城市污泥生产烧结砖试验研究
前言
城市污泥是城市污水处理过程中产生的固体废物，一般城市污水处理厂产泥量占污水量的0.3%～0.5%（体积百分比，含水率按97%计），如进行深度处理，污泥量还可能增加0.5～1倍；污泥处置是污水得以最终妥善处理的保障，污泥的资源化是环境友好型循环经济发展的需要。 随着我国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，城市化进程的不断加快，政府对各行业废水处理的重视程度越来越高，对废水的排放要求日趋严格，城市污水处理设施的规模迅速扩大，处理效率不断提高，城市污水处理量和城市污泥排放量急剧增加。目前全国已建成并正常运转的城市污水处理厂400多家，年处理城市污水110多亿m3，年产生污泥上亿吨，并以每年8～10%的速度递增。 城市污泥的大量产生和消纳正在成为一个新的社会问题和环境问题，城市污泥的资源化处置已成为我国乃至全世界环保界关注的课题之一。 我国现行的城市污泥处理处置方式主要是焚烧、卫生填埋和堆肥农用。 焚烧过程处理不当会造成环境的二次污染，比如燃烧污泥释放二恶英，以及重金属在炉灰中的富集化，而且焚烧能耗太高。 填埋会造成严重的空气、水环境的污染，而且耗费大量的土地资源，同时浪费了宝贵的有机资源，影响了堆填区周边的环境。 堆肥农用较上两种方法在资源利用上前进了一大步，但堆肥农用过程需时长，占地面积大，产品单一，大多数堆肥缺乏足够的植物养分；堆肥的方式不能对不可降解的非有机物质进行有效的分离处理，如金属、沙石、玻璃和塑料等杂质会进入最终产品，影响堆肥品质；堆肥工艺要求城市污泥的含水率在50-60%，但大多数污水处理厂产生的城市污泥含水量偏高，需添加填充物；且堆肥在工艺控制上也较难实现，有些产品会释放异味，并含有大量杂质，长期使用这些品质低的堆肥会造成耕地污染。
本试验从资源再生利用的角度考虑，取不同地区的市政污泥、印染厂污泥、陶瓷厂污泥、河涌污泥、炉渣等原材料进行了污泥烧结砖项目的实验研究工作。 由于原材料的产地和种类较多（见表1），为了保证试验的顺利进行，制定试验室小试和现场中试计划，并按计划完成了各项试验工作，取得了相关试验结果，为以后污泥烧结砖的工业化生产提供了必要的技术依据。
表1 试验所用原材料清单
序号 清远 中山 顺德
1 山泥 河涌污泥 河涌污泥
2 陶泥 市政污泥 市政污泥
3 市政污泥 印染污泥 印染污泥
4 印染污泥 炉渣 炉渣
5 炉渣 —— ——
一． 试验室小试
1、原材料分析 依据国家城镇建设行业标准C/JT289-2008《城镇污水处理厂污泥处置 制砖用泥质》的相关要求，对各类污泥进行了试验分析，结果表明这些原材料基本符合标准要求，可以用于烧制污泥砖，分析结果分别见表2、表3、表4。
表2 清远山泥的粒径分布
粒径um 1700 270 180 109 96 80 75 58
百分比% 2.2 6.2 17.5 14 12.6 10.5 7 30
平均粒径um 144
表3 各类污泥分析结果
分析项目 中山市政 中山印染 清远市政 清远印染 顺德市政 顺德印染
PH 7.49 7.66 8.24 7.34 7.85 7.62 含水率% 50.6 51.2 52.6 49.1 45.3 53.6
烧失量% 48.8 47.9 48.6 47.4 48.2 49.4
放射性 IRa≤0.20 IRa≤0.01 IRa≤0.12 IRa≤0.05 IRa≤0.18 IRa≤0.05
放射性 Ir≤0.2 Ir≤0.01 Ir≤0.16 Ir≤0.03 Ir≤0.20 Ir≤0.03
总镉mg/kg 2.6 0.43 0.46 2.7 2.6 0.46
总汞mg/kg 1.4 0.39 0.20 1.6 1.7 0.28
总铅mg/kg 64.0 20 20 52.4 54.6 20
