不同脱水方式的城市污泥对水泥熟料烧制的影响

不同脱水方式的城市污泥对水泥熟料烧制的影响作者：徐伟来源：《绿色科技》2016年第14期摘要：为考察不同泥质污泥对水泥熟料烧成的影响，开展了水泥窑协同处置不同脱水方式的城市污水厂污泥的可行性试验。

研究结果表明：在适当的掺和量（≤6wt %）下，两种不同脱水方式污泥的加入均能改善熟料的易烧性；污泥中微量元素的引入增加了液相量，降低了液相黏度，有利于水泥熟料中C3S的形成。

所烧制熟料的f-CaO和3d、7d和28d抗压强度均能符合国家水泥熟料生产的要求。

关键词：机械脱水污泥；深度脱水污泥；水泥熟料；资源化中图分类号：TQ172.4文献标识码：A文章编号：16749944（2016）140057041引言污泥是城市污水处理厂污水处理的副产物，随着我国城市污水处理量的日益增长，污泥排放量也大幅度增加。

然而仅有20%左右的污泥得到了无害化处理和资源化利用，其余的污泥尚未得到安全处理，形势异常严峻，将会带来严重的二次污染[1]。

减量化是污泥无害化和资源化的基础，也是污泥处理过程的关键。

目前在国内填埋仍是污泥处置的重要途径，但是采用填埋不但受到场地限制，同时也浪费大量资源[2]。

而焚烧是最为彻底的污泥处置技术，具有占地面积小，处理速度快、减量化程度高及能量回收等突出优点[3，4]，但处理费用较高，且焚烧残渣仍需进一步处置[5]。

就可行性和环境保护的角度分析，水泥窑协同处置污泥对城市污水处理厂和水泥厂是一种理想的解决方案[4，6，7]。

利用水泥窑协同处置污泥有许多优点，高温可分解有毒有害的有机物、杀灭细菌；水泥熟料可固化污泥中重金属，同时污泥残渣还可部分替代水泥原料，热值也得到利用。

目前水泥窑协同处置城市污泥在欧美发达国家得到普遍的认同及应用[8～10]。

本文利用脱水污泥作为水泥生料的替代原料，模拟水泥窑协同处置过程，探讨了掺加污泥前后对水泥熟料的易烧性、晶相的形成及抗压强度等性能的影响，为不同泥质污泥进行水泥熟料生产提供理论指导。

2实验材料、步骤及方法2.1实验材料水泥生料取自北京某水泥厂，机械脱水污泥和深度脱水污泥取自上海某污水处理厂。

水泥生料和污泥均在105 ℃下烘干24 h后用球磨机粉磨至0.08 mm方孔筛筛余2.2实验步骤2.2.1熟料烧制按一定比例配比设计参比生料，分别掺入一定比例的不同种类干化污泥后，将样品混合均匀。

称取一定质量混合均匀的生料，在30 MPa压力下制成40 mm×5 mm 的圆柱体薄片，烘干后置于高温炉中加热至设定温度，保温一定时间后，快速取出急冷至室温。

将熟料破碎、粉磨后用于测试熟料的微观表征、晶相及游离氧化钙（f-CaO）测试。

2.2.2强度测试样品准备在粉磨好的熟料中掺入一定量的石膏（CaSO4·2H2O）放入球磨机粉磨至全部通过φ0.08方孔筛。

把球磨好的水泥熟料放在水泥净浆搅拌机的搅拌锅里面，加入3/4的蒸馏水，慢速搅拌、静置，再快速搅拌，然后将水泥净浆制成2 cm × 2 cm × 2 cm的水泥试件。

在20 ℃和≥95%相对湿度条件下养护24 h后脱模，再放入养护箱内养护到达龄期，进行强度测试。

2.3测试方法熟料中f-CaO含量参照水泥化学分析方法GB/T 176-2008，采用乙醇-乙二醇法测定，用于表征生料易烧性；化学成分分析采用X射线荧光（XRF）分析（PW2404型X射线荧光光谱仪）；晶相采用X 射线衍射（ XRD）分析（Bruker D8 Advance 型X 射线衍射仪）；表面形貌采用扫描电镜分析（日立Hitachi S-4800型高分辨场发射扫描电镜）；抗压强度测试水泥胶砂强度检验方法（ISO法）GB/T 17671。

