水体底泥和猪粪理化性质分析及生态砖制备工艺初探

林映津，曾小妹，谢贻冬，苏文勋，毕佛春

(1.华川技术有限公司，福建 福州 350008;2.福建省湖库流域生态修复工程研究中心，福建 福州 350008)

1 引言

随着社会经济和工业化进程的快速发展，大量的工业废水、生活污水和农业废水被排入河湖等水体中，其中的污染物质经过逐年的积累沉淀，在水体底部形成了巨大的内源污染，因此需及时对底泥进行治理，以避免其对水生态系统造成严重的破坏[1，2]。

目前，国内对水体底污染的治理主要是采取环保疏浚的方法[3，4]，但疏浚的底泥的堆放不仅占用大量土地，而且容易对环境造成二次污染，因此如何妥善处理不断增加的疏浚底泥，将经过减量化和无害化处理后的底泥进行资源化利用，已成为研究的焦点[5～7]。

当前，常用的底泥资源化技术主要有土地利用、堆肥、制备陶粒、水泥、制砖、填方等[8]，其中制砖技术融入了传统的制砖工艺，基本无毒，并且对水质具有净化作用，具有良好的生态环境和经济效益。

我国是一个畜牧业生产大国， 其中生猪养殖为人们的日常食品供应提供了重要保障，但与此同时，猪粪带来的环境污染问题也日益突出，因此，如何处理猪粪成为困扰生猪养殖产业健康可持续发展的瓶颈[9]。目前，对猪粪处理的方法主要有发酵、用作栽培基质、饵料化处理等[10，11]，未见利用其为制备生态砖的报道，因此，本文利用水体底泥和猪粪为原料，对二者进行理化性质分析，并进行制砖工艺的初探，以期为底泥和猪粪的资源化处理提供新的思路。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

水体底泥：取自福州市白马河疏浚底泥；猪粪：取自三明市远郊外小型生猪养殖场的干清粪；水玻璃：购自郑州辉一腾实业有限公司；矿渣：取自三明三钢集团有限责任公司；碳酸钙：购自新郑市龙湖镇峰昌化工商行。

2.2 实验仪器

DHG-9070A电热鼓风干燥箱(购自上海一恒公司)、SRIX-10-13A箱式电阻炉(购自上海索域公司)、Vario Macro Elementar大量进样元素分析仪(购自Elementar公司)。

2.3 实验方法

2.3.1 原料预处理

首先利用18目的铁筛网过滤疏浚的底泥，除去淤泥中石子、贝壳、杂草、生活垃圾等各种有机、无机杂质，在自然风干的同时辅以功能微生物(从河道底泥中分离得到的具有加速有机质降解和泥水分离功能的微生物)进行脱水处理。待底泥晾干后，再对其进行粉碎处理，使形成粒径为0.150～5 mm的底泥灰。

将具有除臭功能的微生物(从生猪养殖场除臭通风管道中筛选分离得到)接种到猪粪中，降解其中的臭味物质，再置于恒温干燥箱中80 ℃烘干备用。

2.3.2 底泥理化性质分析

2.3.2.1 底泥氧化物组成检测

根据国标：煤灰成分分析方法(GB/T1574-2007)对底泥的氧化物组成进行检测分析。

2.3.2.2 底泥的塑性指数分析

取未经处理的含水率90%的底泥，分别加入聚丙烯酰胺(PAM)和羧甲基纤维素钠，每种药剂投加量为底泥湿重的0.2%、 0.5%，静置沉淀12 h，去除上清液，离心(5000 r/min)10 min，去除水分，收集沉淀底泥，自然晾干3～5 h，检测其塑性指数。

2.3.2.3 底泥的烧失率检测

取一定质量的底泥样品，105 ℃烘干至恒重，置于箱式电阻炉中在600 ℃灼烧至恒重，冷却至室温后称重，计算烧失率。

2.3.3 猪粪的理化性质分析

2.3.3.1 猪粪工业成分分析

依据美国材料与试验协会(ASTM)标准对猪粪的水分、灰分、挥发分含量进行检测分析。

由于固定碳的含量不能直接测定，因此需通过以下公式计算得出：

FC=1-W-Ash-VM

(1)

