污泥焚燒灰與粉煤灰混合后用作混凝土摻合料的研究

王倩，王麗花，張豪

（上海寶寧環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200949）

0 前言

污泥作為污水處理的固體廢棄物[1]，對(duì)其進(jìn)行填埋處置不僅侵占寶貴的土地資源，而且破壞了生態(tài)環(huán)境。目前，污泥焚燒處理工藝能最大程度實(shí)現(xiàn)無(wú)害化、減量化[2]、能量回收等，成為我國(guó)污泥處理處置的主流技術(shù)之一。污泥經(jīng)過(guò)焚燒處理，污泥中的有機(jī)物[3]等有毒有害物質(zhì)被有效破壞或去除，污泥焚燒灰是污泥焚燒煙氣凈化過(guò)程除塵系統(tǒng)收集的粉末灰。污泥焚燒灰生成量的不斷增加給環(huán)境帶來(lái)日益嚴(yán)峻的影響，所以必須找到更有效、更環(huán)保且更經(jīng)濟(jì)的處理工藝方法。污泥焚燒灰具有固體廢棄物和可資源化雙重屬性[4]，相比于傳統(tǒng)的填埋處置方式，污泥灰資源化綜合利用吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。

污泥焚燒灰的主要成分及性質(zhì)與粉煤灰類(lèi)似[5]，都具有一定的細(xì)度、流動(dòng)性、強(qiáng)度和活性，但污泥焚燒灰與粉煤灰相比，細(xì)度大而不均、活性低、流動(dòng)性差[6]、需水量大、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度低且變化大。粉煤灰用作混凝土摻合料時(shí)，能改善混凝土拌合物的和易性[7]，節(jié)約水泥。但是，粉煤灰受本身性質(zhì)所限，對(duì)混凝土的改善作用有限，而且其排放量受電廠(chǎng)的影響，隨著綠色能源的不斷發(fā)展，粉煤灰的排放量可能會(huì)降低，無(wú)法滿(mǎn)足混凝土所需摻合料的需求。

因此，本研究從一般固體廢棄物資源化利用的角度出發(fā)，探索將污泥焚燒灰與粉煤灰混合后用作混凝土摻合料的可行性，將污泥焚燒灰作為固廢資源轉(zhuǎn)化為建材進(jìn)行利用，從而達(dá)到變廢為寶、節(jié)約資源、改善生態(tài)環(huán)境的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：安徽海螺P·O42.5 水泥。污泥焚燒灰：上海某污泥焚燒廠(chǎng)，外觀近似圓球狀細(xì)小粉末顆粒，呈現(xiàn)不同程度黃色。粉煤灰：華能上海電廠(chǎng)。改性劑：由礦粉、減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑等無(wú)機(jī)或有機(jī)材料縮合而成的具有高細(xì)度、高強(qiáng)度和高活性的粉狀產(chǎn)品，比表面積大于600 m2/kg，活性指數(shù)大于90%。

污泥焚燒灰與粉煤灰的主要物理化學(xué)性能見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 污泥焚燒灰與粉煤灰的物理化學(xué)性能

表2 污泥焚燒灰與粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

由表1 可知，污泥焚燒灰的細(xì)度為38.7%，高于粉煤灰，且不符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》C 類(lèi)Ⅱ級(jí)的要求，為了提高污泥焚燒灰的活性并使其符合GB/T 1596—2017 的要求，本試驗(yàn)采用立磨對(duì)其進(jìn)行粉磨[8]；污泥焚燒灰的需水量比為108%，也不符合GB/T 1596—2017 的要求，因此需要對(duì)其改性，本試驗(yàn)在污泥焚燒灰粉磨過(guò)程中添加2%的自制改性劑對(duì)其進(jìn)行改性處理。污泥焚燒灰的其它性能與粉煤灰接近且都符合GB/T 1596—2017 的要求。

由表2 可知，污泥焚燒灰的主要化學(xué)成分與粉煤灰類(lèi)似，都有較高含量的SiO2、Al2O3和Fe2O3等無(wú)機(jī)礦物，污泥焚燒灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3總含量為78.9%，符合GB/T 1596—2017的要求。

污泥焚燒灰成分復(fù)雜，在開(kāi)始試驗(yàn)前需對(duì)其進(jìn)行安全性分析，污泥焚燒灰的放射性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，重金屬含量及浸出液中重金屬濃度測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5。

表4 污泥焚燒灰中的重金屬含量 mg/kg

由表3～表5 可見(jiàn)，污泥焚燒灰的內(nèi)外照射指數(shù)均低于GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的限值要求，重金屬含量低于GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中第二類(lèi)用地篩選值要求，重金屬浸出濃度低于GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》濃度限值。污泥焚燒灰的安全指標(biāo)均在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表3 污泥焚燒灰的放射性

