耿 飛，周利睿，馬俊逸，桂敬能，高培偉，解建光

（1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

工業(yè)污泥是工業(yè)廢水經(jīng)處理沉淀后分離出來的污濁物質(zhì)。目前，工業(yè)污泥主要有造紙污泥、電鍍污泥、制藥污泥、煉鋼煉鐵污泥、制革污泥和印染污泥等[1]。在我國(guó)，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)污水的排放量也在不斷增加，從而導(dǎo)致工業(yè)污泥的產(chǎn)生量也迅速增大，我國(guó)最常見且較為傳統(tǒng)的工業(yè)污泥處置方法主要有衛(wèi)生填埋、投海、焚燒、堆肥和土地利用等[2-3]。

工業(yè)污泥的化學(xué)成分較為復(fù)雜，而且不同行業(yè)所生成的污泥成分也迥然不同，若是將其按照傳統(tǒng)的污泥處理處置方法進(jìn)行消化，則可能會(huì)產(chǎn)生事倍功半的效果，更有可能會(huì)產(chǎn)生一些有毒氣體（氨氣、胺、含硫化合物等），對(duì)人體及環(huán)境產(chǎn)生危害[4-5]。本文基于對(duì)工業(yè)污泥化學(xué)成分的分析，重點(diǎn)研究了工業(yè)污泥摻量對(duì)水泥熟料的燒成、膠砂強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間以及重金屬溶出的影響，通過對(duì)摻工業(yè)污泥燒制水泥熟料的綜合分析，為其資源化利用提供較好的處理處置方式，以提高工業(yè)污泥的資源化利用率。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）試驗(yàn)原材料。石灰石、黏土、鋼渣等原料都取自南京某水泥有限公司，生料成分檢測(cè)選用氫氧化鋁分析純化學(xué)試劑，生料成分見表1所示。石灰石、黏土等工業(yè)原料在溫度為110℃的條件下烘干24h，然后用QM-3SP4行星式球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，再用0.08mm的篩子篩分，使污泥篩子篩余量＜2.5%。

表1 水泥生料成分（%）及率值

（2）工業(yè)污泥。取自鎮(zhèn)江某公司制農(nóng)藥草甘膦產(chǎn)生的污泥，草甘膦污泥外觀呈棕色并伴有刺激性氣味，初始含水率約為70%，草甘膦污泥的組成成分和重金屬濾出值分別見表2和表3。將污泥在溫度為110℃的條件下烘干24h，然后用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，再用0.08mm的篩子篩分，使污泥的篩余量＜2.5%。

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備

當(dāng)前我國(guó)硅酸鹽水泥熟料通常采用飽和比KH、硅率SM和鋁率IM三率值來控制熟料質(zhì)量，在本試驗(yàn)中，將草甘膦污泥采用內(nèi)摻的方式代替部分水泥生料進(jìn)行配料，其計(jì)算方法參照《水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制與管理》[6]進(jìn)行。草甘膦污泥摻量分別為0、1%、2%、3%、4%，其具體組成成分見表4。

表2 草甘膦污泥的組成成分（%）

表3 草甘膦污泥的重金屬濾出值（mg/L）（ND：未檢測(cè)出）

表4 水泥生料配料表（g）

試樣的制備參考《水泥易燒性試驗(yàn)方法》JC/T 735-2005。用壓力機(jī)將各個(gè)水泥生料試樣以10.6kN的力壓成φ13mm×13mm的小試塊，將其均布且不重疊的垂直置于坩堝底部，并放在以恒溫至105℃的真空干燥箱烘干1h，然后把這些試塊放在硅碳棒爐中煅燒，溫度以10℃·min-1的速度勻速上升，當(dāng)溫度上升至1 450℃時(shí)保溫30min，然后將試塊取出來置于空氣中進(jìn)行冷卻，并將燒好的熟料進(jìn)行干燥保存[7]。

1.2.2 試驗(yàn)方法

抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T 17671-1999進(jìn)行；凝結(jié)時(shí)間參照《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》GB/T 1346-2011進(jìn)行試驗(yàn)；重金屬浸出試驗(yàn)參照《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》GB5085.3-2007進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)污泥對(duì)水泥熟料燒成的影響

