羅立群，王 召，魏金明

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

礦業(yè)縱橫

污泥與尾礦制備燒結(jié)制品的應(yīng)用進展

羅立群1，2，王 召1，2，魏金明1，2

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

目前污泥與礦山尾礦的處置與利用正成為我國工業(yè)化進程中亟待解決的重大社會問題。本文簡述了我國污泥與尾礦的現(xiàn)狀與潛在的影響，介紹了國內(nèi)外污泥與尾礦的各自處置方式，重點歸納了利用污泥與尾礦混合制備燒結(jié)磚、輕質(zhì)保溫材料、透水磚、輕質(zhì)骨料、陶粒陶瓷、玻璃產(chǎn)品等燒結(jié)制品，展望了多種固體廢棄物協(xié)同利用的新思路，以期推動固體廢棄物的資源化利用技術(shù)發(fā)展。

污泥；尾礦；燒結(jié)制品；資源化利用

污泥按照來源可分為生活污泥與工業(yè)污泥兩類。生活污泥是生活污水處理過后的產(chǎn)物，因有機質(zhì)的腐化分解，一般都具有惡臭味，影響環(huán)境；工業(yè)污泥以無機污泥較多，有赤泥、印染污泥、皮革污泥等。截至2015年底，生活污泥發(fā)生量3 510萬t，雖有填埋、焚燒、堆肥、資源化等多種手段處置，但有效處理率遠低于30%[1]。礦山尾礦為資源開發(fā)、加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，年發(fā)生量較大，目前年產(chǎn)出已超16億t[2]；2015年綜合利用率接近20%，而資源化利用率10%左右。隨著我國工業(yè)化進程的快速發(fā)展，數(shù)目龐大的尾礦和污泥，易引發(fā)占用土地資源、污染社會環(huán)境、造成水土流失等諸多社會問題。為加快兩者應(yīng)用步伐，本文從生活污泥和礦山尾礦的產(chǎn)出現(xiàn)狀、影響、資源化利用方法出發(fā)，著重歸納了兩者協(xié)同制備燒結(jié)制品的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期推動和提高生活污泥和礦山尾礦的綜合利用率。

1 污泥和尾礦的產(chǎn)出與影響

1.1 我國污泥和尾礦的產(chǎn)出

生活污泥多由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成及其復(fù)雜的非均質(zhì)體，主要呈現(xiàn)黑色或者黑褐色。我國每年產(chǎn)生3 000萬～4 000萬t含水率在80%的污泥，且年產(chǎn)量持續(xù)增加，近年來我國污泥的發(fā)生量見圖1，預(yù)計到2020年市政污泥將達到6 000萬～9 000萬t，同時污水處理廠所產(chǎn)生的污泥，有80%以上未妥善處理，實際無害化處理率低于30%，后續(xù)環(huán)境壓力較大。

據(jù)了解污泥處理占污水處理投資的20%～50%，“十二五”期間用于污水處理及再生利用設(shè)施規(guī)劃投資近4 300億元[3]，而污泥處理和處置設(shè)施投資為347億元，占比僅為8%。目前累計堆存尾礦超過600億t，但綜合利用率僅為18.9%左右[4]，近年來我國尾礦發(fā)生量、利用量與利用率見圖2。“礦產(chǎn)資源綜合利用”新理論的提出[5]，將加速尾礦的利用，促進無尾礦工藝新技術(shù)的發(fā)展。

圖1 近年來我國污泥的發(fā)生量

圖2 近年來我國尾礦發(fā)生量、利用量與利用率

1.2 尾礦與污泥的影響

1)資源浪費嚴重。污泥與尾礦中含有部分有用組分，包括能源物質(zhì)與伴生成分。由于其數(shù)量龐大，潛在的有用資源非常可觀，棄之浪費嚴重，具有綜合利用的潛力[6]。

2)占用土地資源。目前國內(nèi)外常以堆存方式處理污泥與尾礦，污泥與尾礦的堆積方式不僅投資較大，而且占用了大量土地資源。為礦山與城市綠化及土地資源利用帶來難題，此外堆存的方式可能會造成安全隱患。

