和能源。

6 结语

综上所述，利用污水污泥掺加一定量的页岩和辅助原料制备得到的混凝土轻骨料—污泥陶粒是一种绿色建筑材料。它很大程度上解决了城市污泥的处置问题；一定程度上解决铬渣的使用问题；节约了天然砂石骨料的使用；当用于建筑物时，由于其保温隔热性能良好，还能降低建筑物的使用能耗。但由于生产出污泥陶粒的抗压强度难以满足高强度等级混凝土的要求，因此污泥陶粒一般不单独用于配制高强度等级混凝土。在自然砂石集料中掺入一定比例的污泥陶粒配制混凝土的方法得到了大家的认可。