表5 污泥焚燒灰中的重金屬浸出濃度 mg/L

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將污泥焚燒灰磨細(xì)后與粉煤灰按照不同質(zhì)量比混合配制成復(fù)合粉煤灰，首先將污泥焚燒灰在球磨機(jī)內(nèi)粉磨15 min，磨細(xì)的污泥焚燒灰與粉煤灰的質(zhì)量比分別為2∶8、3∶7、4∶6、5∶5，配制的復(fù)合粉煤灰樣品編號(hào)依次為H1、H2、H3、H4；在污泥焚燒灰粉磨過(guò)程中添加占污泥焚燒灰總質(zhì)量2%的改性劑，在碾磨過(guò)程中改性劑與污泥焚燒灰充分混合從而達(dá)到改善污泥焚燒灰性能的效果，改性污泥焚燒灰與粉煤灰的質(zhì)量比分別為3∶7、4∶6，配制的改性復(fù)合粉煤灰樣品編號(hào)依次為GH1、GH2，與未改性的復(fù)合粉煤灰H2、H3 進(jìn)行對(duì)比，以粉煤灰作為理化性能測(cè)試的原始對(duì)照組O；凝結(jié)時(shí)間以及強(qiáng)度試驗(yàn)以水泥為原始對(duì)照組S，樣品與水泥的質(zhì)量比為3∶7，編號(hào)依次為OS、H1S、H2S、H3S、H4S、GH1S、GH2S。

按照GB/T 1596—2017、GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》和GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》分別對(duì)復(fù)合粉煤灰樣品和改性復(fù)合粉煤灰樣品進(jìn)行理化性能、凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性前后復(fù)合粉煤灰的物理化學(xué)性能（見(jiàn)表6）

表6 改性前后復(fù)合粉煤灰的物理化學(xué)性能

由表6 可見(jiàn)，對(duì)于未改性復(fù)合粉煤灰H1、H2、H3、H4，隨著污泥焚燒灰摻量的增加，樣品的需水量比、無(wú)機(jī)礦物含量以及活性指數(shù)都逐漸增大，而且無(wú)機(jī)礦物含量及活性指數(shù)都要高于粉煤灰，說(shuō)明混合后未改性的復(fù)合粉煤灰性能上已經(jīng)有一定的優(yōu)勢(shì)，但是需水量比相較于粉煤灰略高；而改性復(fù)合粉煤灰在污泥焚燒灰比例相同的情況下，需水量比減小，且接近粉煤灰，活性指數(shù)較未改性復(fù)合粉煤灰稍有增大。

2.2 改性前后復(fù)合粉煤灰的凝結(jié)時(shí)間（見(jiàn)表7）

由表7 可見(jiàn)，對(duì)于污泥焚燒灰比例相同的樣品，經(jīng)過(guò)改性劑改性后凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，與粉煤灰作為混凝土摻合料相比凝結(jié)時(shí)間接近，而未改性的復(fù)合粉煤灰凝結(jié)時(shí)間隨著污泥焚燒灰比例的增大也在逐漸延長(zhǎng)，說(shuō)明其對(duì)混凝土有一定的緩凝作用。各樣品的凝結(jié)時(shí)間均符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求（初凝時(shí)間≥45 min，終凝時(shí)間≤600 min）。

表7 改性前后復(fù)合粉煤灰的凝結(jié)時(shí)間

2.3 改性前后復(fù)合粉煤灰膠砂的強(qiáng)度（見(jiàn)表8）

表8 復(fù)合粉煤灰作為混凝土摻合料的膠砂強(qiáng)度

由表8 可見(jiàn)，采用未改性的復(fù)合粉煤灰，隨著污泥焚燒灰比例的增大，膠砂的3、7、28 d 抗折強(qiáng)度逐漸降低，3、7 d 抗壓強(qiáng)度和活性指數(shù)逐漸降低，而28 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 活性指數(shù)逐漸增大，并且高于OS 組。采用改性復(fù)合粉煤灰，GH1S、GH2S 兩組的膠砂強(qiáng)度高于對(duì)比的H2S、H3S 組，說(shuō)明改性復(fù)合粉煤灰作為混凝土摻合料其強(qiáng)度指標(biāo)要優(yōu)于未改性的，而且，改性后的膠砂樣品3 d 抗折、抗壓強(qiáng)度以及活性指數(shù)雖然低于OS 組，但差異較小，28 d 抗壓強(qiáng)度和活性指數(shù)高于OS組，說(shuō)明改性復(fù)合粉煤灰隨著齡期的延長(zhǎng)其作為混凝土摻合料的性能并不低于粉煤灰。

3 結(jié)語(yǔ)

采用污泥焚燒灰與粉煤灰混合磨細(xì)后得到的復(fù)合粉煤灰作為混凝土摻合料具有一定的可行性。而且經(jīng)過(guò)改性劑改性后的污泥焚燒灰與粉煤灰混合后作為混凝土摻合料的性能更好，其理化性能、抗壓強(qiáng)度以及活性指數(shù)等指標(biāo)均要高于改性前的，而且與粉煤灰直接作為混凝土摻合料相比，各項(xiàng)性能指標(biāo)差異不大，理化性能、活性指數(shù)等甚至已經(jīng)超過(guò)了粉煤灰。因此改性后的污泥焚燒灰與粉煤灰混合后得到的復(fù)合粉煤灰可以代替部分粉煤灰作為混凝土摻合料。該技術(shù)可解決污泥焚燒灰的處理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“資源-產(chǎn)品-再生資源”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)。