总铬mg/kg 66.4 673 27.3 1980 53.7 862
总砷mg/kg 26.2 20 20 42.2 31.5 20
总镍mg/kg 38.7 82.4 22.6 28.2 29.1 26.4
总锌mg/kg 649 228 44.1 389 418 126
总铜mg/kg 233 219 21.7 81.2 175 44.6
挥发酚mg/kg 1.2 2.3 0.20 1.14 1.2 1.6
总氰化物mg/kg ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1
粪大肠菌mg/kg 0.000004 0.004 0.04 0.000004 0.04 0.000004
热值kcal 2522 3948 2130 1320 2856 3148
表4 其它原材料分析结果
分析项目 中山河涌 中山炉渣 清远山泥 清远陶泥 清远炉渣 顺德河涌 顺德炉渣
PH 7.2 / / / / 7.1 /
含水率% 37.2 27.8 / / / 39.9 /
烧失量% 9.88 35.56 8.94 4.61 14.76 / 36.2
放射性 IRa≤0.11 IRa≤0.17 / / / IRa≤0.12 IRa≤0.17
放射性 Ir≤0.76 Ir≤0.21 / / Ir≤0.74 Ir≤0.22
SiO2 65.41 / 60.05 66.59 / 64.36 /
Fe2O3 2.97 / 6.40 0.92 / 2.85 /
Al(OH3) 16.79 / 18.45 16.65 / 16.04 /
CaO 0.64 / 0.24 1.45 / 0.67 /
MgO 0.58 / 0.40 3.45 / 0.67 /
硫酐(SO3) 0.15 / 0.08 0.08 / 0.21 /
K2O 1.12 / 0.46 1.17 / 1.21 /
Na2O 0.31 / 0.10 /1.67 / 0.38 /
热值kcal 224 2312 / / 778.6 / 2850
2、 小试，以顺德地区为例，分别进行小试和中试。 （1） 根据上述原料的分析结果，经分析认为： ① 污泥含水率超过标准≤40%的要求，需要经过脱水、烘（晾）干处理，方可满足制砖要求。 ② 污泥的烧失量超过标准≤50%（干污泥）的要求，为保证制砖性能，需控制污泥掺入量。 ③ 炉渣需破碎至要求粒度方能直接使用。 （2） 为探寻最佳配料方案，将印染污泥、市政污泥分别按0%、10%、20%、30%、40%、50%六种比例在同等条件下用同一种方法进行试验。
具体配比详见表5.
表5 污泥试验配比
试验编号 顺德 河泥 市政/印 染污泥 炉渣 塑性指数
1 95 0 5 12 2 86 10 4 11 3 77 20 3 11 4 68 30
2 10 5 59 40 1 8 6 50 50 0 7 7 95 0 5 12 8 86 10 4 12 9 77 20
3 11 10 68 30 2 10 11 59 40 1 8 12 50 50 0 8
（3） 成型制备 原材料经烘干、破碎、筛分后按比例混合均匀，加水搅拌，含水率控制在干基16～18%，混合后的原料经过充分搅拌后，陈化72小试制得污泥制砖原料。 成型采用压砖机压制成型，砖型设定为实心砖，成型过程中根据成型情况调整水分，成型压力为0.3MPa，砖坯经过干燥后，进入高温炉，烧成温度为1000℃。 （4） 小试试验结果及分析 ① 污泥砖性能测试结果见表6。
表6 污泥砖性能检验结果
序号 密度 kg/m3 抗压强度 MPa 导热系数 W/(M·K)