水泥熟料的組成成分及其率值見表5。對(duì)比表2可知，工業(yè)污泥與水泥原料的主要化學(xué)成分是CaO、Fe2O3、SiO2和Al2O3，區(qū)別是工業(yè)污泥中還含有少量的磷和重金屬氧化物。水泥熟料礦物煅燒完成的主要標(biāo)志是C3S，在水泥熟料的煅燒的整個(gè)過程中，C3S的形成必須依賴一定煅燒溫度，在這一溫度下生料形成的熔融液相。當(dāng)前，普遍認(rèn)為C2S和CaO熔融進(jìn)入液相是C3S形成主要原因，這兩種物質(zhì)在液相中互相反應(yīng)生成C3S[8]。因此C3S的生成主要與水泥熟料煅燒時(shí)生成液相的溫度、產(chǎn)生的液相數(shù)量以及這種液相的化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，這些因素影響了熟料的燒成。如若能將熔點(diǎn)相對(duì)較低的雜質(zhì)在配置生料時(shí)加入，那么在水泥熟料的煅燒時(shí)，由于雜質(zhì)的引入降低了生料的熔點(diǎn)，使得部分水泥生料首先形成液相，從而C3S則會(huì)因?yàn)橛幸合嗟拇嬖诙軌蜉^早開始生成。與此同時(shí)，由于工業(yè)污泥中有多種堿性金屬元素，這些元素的摻入在一定程度上能夠有助于溶解。這些堿性物質(zhì)的熔點(diǎn)比較低，它們摻入到生料中能夠降低液相出現(xiàn)的溫度。但是如若摻入生料中的堿含量過多，這時(shí)反而使液相變得更粘稠，也會(huì)加大熟料燒成的難度。

水泥熟料的三率值對(duì)其質(zhì)量控制和易燒性有著重要的影響，石灰飽和系數(shù)KH值的提高有助于提高燒成水泥熟料的質(zhì)量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致熟料煅燒的難度和能耗的增大；硅率過高會(huì)使熟料煅燒困難，硅率過低則會(huì)使熟料因硅酸鹽礦物過少而導(dǎo)致強(qiáng)度降低、出現(xiàn)結(jié)塊，影響窯的操作；鋁率的高低關(guān)系到水泥熟料凝結(jié)的快慢、液相黏度和煅燒的難易程度，鋁率過高使得液相黏度大、熟料煅燒困難、水泥凝結(jié)速度快，但鋁率過低，盡管液相黏度小，但燒結(jié)范圍較窄，窯內(nèi)容易出現(xiàn)結(jié)大塊的現(xiàn)象，不利于窯的操作。國(guó)內(nèi)硅酸鹽水泥熟料的三率值的控制值KH0.82～0.96、SM1.7～2.7、IM0.9～1.7，由表5可知，采用內(nèi)摻法進(jìn)行水泥生料的配料，工業(yè)污泥摻量為0、1%、2%、3%、4%的水泥熟料的飽和比KH變化幅度較小，均滿足要求。硅率和鋁氧率雖然變化幅度相對(duì)大一些，但仍在我國(guó)硅酸鹽水泥熟料的率值控制范圍內(nèi)。

2.2 工業(yè)污泥對(duì)水泥熟料強(qiáng)度的影響

由圖1可知，當(dāng)KH=0.92時(shí)，摻入污泥對(duì)3d的抗壓強(qiáng)度影響較小，對(duì)于28d的抗壓強(qiáng)度來說，當(dāng)工業(yè)污泥的摻入量為1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度略有下降，當(dāng)工業(yè)污泥的摻入量為2%時(shí)，試件28d的抗壓強(qiáng)度有所提高，當(dāng)工業(yè)污泥的摻入量＞1%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度又開始降低。