式(1)中：FC为固定碳含量，单位(%)；W为猪粪样品中水分含量，单位(%)；Ash为猪粪样品中灰分含量，单位(%)；VM为猪粪样品中挥发分的含量，单位(%)。

2.3.3.2 猪粪元素成分分析

称取约40 mg 猪粪便样品，压实后，利用大量进样元素分析仪自动进样分析C、N、S、H元素，O含量则根据以下公式计算得出[12]：

O=1-C-H-N-S-Ash

(2)

式(2)中，O为猪粪样品中氧元素含量，单位(%)；C为猪粪样品中碳元素含量，单位(%)；N为猪粪样品中氮元素含量，单位(%)、S为猪粪样品中硫元素含量，单位(%)、Ash为猪粪样品中灰分含量，单位(%)。

2.3.3.3 猪粪热值分析

采用国标：煤的发热量测定方法(GB/T 213-2008)对猪粪的进行热值的检测分析。

2.3.4 底泥与猪粪砖的制备

2.3.4.1 配方

为探究不同添加剂及其掺量对环保砖性能的影响，本次实验以矿渣和水玻璃+碳酸钙进行对比，根据添加剂的不同，将配方分为P1组(添加矿渣)和P2组(添加水玻璃和碳酸钙)。其中P1组配料中设置水体底泥占比80%，矿渣掺量梯度设置为为0.1%、0.5%、1%、5%，剩余比例以猪粪补充，P2组配料中，设置水体底泥占比80% ，选取碳酸钙比例分别为3%、5%，剩余成分以调节水玻璃和猪粪的比例，设置配比方案如表1、2所示。

2.3.4.2 工艺流程[13]

制砖步骤可大致分为砖胚制作、干燥陈化、高温煅烧这3个阶段：将底泥、猪粪干燥粉碎，过80目筛，称量所需的量，同时称量添加剂一起加入已称好的底泥-猪粪混合料中，反复多次地混合，使原料辅料充分混合均匀。加水调节含水量，反复捏拌，再将拌好的材料放入9 cm×4.5 cm×2 cm(长×宽×高)的制砖模具中，形成砖胚，待砖胚成型后利用恒温干燥箱在150 ℃条件下干燥陈化2 h，在干燥陈化过程中每0.5 h需对砖胚进行翻面，以确保干燥陈化的均匀性。将干燥陈化后的砖胚放入电阻炉中，在1150 ℃条件下煅烧30 min，并在室温下冷却后即可得到成品，探究不同配方对所制砖的透水率及密度等性能的影响[13]。

2.3.5 性能分析

按照《砌墙砖实验方法》GB/T-2542-2012的要求，对本研究中的成品砖进行吸水率和密度测定(测试值均取3个平行样品的平均值)。

3 结果与讨论

3.1 底泥理化性质分析

本研究针对福州市白马河的疏浚底泥进行氧化物组成、塑性指数及TN、TP等指标进行检测分析，其结果如表3所示。

表3 福州市白马河疏浚底泥理化性质

烧结砖的主要成分通常以SiO2为主，含量以55%～70%为宜，当其含量超过70 %时，砖头的塑性指数会降低；Al2O3是烧结砖的骨架，其含量宜控制在10%～20%，诺Al2O3的含量过低，则烧制的成品砖抗压强度会降低，但当Al2O3的含量高于20%，虽然会增大陈品砖的抗压强度，但是同时对烧结温度的要求也会增高，并使成品的颜色变淡[14]。由表2可知，底泥的氧化物组成以SiO2和为Al2O3主，分别占总成分的62.69±0.09%和23.48±0.24%，符合烧结砖对原材料的基本要求。此外，底泥中还含有少量的Fe2O3及CaO、MgO、K2O、Na2O等物质，其中Fe2O3在高温作用下发生分解反应和还原反应，生成CO和FeO，是产气的主要成分之一，同时也是制砖原料中的着色剂，CaO、MgO、K2O、Na2O等可起到助熔作用，降低烧成温度有利于砖的烧结制备。

表2 以碳酸钙和水玻璃为添加剂的制砖配比方案(P2组)