3结果与讨论3.1对熟料易烧性的影响f-CaO对水泥的物理性能影响较大，煅烧过程中f-CaO呈死烧状态，结构紧密，水化速度慢，生成Ca（OH）2，体积增大97%，从而在已经硬化的水泥浆体内产生局部膨胀应力，引起安定性不良等后果[11]。

因此，f-CaO是评价水泥易烧性的重要指标，用于描述水泥生料煅烧的难易程度，熟料中f-CaO含量愈低，水泥熟料易烧性愈好。

考察传统机械脱水和深度脱水两种不同脱水方式污泥对熟料易烧性的影响，实验结果如图1所示。

从图1（a）可知，随着机械脱水污泥的添加，熟料中f-CaO呈下降趋势，当投加量达到18%时，这种趋势才有所降低，可知机械污泥的掺加利于水泥熟料的烧成，这主要是污泥中所含有的微量元素（表1），起到了助剂的作用，形成了一些低共熔点的物质，降低了固相反应所需的能量，以利于熟料的烧成[12]。

但深度脱水污泥的投加，整反而起到了抑制作用，只有在投加量2%时有促进作用（图1b），对于两种不同脱水污泥，结果产生如此巨大差异，主要原因是在污泥脱水预处理中所投加的药剂种类和含量不同造成的。

而为了深度脱水，在这个过程加加入了过多的药剂（CaO等），药剂的过度引入掩蔽了其微量元素的正作用。

因此，在水泥窑协同处置过程中，要根据不同泥质的污泥选择合适的掺加量，以保证水泥工业的正常运转。

3.2对熟料晶相的影响水泥熟料的矿物组成是判断水泥熟料质量的重要依据，硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）是普通硅酸盐水泥的主要矿物组成[13]。

掺加不同量机械脱水污泥及深度脱水污泥的熟料XRD图谱如图2所示。

由图2看出，掺加两种不同脱水污泥并不会对水泥熟料的矿物组成有较大的影响，均能发现C3S、C2S、C3A、C4AF等物相的衍射峰。

但随着污泥掺加量的增加， C3S、C2S、C3A、C4AF的含量会发生变化。

α-C2S在2θ=31～32°的衍射峰强度逐渐增强，这可能是污泥掺量增加，引入的磷的含量也逐渐增加，过量的磷会促使C3S分解为CaO和α-C2S，影响水泥熟料的物相组成[14，15]。

C2S在2θ=37～38°、2θ=39～40°、2θ=43°的衍射峰强度逐渐增强，但幅度较小，这表明随着污泥量的增加，熟料在烧制过程中更趋向于形成C2S。

同时，C3S在2θ=29～30°、2θ=30～31°、2θ=38.5～39.2°、2θ=51.5～52.0°、2θ=56～57°的衍射峰强度逐渐降低，且在2θ=32～33°的主衍射峰强也呈下降趋势，但是深度脱水污泥投加对其影响程度却相对较小，在投加量2%时反而促进了C3S的生成（图2b），出现这种情况可能是是深度脱水污泥提供了大量的钙质，促进了C2S和CaO生成C3S。

C3A在2θ=33.5°衍射峰强度并没有明显的变化； C4AF在2θ≈34°衍射峰强度逐渐增强，这可能是因为污泥中引入的Fe2O3，导致较多C4AF的形成。

由此可知，机械脱水污泥较合适作为水泥生产的助剂使用，而深度脱水污泥更加适合替代钙质原料，故污泥中化学成分的不同会对熟料中的矿物成分含量造成较大的影响，在对水泥窑协同处置过程中，要对其污泥的掺加量进行严格控制。

3.3对熟料表面形貌的影响为考察不同泥质污泥的掺加对熟料液相的影响，采用扫描电镜（SEM）对掺加污泥的熟料样品进行表面形貌的分析，掺加不同量机械脱水污泥和深度脱水污泥的熟料电镜照片分别如图3和图4所示。