圖1 不同工業(yè)污泥摻量下的抗壓強(qiáng)度

圖2 不同工業(yè)污泥摻量下的抗折強(qiáng)度

表5 水泥熟料組成成分（g）及率值

表6 重金屬濾出值（mg/L）（ND：未檢測(cè)出）

由圖2中可知，當(dāng)KH=0.92時(shí)，對(duì)于試件3d的抗折強(qiáng)度，工業(yè)污泥的摻入量為1%時(shí)，抗折強(qiáng)度降低，然后隨著污泥摻入量的增加，抗折強(qiáng)度不斷提高，對(duì)于28d抗折強(qiáng)度，也是工業(yè)污泥摻量為1%時(shí)抗折強(qiáng)度有所降低，當(dāng)工業(yè)污泥摻量為2%時(shí)，抗折強(qiáng)度有所提高，當(dāng)工業(yè)污泥摻量＞2%時(shí)，隨著污泥摻入量的增加，抗折強(qiáng)度呈緩慢下降的趨勢(shì)。

2.3 工業(yè)污泥對(duì)水泥熟料凝結(jié)時(shí)間的影響

水泥的凝結(jié)時(shí)間分為初凝和終凝。根據(jù)《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》GB/T 1346-2011可知，初凝時(shí)間不得早于45min，終凝時(shí)間不得遲于390min。水泥的凝結(jié)時(shí)間的影響因素主要有水泥熟料的礦物組成、細(xì)度、溫度和濕度等。經(jīng)試驗(yàn)，水泥的凝結(jié)時(shí)間并沒有因?yàn)楣I(yè)污泥的摻入而產(chǎn)生了較大的變化，未摻工業(yè)污泥的水泥的初凝時(shí)間為85min，終凝時(shí)間為125min；工業(yè)污泥摻量為1%、2%、3%、4%的水泥的初凝時(shí)間分別為83min、82min、82min、80min；終凝時(shí)間分別為125min、127min、129min、130min，初凝時(shí)間以及終凝時(shí)間都在45min至390min之間。

2.4 重金屬溶出試驗(yàn)分析

當(dāng)前，重金屬對(duì)環(huán)境有著較大的危害，摻工業(yè)污泥制水泥過程中重金屬是否能被有效地固化是一個(gè)值得重視的問題。表6是當(dāng)KH=0.92，工業(yè)污泥的摻入量為2%時(shí)，用等離子體發(fā)射光譜檢測(cè)出的水泥熟料中重金屬的濾出值以及《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》GB5085.3-2007所規(guī)定的重金屬濾出限制標(biāo)準(zhǔn)值，與我國(guó)重金屬濾出限制的標(biāo)準(zhǔn)值相比，摻入工業(yè)污泥時(shí)的重金屬濾出值的各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語

大部分工業(yè)污泥的主要化學(xué)成分與水泥原料類似，可代替部分水泥原料用于水泥生產(chǎn)。摻入少量的工業(yè)污泥對(duì)水泥熟料的影響較小，但隨著工業(yè)污泥摻入量的增大，水泥熟料燒成的難度也逐漸變大；對(duì)于水泥的膠砂強(qiáng)度，當(dāng)工業(yè)污泥的摻入量較小時(shí)，對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響不大，抗折強(qiáng)度有所提高，但隨著工業(yè)污泥摻入量的增大，試件的抗壓抗折強(qiáng)度均有所下降；摻入工業(yè)污泥煅燒水泥，重金屬元素得到了很好的固化，浸出毒性測(cè)得的重金屬濾出值遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；摻入適量工業(yè)污泥煅燒水泥，其凝結(jié)時(shí)間也符合相關(guān)要求。然而，由于不同工業(yè)污泥的化學(xué)成分有所差異，鐵、鋁、硅和鈣的氧化物的占比各不相同，過量的工業(yè)污泥的摻入勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致水泥熟料的石灰飽和系數(shù)、硅酸率和鋁氧率產(chǎn)生較大的變化，因此需對(duì)工業(yè)污泥的摻量予以控制，在保證水泥熟料煅燒的質(zhì)量和煅燒的難易程度可控的前提下進(jìn)行優(yōu)化，從而更好的對(duì)工業(yè)污泥進(jìn)行有效利用以提高其資源化利用率。

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