淤泥取代粘土制砖最重要的依据之一是塑性指数的大小，塑性指数高有利于挤出成型，但干燥和煅烧时容易产生裂纹，塑性指数低虽有利于干燥和焙烧，但又会给砖的成型带来较大的困难，因此，塑性指数通常控制在7～15为宜。由表2可知，白马河疏浚底泥的塑性指数为9.3，符合烧结砖对原料的基本要求。

3.2 猪粪理化性质分析

3.2.1 猪粪的工业成分分析

本研究针对三明市远郊外小型生猪养殖场的猪粪干燥制备样进行工业成分分析，并与麦秸工业成分的数据进行对比，其结果如表4所示。

表4 猪粪与麦秸的工业分析对比 %

由表4可知，本研究中的猪粪样品水分、灰分、挥发分、固定碳这4个工业成分的变化幅度不大，其中水分含量的平均值为6.40%，略高于麦秸的含量；灰分含量的平均值高达19.90%，远高于麦秸的灰分含量；挥发分含量的平均值为65.14%，与麦秸(67.36%)接近，挥发分的含量与热值之间有良好的正相关性，因此猪粪的燃烧热应该和麦秸的燃烧热较为接近；猪粪固定碳的平均值较麦秸含量低。

3.2.2 猪粪的元素成分分析

本研究对猪粪中的N、C、H、S、O五种元素进行了含量测定，并与麦秸的这五种元素进行比对，结果如表5所示。

由表5可知，本研究中的猪粪样品中各元素的含量分别为：N介于1.431%～4.649%，C介于26.791%～52.281%，H介于6.340%～9.528%，S介于0.231%～0.893%，O介于23.957%～30.005%。数据显示，猪粪样品中C和O元素含量最多，而N、H、S元素含量较少；且各元素含量范围跨度较大，其中N、C、H、S、O的最大值分别是最小值的3.2、1.95、1.50、3.86、1.25倍，基本上包含了生猪粪便制备样的元素含量范围。研究表明，C和H元素是畜禽粪便的可燃元素，也是猪粪燃烧过程中提供热量的主要元素，即当样品中C、H元素含量较高时，样品的热值越高。猪粪样品的C、H含量与麦秸的含量较为接近，表明猪粪的燃烧热值可能与麦秸相当。

表5 猪粪与麦秸的元素分析对比 %

3.2.3 猪粪的热值分析

热值是指单位质量的猪粪完全燃烧并冷却至室温时所释放的所有热量，是猪粪进行资源化的主要特性之一，包括高位热值和低位热值等。本研究对猪粪中的热值进行了测定，并与其他类似生物质进行了对比，结果如表6所示。

表6 猪粪与麦秸的热值分析对比 J/g

由表6可知，猪粪制备样具有较高的热值，其高位热值的平均值为16380 J/g，略低于麦秸，但也达到了普通煤燃烧热值的1/2，因此，可判断猪粪在燃烧时释放的热量较多。猪粪燃烧时释放的热量可以增加生态砖烧结过程中的保温时间，一方面有利于底泥中所含有机质在高温下持续地烧减，增加生态砖的孔隙率，从而增加砖头的吸水率和保温性能[17]；另一方面，也能延长材料间的反应时间，使得颗粒间的粘结作用增大，从而增加砖头的抗压强度。

3.3 不同配方对砖的性能影响

3.3.1 P1组配方试验结果

本研究在P1组配方中，对不同矿渣掺量煅烧的砖进行外观、吸水率和密度的研究，其结果如表7和图1所示。

图1 矿渣掺量对密度和吸水率的影响

由表7可知，当矿渣掺量<1%时，烧结出的生态砖表面出现裂缝，并且液相程度低，外观性能较差，随着矿渣掺量的增加，生态砖表面的裂缝程度有所减缓。从成品砖的外观可以粗略判断其性能，若外观出现裂缝，液相程度低的特征可推断出烧结砖吸水率较高、密度较低；外观完整且液化程度高可推断出烧结砖吸水率低、密度高。而当矿渣掺量>1%时，烧结出的生态砖表面无裂缝，且液相程度高。矿渣是高炉炼铁过程中形成的粒化固态渣，含有丰富的硅、铝元素，以及碱金属氧化物[18]。当矿渣增加含量时，砖体内的硅铝含量也相应的增加，提高硅含量可以增加烧结过程中的熔融温度，增加液相粘度；而提高铝含量可以有效增加砖体的热稳定性和机械强度，降低砖体的膨胀性能[19]，减少砖体的裂缝；同时，矿渣中的金属氧化物可以起到助溶作用，能在较低烧结温度下就能产生较高的液相程度，保证砖体的性能。

