城市污泥園林景觀磚的制備及性能研究

王 穎,李一丹,苗利軍

(河北環(huán)境工程學(xué)院 生態(tài)學(xué)系,河北 秦皇島 066102)

隨著我國城市污水處理系統(tǒng)的日漸完善,處理后產(chǎn)生的城市污泥的處理問題愈發(fā)嚴(yán)重[1]。污泥的主要成分來源復(fù)雜,且含有較多復(fù)雜的有害物質(zhì)。污泥的填埋、焚燒等是我國處理污泥的主要方式,但這些方法對污泥中的有害物質(zhì)處理不夠徹底。目前伴隨著人口不斷增加,土地資源極度匱乏,而城市污泥的衛(wèi)生填埋需要占用大量的土地資源,并且污泥中有害物質(zhì)會通過滲透的方式進(jìn)入地下水,造成地下水的污染。同時,污泥滲水性極差,很容易堵塞填埋場氣體收集系統(tǒng),致使甲烷等氣體聚集,極大地增加了填埋場的不安全因素[2]。所以目前來看,衛(wèi)生填埋并不是長遠(yuǎn)的辦法,將污泥用填埋的方式進(jìn)行處理,只不過是將問題置后,并不能從根本上解決這一問題[3]。

將污泥轉(zhuǎn)化為另一種資源加以利用,是解決污泥污染問題的重要思路,而將污泥轉(zhuǎn)化為建筑材料是一種可行的方式。筆者對城市污泥制園林景觀磚的可行性和工藝進(jìn)行探討和研究,污泥制園林磚具有獨特優(yōu)勢,可以將污泥無害化再利用,最大限度地消耗掉[4]。盡管污泥含水量高,但在其加工過程中能夠產(chǎn)生2 000～3 000 kcal 的熱量,這就能夠極大地補充磚石焙燒過程中所需的熱量,降低能耗的同時,磚石中的雜質(zhì)也得以去除,這符合可持續(xù)發(fā)展的要求,能夠最大限度地滿足減少填埋土地的需要[5]。目前住房需求仍然旺盛,這種做法也能夠一定程度上填補建筑用沙短缺的問題。根據(jù)《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》,利用磚窯進(jìn)行污泥的處置是固廢處置的主要趨勢,是短期內(nèi)污泥資源化利用的主要方式[6]。因此,城市污泥制園林景觀磚是一種能夠改善環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)化發(fā)展的模式。

1 實驗部分

1.1 制磚原材料選定

實驗所用的污泥為河北環(huán)境工程學(xué)院污水處理廠經(jīng)過濃縮處理并進(jìn)行晾曬的污泥,如圖1 所示。經(jīng)過測算得知,污泥原料的含水率為97.8%。污泥中的有害物質(zhì)包含重金屬、有機(jī)污染物和微生物細(xì)菌,而重金屬主要含有Zn、Cu 和Cr,毒性較大的重金屬元素Hg、Cd、As 往往含量較低。

圖1 河北環(huán)境工程學(xué)院污水處理廠污泥晾曬堆

本實驗采用煤渣作為鈍化劑,在磚坯焙燒過程中將重金屬轉(zhuǎn)化成氫氧化物等沉淀,將重金屬改性后固化塵封在磚體內(nèi)部,只有接觸強(qiáng)酸時氫氧化物會再反應(yīng)生成重金屬。據(jù)資料顯示,當(dāng)煤渣在實驗中摻量為20%時,足夠與最大摻入量30%的污泥中的重金屬發(fā)生反應(yīng),污泥中的重金屬可完全轉(zhuǎn)化為氫氧化物,所以城市污泥所制出的成品磚對人體沒有影響。制作園林景觀磚時,應(yīng)該盡量降低磚的質(zhì)量,原料選定了黏土和頁巖兩種輕質(zhì)原料。

制磚原料與烘干后污泥預(yù)混后的狀態(tài)如圖2所示。制磚原料為破碎處理后直徑低于1 mm 的成品粉末,可解決實驗室原料無法進(jìn)行破碎的問題,降低實驗的難度。

圖2 制磚原料混合

1.2 制磚設(shè)備與工具

選擇了具有花紋裝飾的扁方形制磚模具制作實心磚,成品磚可用作園林裝飾等方面的園林輕質(zhì)景觀磚。選擇實驗室的馬弗爐作為燒磚設(shè)備,因為馬弗爐的尺寸較小,所以模具尺寸選定為15 cm×15 cm×4 cm。脫模過程中用到的脫模劑、橡皮錘等均通過網(wǎng)絡(luò)購買。選擇實驗室中的殺菌烘干箱進(jìn)行污泥的干化和磚坯的陳化。