11845 13.95 0.336 2 1712 10.84 0.315 3 1504 7.13 0.218 4 1348 4.62 0.185 5 1182 3.22 0.146 6 1043 1.85 0.125 7 1866 14.32 0.324 8 1682 10.63 0.308 9 1486 7.85 0.223 10 1365 5.11 0.192 11 1170 3.62 0.165 12 1061 1.74 0.121 ② 污泥砖抗压强度试验结果分析 抗压强度是衡量污泥烧结砖性能的重要指标，污泥的掺入量对抗压强度影响很大，从图1抗压强度与污泥掺量的关系可见，随着污泥掺入量的增大，由于污泥的烧失量很大（50%左右），所以抗压强度明显降低。 污泥掺入量在15%以下时，污泥烧结砖的强度可以超过10MPa，污泥掺入量在30%时，抗压强度能够达到5MPa。 图1 抗压强度与污泥掺量的关系 污泥掺量不超过15%时，坯料达到塑性成型要求，含水率较低，有利于提高挤压成型坯体密实度，干燥和烧结过程中不易变形收缩产生裂纹缺陷，烧结后质量较好。当污泥掺量增加时，污泥瘦化作用明显增强，为使坯料正常成型必须加入更多水分以提高成型能力，此时成型的砖坯含水率高，密实度相对要低，干燥和焙烧过程中收缩明显，易于产生裂纹和其他缺陷，降低了坯体抗压性能。当污泥含量超过30%，坯料塑性降低更为明显，不适于挤出成型，且烧失量大，砖体强度低。 ③ 污泥烧结砖的密度 砖的密度对建筑的设计和施工都有一定的影响，密度小的砖能减轻建筑物的承重，且有利于建筑施工。 污泥烧结砖的密度与污泥掺量关系见图2。由图可见，由于污泥的有机质含量高，烧失量大，所以随着污泥掺量增加，污泥烧结砖的密度下降。 由于烧结普通砖标准未对砖的密度做限制规定，当污泥烧结砖掺入污泥量增多时，砖的密度变小，利于施工，但污泥掺量提高时其他物理学性能会受到影响。因此，在烧结砖的标准中，密度一般不作为质量控制指标，但是从新型墙体材料的角度，砖的密度还对墙体的热工性能有一定的影响，所以控制和掌握污泥烧结砖的密度，对污泥烧结砖的生产和推广都有着积极的意义。 图2 密度与污泥掺量的关系 ④ 污泥烧结砖的保温隔热性能 我国的烧结砖产量居世界第一位，烧结砖是主要的建筑墙体围护材料。但随着建筑材料工业的发展，城市建设中使用新型建筑材料的比例逐年上升，普通烧结砖由于保温隔热性能不及一些新型建筑墙体材料且耗用大量土地资源，使烧结砖的应用和发展受到限制。以污泥为掺料的污泥烧结砖可以克服普通烧结砖在保温隔热性能和耗用土地资源两方面的缺点，具有建筑节能、节土利废的优点。研究砖的隔热保温性能，有利于污泥烧结砖的推广使用，促进城市污泥处理处置技术的发展。 由于污泥中含有大量的有机质，在烧结过程中，有机质完全燃烧后会在砖坯中留下很多微孔，砖体密度较低，因此具有较好的保温隔热性能，符合节能减排的产业政策。 污泥掺量与导热系数的关系见图3，从图上可以看出，污泥砖的导热系数随着污泥掺量的增加而下降。 图3 导热系数与污泥掺量的关系 3、 小试总结 污泥的掺量对砖的密度、抗压强度、和导热系数有显著的影响。 （1） 污泥烧结砖的密度随污泥掺量增加而下降。在不考虑砖体强度影响的情况下，污泥烧结砖的密度越小，越有利于运输和建筑施工。 （2） 污泥烧结砖的抗压强度随着污泥的掺量升高而显著下降。污泥掺入量在15%以下时，污泥烧结砖的强度可以达到10MPa以上，符合国家标准(GB5101-2003)《烧结普通砖》中MU10强度等级要求。污泥掺入量为30%时，抗压强度能够达到5MPa以上，满足国家关于新型墙材MU5强度等级要求。 （3） 污泥烧结砖随污泥掺入量增加，砖体内气孔数量增加，导热系数大幅下降，保温隔热性能显著提高。污泥掺量20%左右的污泥烧结砖热导率在0.2W/(m·K)左右，优于导热系数约为0.4 W/(m·K)的普通烧结砖，污泥掺量30%污泥烧结砖导热系数低达0.18W/(m·K)左右，表现出优异的保温隔热性能，可作为非承重砌体保温隔热材料使用。 （4） 综合分析污泥掺量对污泥烧结砖的导热系数、密度和抗压强度的影响以及尽可能多的利用污泥的角度考虑，烧结温度在1000℃左右，污泥掺量为30%的污泥烧结砖可获得良好的物理学性能和热工性能，能满足建筑节能对砖体材料的要求，有广泛的市场空间和发展潜力。
