汙泥資源化製備輕質陶粒簡介

一、概述

汙泥是城市水處理過程中產生的副產物， 具有含水率高、 強度低的特點， 且往往含有病原菌、 重金屬和有毒有害難降解有機物等有害成分， 若未經妥善處理處置， 極易造成二次汙染。傳統的汙泥處置多采用汙泥填埋、 土地利用、 汙泥堆肥、 汙泥焚燒和海洋傾倒等方式， 這些方式均存在一定的弊端， 其中海洋傾倒已被嚴令禁止， 汙泥填埋佔用大量土地資源， 汙泥焚燒尾氣處理控制難等。因此， 研究新型的汙泥處理處置技術， 實現汙泥資源化利用受到越來越多的關注。陶粒具有強度高、 密度低、 隔聲降噪、 導熱難、 抗收縮性、 表面粗糙多孔、 比表面積大等優 點， 在建築材料、 水處理、 吸聲材料、 園藝基質等方面的應用前景廣闊。陶粒按製備原料不同可分為黏土陶粒、 頁岩陶粒和粉煤灰陶粒等， 其中黏土和頁岩屬不可再生資源， 國家已出臺相關政策禁止開採或限制開。汙泥的化學組成與陶粒製備原料相近， 因而研究人員考慮利用脫水汙泥替代黏土、 頁岩等不可再生資源生產陶粒。相比工業汙泥， 給水汙泥和生活汙水汙泥的產量大、 成分相對簡單， 成為國內外汙泥資源化製備陶粒的重點研究物件。陶粒按製備工藝可分為燒脹陶粒、 燒結陶粒和免燒陶粒， 燒脹陶粒密度小， 內部孔隙豐富， 應用領域廣， 因而研究關注較多結合汙泥的特性與成分分析。

二、汙泥製備陶粒可行性分析

Riley的研究表明， 製備燒脹陶粒必須滿足2 個基本條件：

①原料中含有足夠多的發氣成分（如伊利石、 赤鐵礦、 黃鐵礦、 白雲石等）；

②在高溫條件下產生足夠多的玻璃相， 從而包裹產生的氣體。燒製陶粒的原料主要組分一般為 SiO2、 Al2O3、Fe2O3、 CaO、 MgO、 K2O 和 Na2O 等， 其中 SiO2 和Al2O3 在高溫條件下生成莫來石等礦物成分， 是陶粒強度的主要來源， 鹼性氧化物 Fe2O3、 RO（CaO、MgO）、 R2O（K2O、 Na2O）等為助融成分。

根據Riley的研究， 當原料的化學組成位於三相圖中的燒脹區時， 可作為燒製陶粒的原料， 生產燒脹陶粒的合適範圍為 SiO2 48% ~ 65%， Al2O3 14% ~20%， Fe2O3、 RO、 R2O 等熔劑之和 13% ~ 26%，且 m（SiO2+Al2O3）/m（Fe2O3+RO+R2O）為 3。5 ~ 10。汙泥與黏土、 頁岩等主要成分相似， 主要為 SiO2 和 Al2O3， 具備資源化製備輕質陶粒的可能。給水廠汙泥中由於新增過多鋁類絮凝劑導致SiO2 含量相對偏低， Al2O3 成分偏高， 會引起陶粒強度下降， 同時燒結溫度升高， 造成陶粒產品質量下降和能源浪費。汙水廠汙泥同樣存在 SiO2 含量偏低的問題， 此外其燒失量相當大（LOI ＞ 40%），在煅燒過程中收縮明顯， 無高溫液相出現， 通常不具備直接燒製陶粒的條件。因此， 研究人員採取新增含矽、 鋁等輔助材料復配原料的方式資源化利用汙泥燒製陶粒。常用新增材料如粉煤灰、 蒙脫土等的主要化學成分， 經過摻加矽、 鋁類輔助材料後基本能滿足燒製陶粒的原料需求， 汙泥作為輔助摻料起到促進陶粒膨脹的作用。

三、汙泥製備陶粒技術研究發展歷程

我國利用汙泥燒製陶粒的研究大致可分為兩大階段：

一是從 20 世紀初到“十一五”前期， 由高等院校、 研究所等主導的基礎理論研究， 涵蓋了汙 泥燒製陶粒的膨脹機理、 原料配比、 焙燒機制、 產品效能檢測、 重金屬固化效能等， 基本形成了汙泥燒製陶粒的基礎理論體系；

二是以國家“863”計劃專案“汙水汙泥頁岩輕質陶粒生產關鍵技術研究與應用示範研究”等為代表的生產技術研究， 此階段主要針對汙泥陶粒製備中的預處理技術、 除臭技術、 原料配比技術、 燒成技術以及煙氣尾氣處理技術等核心工藝與裝備進行了系統研究和生產示範。

經過多年的研究與實踐， 現已基本形成了汙泥資源化製備輕質陶粒的基礎理論體系， 並建成了一定數量的汙泥陶粒示範生產線。總體來看， 汙泥資源化製備陶粒仍有許多問題有待研究： 在基礎理論層面， 如基於提高汙泥摻量的汙泥預處理技術、 汙泥及輔料中各組分配比對陶粒效能的影響機制、 基於不同功能需求的陶粒焙燒工藝、 助熔劑與陶粒膨脹之間的關聯、 汙泥重金屬固化機理等有待深入研究； 在實際生產層面， 如原料預處理及均化、精細化自動化配料、 煙氣處理和生產節能等關鍵技術及其配套生產裝備的開發， 從而加強對生產過程的技術控制。