1.3 實驗過程設(shè)計

污泥制磚工藝主要有焚燒污泥后的粉末破碎制磚和干化污泥直接制磚兩種,本實驗采用了干化污泥直接制磚這種工藝較簡單的方法,避免了前期的焚燒,減少了二次污染,并能夠在燒磚過程中充分利用污泥中的熱量,減少能源的消耗。

本實驗過程如下:將污泥在殺菌烘干箱中以90 ℃的高溫干化12 h,將污泥含水率由98.5%降至含水率25%以下,將破碎后的黏土、頁巖和煤渣以1 ∶1 ∶1 的比例混合,按照比例分別混入干化后的污泥,均勻攪拌后加入少量水充分混合。在模具中均勻噴入脫模劑,待干燥后用充分混合的原料制模,脫模后再次放入殺菌烘干箱中,在40 ℃條件下烘干24 h,然后將陳化后的磚坯放入馬弗爐中以1 000 ℃高溫?zé)?在不同燒制時間下,對磚體的抗壓強(qiáng)度、計量減少分?jǐn)?shù)和密度等性能進(jìn)行測算。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)時間對磚的性能影響

在燒結(jié)溫度1 000 ℃、污泥的摻量為5%的條件下,燒結(jié)時間對磚的物理性能的影響如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 燒結(jié)時間對抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 燒結(jié)時間對質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)的影響

圖5 燒結(jié)時間對燒成密度的影響

由圖3 可知,燒結(jié)時間為2 h 時,磚體抗壓強(qiáng)度最低,隨著燒結(jié)時間的增加,磚體抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng);當(dāng)燒結(jié)時間達(dá)到6 h 時,抗壓強(qiáng)度達(dá)到頂峰,之后抗壓強(qiáng)度下降。同時,在實驗過程中發(fā)現(xiàn),燒結(jié)時間不足時,磚體內(nèi)坯料燃燒不完全,抗壓強(qiáng)度較低;燒結(jié)時間足夠時,磚體內(nèi)坯料燃燒完全,此時的結(jié)構(gòu)緊湊抗壓強(qiáng)度大;燒結(jié)時間過長時磚體容易發(fā)生開裂等情況,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

由圖4 可知,磚體的質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)隨著燒結(jié)時間的增加逐漸升高。國家規(guī)定燒結(jié)磚的質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)不能超過15%。實驗中發(fā)現(xiàn)由于磚體中摻入了污泥,所以有機(jī)質(zhì)含量比普通燒結(jié)磚多,磚體質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)比普通磚體大,因此,嚴(yán)格控制污泥摻量才能保證質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)不超過15%。嚴(yán)格把控國家標(biāo)準(zhǔn)是污泥制磚的重要原則。

由圖5 可知,伴隨著燒結(jié)時間的增長,磚體的燒成密度越來越大。磚體在燃燒過程中,磚體內(nèi)縫隙縮小,密度越來越大。在實際應(yīng)用中,磚體密度過大不僅會增加工程施工的難度,還會增加地基和墻體的承重量,所以在其他條件符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下燒結(jié)磚的密度越低越好。

2.2 污泥摻量對磚的性能影響

污泥摻量也是污泥黏土磚的制備過程中影響最大、最重要的一項因素。在燒結(jié)時間6 h、燒結(jié)溫度1 000 ℃的情況下,污泥摻量對磚的物理性能的影響如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 污泥摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 污泥摻量對質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)的影響

圖8 污泥摻量對燒成密度的影響

由圖6 可知,伴隨著污泥摻量的增加,磚體的抗壓強(qiáng)度越來越低。由于污泥的粘度小,制磚過程中當(dāng)增加污泥摻量時,要增大加水量才能更好地將制磚原料混合,增加磚坯的粘合度。但是隨著水分的增加會增大磚體在燒結(jié)過程中的體積變化,容易導(dǎo)致磚體發(fā)生開裂,使得磚體的抗壓強(qiáng)度降低,影響成品磚的質(zhì)量。在實驗過程中,當(dāng)污泥摻量為30%時,可以明顯看到磚體出現(xiàn)裂縫,而污泥摻量為5%時,磚體完好,因此將污泥摻量限制在5%左右可以極大地降低污泥對磚體抗壓強(qiáng)度的影響,更適合實際制作建筑材料。