表7 不同矿渣掺量对砖性能的影响

由图1可知，以矿渣作为添加剂时，成品砖的吸水率较低，并且随着矿渣掺量的不断增加，吸水率出现逐渐降低的趋势，而砖体密度则不断升高，当矿渣掺量达到5%时，其吸水率降低至0.35%。这是因为以矿渣作为添加剂，且其掺量不断增加的条件下，水体底泥和猪粪混合材料的总有机质不断下降，导致其在高温煅烧条件下，内部结构出现的空隙减少，从而降低了成品砖的吸水率，因此，不适宜以矿渣作为添加剂进行生态砖的制备。

3.3.2 P2组配方试验结果

P2组配比方案烧结出的成品砖其外观效果较P1组好，无裂缝及泛霜，并且液相程度高，其吸水率与密度如图2所示。

图2 不同碳酸钙及水玻璃掺量对密度和吸水率的影响

由图2可知，随着水玻璃的掺量增加，成品砖的吸水率呈现上升的趋势；烧成密度呈下降趋势，但在水玻璃掺量大于10%之后，其吸水率的上升趋势趋于平缓，烧成密度下降趋势也趋于平缓。如若继续增加水玻璃的量对烧结砖性能提升效果不佳，由此可判断水玻璃最佳掺入量为10%。水玻璃在高温加热时，会形成稠状液体，具有良好的粘结能力，在一定范围内添加水玻璃的掺量可以增加砖体内部颗粒间的粘结作用，保证砖头的结构和吸水率，但过量的水玻璃将会填充砖体的孔隙结构，降低砖体的孔隙率，导致砖头吸水率降低。

此外，在碳酸钙掺入量为3%和5%时，烧结砖吸水率和密度呈现相同的趋势。碳酸钙在高温条件下可以反应生成CaO和CO2，不仅可以起到助融作用，降低烧结温度，生成液相程度高的砖体；还能作为产气成分，促进砖体的孔隙形成，增加砖体的吸水率。在水玻璃掺入量为10%时，碳酸钙掺入量为5%的吸水率仅比掺入量为3%提升了4.4%；烧成密度下降了1.1%，效果不明显，考虑到添加剂量少的原则，选择碳酸钙最佳掺入量为3%。因此可初步推断出原料最佳配比为底泥∶猪粪∶碳酸钙∶水玻璃=80∶7∶3∶10。

4 结论

本研究利用河疏浚底泥和猪粪作为原材料，测定底泥的氧化物组成、塑性指数、总磷总氮含量；以及猪粪的热值、元素及工业分析，并辅以矿渣和水玻璃、碳酸钙作为添加剂，来制备生态砖，并对成品砖进行吸水率和密度分析，探索出制备生态砖的最佳配比。不仅消纳了底泥及猪粪等污染物，制备的成品还能应用于工程建设中，也为底泥及猪粪的资源化利用途经提供了技术支撑。结论如下。

(1)白马河疏浚底泥的氧化物组成以SiO2和Al2O3主，分别占总成分的62.69%和23.48%，同时还含有少量的Fe2O3及CaO、MgO、K2O、Na2O等物质；底泥的塑性指数为9.3，烧失率为11.34%，符合烧结砖对原料的基本要求。

(2)猪粪样品的高位热值为16380 J/g，约为普通煤燃烧热值的1/2；猪粪样品中各元素的含量范围较大，N、C、H、S、O含量均值分别为3.040%、39.536%、7.934%、0.562%和27.006%；此外，猪粪中水分含量为6.40%，灰分含量为19.90%，挥发分含量为65.14%，推测其燃烧热和麦秸相近。

(3)P1组配方制出的成品砖品质和外观性能较差，表明矿渣不适宜作为制备生态砖的添加剂；而P2组配方制出的成品砖品质和外观性能均较优，因此选用碳酸钙和水玻璃作为添加剂；且原料最佳配比为底泥∶猪粪∶碳酸钙∶水玻璃=80∶7∶3∶10。