二． 现场中试 根据小试结果并结合现场实际条件，制定中试配比和方案。 1、 现场设备 台秤、破碎机、混合搅拌机、双级真空挤出机 2、 试验用原材料情况（见表7） 表7 各类备料 产地 市政污泥 河涌污泥 炉渣 顺德 2 t 5 t 1 t 原材料在自然晾干后，经过破碎筛分，在经过搅拌机初步搅拌混合后备用。 3、 中试配比方案（见表8） 表8 中试配比 编号 原 材 料 配比 SD1 河涌污泥 炉渣 市政污泥 60:10:30 SD2 河涌污泥 炉渣 市政污泥 70:15:15 4、 污泥烧结砖的中试生产 （1） 由于污泥原料的种类较多，且性质差异较大，因此均化是生产工艺中的重要一环，考虑到中试现场设备的实际情况，为在现有条件下尽可能的做好原材料的均化，将备好的混合料放入挤出机中经过一次搅拌挤出后再进行陈化；原料陈化三天后进入挤出机进行生产。 （2） 现场使用的双级真空挤出机对原材料的要求较高，为满足挤出条件，必须增大原料的含水率，但过高的含水率易导致砖坯产生变形，同时造成砖坯的强度下降。 （3） 现场试验共制作了2种配比的污泥烧结砖坯，共380块，其中市政污泥掺量为15%的有190块，30%掺量的有190块。烧结完成后，成品267块，成品合格率为70.3%；其中市政污泥掺量为15%的污泥烧结砖成品有182块，成品合格率为95.8%，市政污泥掺量为30%的污泥烧结砖成品有85块，成品合格率仅为44.7%。废品主要表现为变形较大、过烧、烧结粘连无法分开等。造成成品率较低的状况主要有四方面的原因： ① 坯料的均化尚不完全，在烧结过程中局部收缩不同，造成烧结砖的变形开裂； ② 由于软塑成型，坯料含水率较高，超过30%，造成码坯时砖坯产生变形； ③ 砖坯干燥不完全，入窑时含水率过高，也是造成干燥变形开裂的主要原因； ④ 由于对现场窑炉的热工指标缺少必要的信息，中试过程也仅仅是凭借普通粘土砖的生产经验操作，同时对所需内燃值估算过高，导致炉渣掺入量过高，造成过烧。 （4） 上述四点原因，都可以在日后的生产过程中通过增加均化设备、延长陈化时间、延长砖坯的干燥时间、调整炉渣加入量等方法加以解决；总体上验证了污泥烧结砖的生产可行性，掌握了生产工艺流程，基本达到中试目的。 5、 中试污泥烧结砖检测结果及分析（见表9） 表9 中试污泥烧结砖检测结果 编号 强度 （MPa） 抗风化 （%） 泛 霜 干缩 （%） 密度 （kg/m3） SD1 3.7 31.2 无 9.85 1441 SD2 10.5 23.5 无 7.13 1682 （1） 抗压强度在3.7～10.5MPa范围，比小试的结果稍低，这主要是因为实际中试过程中的含水率和炉渣掺入量较高，另外坯料的均匀性相对较差，但是市政污泥掺量为30%的污泥烧结砖成品的抗压强度仍然能符合国家关于新型墙材相关规范MU3.5强度级别的要求；市政污泥掺量为15%的污泥烧结砖成品的抗压强度能够达到国家标准GB5101-2003 MU10强度级别的要求。 （2） 抗风化性能检验结果相对于现行国家标准《烧结普通砖》的要求偏高，但《烧结普通砖》标准注明，其他材料（如粉煤灰）掺入量超过30%不做要求，而中试配比中，污泥加上炉渣的总掺入量超过40%。吸水率偏高主要是因为污泥燃烧后，在砖体中留下很多微孔，致使吸水量偏大。 （3） 由于坯料含水率较高与污泥烧失量大，因此砖坯从湿坯到烧结完成，整个过程的收缩率在10%左右，与小试结果基本一致。含水率过高引起的干缩可以通过合理调整含水率的手段加以控制，而污泥烧失量引起的收缩则无法避免，所以在日后的生产中，定制砖坯尺寸时应将此类尺寸收缩考虑在内。 （4） 密度的测试结果与小试基本一致。 6、 毒性浸出试验 为检验污泥烧结砖的环保性能，根据GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》，对污泥烧结砖产品进行了毒性浸出试验，其结果如表10所示。