由圖7 可知,磚體的質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)隨著污泥摻量的增加逐漸增大,當(dāng)污泥摻量為30%時,磚體的質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)為13.8%,但并未超過國家規(guī)定的15%,滿足制磚要求。由于污泥的有機(jī)質(zhì)和水分含量較多,燃燒過程中有機(jī)質(zhì)燃燒化為灰燼,水分喪失,質(zhì)量的損失較普通燒結(jié)磚更大,所以污泥摻入量過多會導(dǎo)致磚體質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)增大,而污泥的摻量越少對磚體的影響越小。

由圖8 可知,磚體的燒成密度隨著污泥的摻量增加逐漸減低。污泥燃燒過程中水分被揮發(fā),所以污泥摻量越大質(zhì)量的損失越大;實驗過程中發(fā)現(xiàn),污泥摻量過高時磚體上會出現(xiàn)不規(guī)則孔洞,是因為污泥中的有機(jī)質(zhì)燃燒后揮發(fā),從而導(dǎo)致磚體的致密性降低,使得磚體的燒成密度降低。

2.3 燒結(jié)溫度對磚的性能影響

在污泥摻量5%、燒結(jié)時間為6 h 的條件下燒結(jié)時間對抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)和燒成密度的影響如圖9、圖10、圖11 所示。

圖10 燒結(jié)時間對質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)的影響

圖11 燒結(jié)時間對燒成密度的影響

由圖9 可知,抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)時間的增大先增加后降低,燒結(jié)溫度為1 000 ℃時達(dá)到最大值。磚坯燒結(jié)過程中硅化程度隨溫度升高而逐漸增大,燒結(jié)溫度較低時,磚坯內(nèi)部的礦物質(zhì)硅化程度不完全,而燃燒不完全、不緊實的磚坯結(jié)構(gòu)導(dǎo)致磚體的抗壓強(qiáng)度較低;當(dāng)燒結(jié)溫度高于1 000 ℃時,磚坯內(nèi)部的礦物質(zhì)硅化程度過大,而過度燃燒會導(dǎo)致磚體排出結(jié)合水,從而使磚體表面形成明顯裂紋,磚體的抗壓強(qiáng)度隨之降低。因此,燒結(jié)溫度控制在1 000 ℃時,可以使磚體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)。

由圖10 可知,磚體的質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)隨著燒結(jié)溫度的增大逐漸增大。磚體在燃燒的過程中主要是有機(jī)物發(fā)生燃燒造成質(zhì)量減少,溫度越高,有機(jī)物的燃燒程度越大,磚體的質(zhì)量就越小,在保證磚體焙燒完全的情況下應(yīng)盡量降低質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)。

由圖11 可知,磚體的燒成密度隨著燒結(jié)溫度的升高逐漸增大。磚體密度的增大主要是因為磚坯內(nèi)部的礦物質(zhì)發(fā)生硅化后,填充了磚體原本的內(nèi)部空隙。在實際應(yīng)用中,磚體的密度過大不利于建筑應(yīng)用,所以在保證磚體焙燒完全的情況下應(yīng)盡量降低燒成密度。

3 結(jié)論與分析

本實驗采用了干化污泥直接制磚的工藝,研究了污泥摻量、燒結(jié)時間和燒結(jié)溫度對磚體抗壓強(qiáng)度、粘土磚燒成密度和質(zhì)量減少分?jǐn)?shù)等物理性能的影響。實驗結(jié)果表明,在污泥總量占總體質(zhì)量的5%、燒結(jié)溫度在1 000 ℃左右、煅燒過程持續(xù)6 h 左右時,制作的磚體質(zhì)量輕,磚體密度相對較低,抗壓強(qiáng)度相對最大,而且污泥和黏土的可塑性強(qiáng),形狀外觀的發(fā)揮空間相對較大,能夠根據(jù)需求制作不同模具,可用于園林景觀磚的制作。

根據(jù)實驗可知,污泥作為原料用來制磚時,首先要解決污泥的高含水量問題。在實際應(yīng)用中污泥的脫水會產(chǎn)生極高的成本,所以最好在脫水過程中充分利用燒磚窯的余溫,或者利用物理方法加速脫水,盡可能地降低污泥脫水的成本。污泥中所含有的微生物、細(xì)菌較多,雖然在燒磚過程中可以將其殺死,但是在儲存和制坯過程中還是要封閉處理,嚴(yán)格把控污泥的污染問題,避免二次污染。污泥在摻入后會對磚體的各方面性能造成影響,因此要嚴(yán)格把控污泥的摻量,將比例控制在5%左右可以最大限度地降低污泥的影響。

污泥制園林景觀磚具有吸水性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)的優(yōu)勢,既解決了污泥的處理問題,又節(jié)省了制磚原料,是一種值得深入研究和推廣的優(yōu)秀工藝,是短期內(nèi)污泥資源化利用的主要方式[7]。