对比图3可以发现，随着机械脱水污泥的掺加量增加，液相量呈现增多趋势。

图中均可以观察到棱角比较明显的C3S晶粒，成不规则的四棱柱和六棱柱状、边缘比较光滑的圆粒状的C2S小球状晶体以及孔状或针状的中间相。

掺加污泥前后所得的水泥熟料的矿物结构及组成种类没有明显区别[16]。

但是从晶粒大小来看，随着机械脱水污泥量的增加，熟料中的C3S矿物晶粒逐渐减小且包裹较多的小共熔体，这表明机械脱水污泥的添加对C3S晶粒的增长有影响。

同时，空白熟料中，C3S的边缘相对整齐平滑，而随着污泥添加量的增加，水泥熟料C3S晶粒的边缘棱角愈发模糊，不同的C3S晶粒边缘有较多的孔状或针状的晶粒的中间体，这主要与液相量增多有关。

由图4可知，与机械脱水污泥类似，随着深度污泥掺加量的增加，照片中熟料的液相量呈现增多的趋势。

当深度污泥掺加2%时，和空白熟料样品相比，其液相量明显增多，熟料中C3S和C2S的轮廓变得圆滑，边界开始模糊，这归因于深度脱水污泥中杂质离子起到了促进作用，有利于C3S的烧成，与图1中f-CaO的结果相吻合。

和机械脱水污泥熟料样品照片相比，C3S的边缘相对整齐平滑，而随着污泥添加量的增加，水泥熟料C3S晶粒的边缘棱角愈发模糊，不同的C3S晶粒边缘孔状或针状的晶粒的中间体明显增多，这主要是由于深度污泥在脱水过程中加入了大量的铝盐，使深度污泥中Al2O3这个化学成分较高，C3A含量较高，熟料煅烧过程中液相粘度大，不利于CaO吸收，且容易结块。

3.4熟料抗压强度的影响不同机械脱水污泥和深度脱水污泥掺量制成的水泥熟料样品的3 d、7 d、28 d时抗压强度如图5所示。

由图5可知，不管是机械脱水污泥还是深度脱水污泥，随着投加量的增加，熟料抗压强度呈下降趋势，在污泥投加量≤6%时，两种污泥烧制熟料的强度均能达到国家熟料强度要求（3 d 抗压强度：26 MPa；28 d抗压强度：52.5 MPa）。

而深度脱水污泥熟料试块的强度与机械脱水污泥熟料试块强度略有不同，呈现先增加后降低的趋势，在2%投加量时，熟料的水泥试块的3d、7d、28d抗压强度最大，这与其少量投加促进C3S生成有关，这也与XRD结果相吻合。

而且随着龄期的增长，各试块的强度不断增长，而且水泥试块后期强度增加幅度相对早期较大，这主要是因为C2S的相对含量逐渐增加，而C3S的相对含量逐渐降低（如图2），而C3S 由于水化快，其短期强度增长迅速，而C2S水化较慢，因此其后期强度增长较大[17]。

4结论（1）城市污水污泥中除含有大量的传统水泥生料中所需要的原材料CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等，可部分替代水泥生产的原材料；同时污泥中也含有丰富的磷、硫、铜和锌等微量元素，提高了液相量的增加，降低液相黏度，有利于水泥熟料中C3S的形成。

（2）不同脱水污泥在水泥窑协同处置过程中，结果表明：在适当的掺和量（≤6 wt.%）下，污泥引入能够改善熟料的易烧性，降低熟料中f-CaO的含量，所烧制熟料的f-CaO均符合水泥熟料的烧制要求；且熟料的3 d、7 d和28 d抗压强度均能达到水泥生产标准要求。

但是随着污泥的持续增加，熟料中C3S的含量逐渐降低，C2S的含量逐渐升高，将导致抗压强度的降低。

因此，在水泥窑协同处置不同泥质污泥过程中，要根据其不同的化学组成严格控制其掺入的限值。

（3）污泥与水泥窑协同处置在解决污水厂污泥所带来的环境问题和水泥生产的原材料紧缺难题，实现了城市污水厂污泥无害化、减量化和资源化的处置目标，可以说水泥窑协同处置污泥达到了水泥行业和污水处理行业双赢的局面。