表10 污泥烧结砖产品毒性浸出试验结果
序号 检验 项目 浸出液中危害成 分浓度限值mg/L 检测结 果mg/L
1 总汞 0.1 未检出
2 总铜 100 10.1
3 总锌 100 40.3
4 总铅 5 2.53
5 总镉 1 0.915
6 总铬 15 11.7
7 总砷 5 未检出
7、 中试总结 （1） 由于配比较多及现场条件的限制，在中试的部分工艺条件没有满足要求的情况下，市政污泥掺量为30%的污泥烧结砖的成品率较低，只有44.7，但是市政污泥掺量为15%的污泥烧结砖的成品合格率达到95.8%。 （2） 在增加原料均化工艺程序、采用半硬塑挤出成型或硬塑挤出成型工艺设备、准确掌握窑炉热工指标的条件下，有望提高污泥烧结砖的成品率。 （3） 通过对挑选的成品污泥烧结砖进行相关性能测试，其结果基本达到中试设想，说明实现掺入量15%的污泥制砖工业化生产是完全可行的。
三． 污泥烧结砖试验总结
1、 通过试验室的小试，总结出污泥掺入量对污泥烧结砖各项性能的影响；通过综合考虑对试验结果的分析，确定中试污泥掺入量为15%、30%两种配比。在污泥掺入量15%的情况下，污泥烧结砖可满足国家标准《烧结普通砖》（GB5101-2003）墙体承重砖的质量要求。 2、 根据小试的结果，制定中试试验配比方案，并依据方案安排现场中试。中试污泥烧结砖成品的检验结果达到预定目标，对指导污泥烧结砖的正式生产具有积极的指导意义。 3、建议生产中采用隧道窑工艺；隧道窑与间歇式的旧式倒焰窑相比较具有一系列的优点： （1） 生产连续化，周期短，产量达，质量高； （2） 利用逆流工作原理，因此热利用率高，燃料经济，因为热量的保持和余热的利用都很合理，所以燃料很节省，较倒焰窑可以节省燃料50-60%左右； （3）烧成时间短，比较普通大窑由装窑到出窑需要3-5天，而隧道窑约需20小时左右就可完成； （4） 提高质量，预热带、烧成带、冷却带三部分的温度保持在一定的范围，容易掌握其烧成规律，因此质量也较好，破损率也少。 （5） 隧道窑工作系统能保证窑内温度和热负荷的稳定，有助于完全燃烧，减少有害气体的产生。而隧道窑的结构也使得尾气的集中回收处理变得简易，所有尾气都可以经过处理后排放，确保达到环保要求。 （6）根据国际上的通用理论，大气环境中的“二恶英”90%来源于城市和工业垃圾焚烧，含铅汽油、煤、防腐处理过的木材以及石油产品、各种废弃物特别是医疗废弃物在燃烧温度低于300-400℃时容易产生二恶英，在对氯乙烯等含氯塑料的焚烧过程中，焚烧温度低于800℃，含氯垃圾不完全燃烧，极易生成二恶英。采用隧道窑生产污泥烧结砖，其烧成温度在950℃-1100℃之间，在这样的高温条件下进行完全燃烧，极大的降低了“二恶英”产生的可能。
四．总结
烧结砖作为墙体材料，在各类建设工程中用量很大。采用污泥生产烧结砖，污泥使用量大，是解决污泥问题的有效途径。采用合理的工艺配方，可以生产出物理性能合格，热工性能优良的污泥烧结砖。 生产污泥烧结砖既节省了资源，又因为污泥烧结砖具有优良的保温隔热性能，符合国家节能减排的产业政策，实现了变废为宝，一举多得。 虽然从总体的试验情况看，污泥烧结砖的性能与普通粘土（页岩）烧结砖的性能相比，还有一定的差距，比如强度，但根据即将出台的专门针对以淤泥为主要原料制成的砖或砌块《烧结保温砖和保温砌块》国家标准的相关内容要求，此类型的强度等级分为3.5、5.0、7.5MPa等5个等级，可以满足非承重墙体的材料要求，而且市政污泥掺量为15%的污泥烧结砖成品合格率可以达到95.8%，抗压强度也能够达到国家标准GB5101-2003 MU10强度级别的要求，符合墙体承重砖的质量要求。