3)生態(tài)環(huán)境的影響。堆存的污泥與尾礦極易對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面影響，引發(fā)山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，且尾礦與污泥中的重金屬或者其他一些酸堿性廢水可能會浸染到土地中，造成地下水資源的污染。

1.3 污泥和尾礦資源化利用的可行性

1)隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加速和對環(huán)保的重視，污泥與礦山尾礦已給社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護帶來嚴重挑戰(zhàn)，加快污泥與尾礦的資源化利用的進程已成為社會發(fā)展的必然趨勢。

2)為實現(xiàn)固廢減量化、穩(wěn)定化、無害化的進程，國家將加大對污泥與尾礦資源化利用的資金與技術(shù)投入，制定或出臺一系列法律法規(guī)和鼓勵性政策，盡可能回收利用其中的能源和資源。

3)污泥與礦山尾礦中含有較高SiO2等成分，SiO2含量是評判原料是否適合制備燒結(jié)產(chǎn)品的一個重要指標，污泥與礦山尾礦具有制備燒結(jié)制品的可行性。

4)污泥中含有大量的有機物，部分尾礦(如煤矸石)含有能源物質(zhì)，這些物質(zhì)在高溫?zé)Y(jié)中會產(chǎn)生一定的熱值[7]。因此，利用二者制備燒結(jié)制品不僅消耗大量的污泥和尾礦固廢，并且還將節(jié)省能源，具有良好的前景。

2 污泥與尾礦的應(yīng)用途徑

2.1 污泥利用的主要途徑

發(fā)達國家對污泥的處理主要以土地利用、陸地填埋和焚燒為主，中國起步晚、發(fā)展較緩慢，與發(fā)達國家間差距較大，各國污泥的發(fā)生量和主要處置方式見表1。我國過去對污泥的利用主要是填埋，該方法可能污染環(huán)境和造成資源浪費。近年來污泥在農(nóng)用、施肥、綠化等方面都進行了相應(yīng)地應(yīng)用[8-10]。

表1 各國污泥的發(fā)生量和主要處置方式

注：處置方式中包含綜合利用5.4%，露天堆存1.8%。

2.2 尾礦利用的主要途徑

1)回收有價成分。國外對尾礦回收利用始于20世紀60年代，伴隨提取技術(shù)的發(fā)展，目前很多國家均取得了良好的成就。美國Sivas-Divrigi選礦廠[11]在鐵尾礦中回收鈷、鎳、銅等金屬礦物，金屬回收率分別達到了94.7%、86.4%、76.8%；王毓華等[12]對富石英和長石的某鈮鉭尾礦進行綜合回收試驗研究，最終得到了滿足陶瓷及玻璃要求的石英精礦；田信普等[13]采用先重選后浮選的改進工藝流程制備出工業(yè)一級絹云母、二級絹云母。

3)尾礦的其他應(yīng)用。尾礦的應(yīng)用取得了蓬勃發(fā)展，可應(yīng)用于礦物肥料、充填集料、土地復(fù)墾等方面。尼日利亞R.K.Etim等[18]將8%的石灰與10%的鐵尾礦混合后治理黑棉土，其浸泡后的浸出液中Fe2+含量符合世界衛(wèi)生組織應(yīng)用水標準，可作為公路建設(shè)的基體材料。波蘭Krystyna[19]將鉛鋅礦浮選尾礦處理后用于生長了三年低營養(yǎng)狀態(tài)下的盆栽中，發(fā)現(xiàn)植物可以吸收尾礦中的微量P、K、Ca等元素，促進了植物的生長。

3 污泥與尾礦制備燒結(jié)制品現(xiàn)狀

目前污泥與尾礦制備燒結(jié)制品的方法主要有兩種：一是干污泥與尾礦混合制備燒結(jié)制品；二是污泥焚燒后的焚燒灰與尾礦混合制燒結(jié)制品。后一種方法制備方法雖然性能好，但其制備技術(shù)和成本要求相對較高，工業(yè)上一般采用干污泥與尾礦直接混合的方式。近年來污泥與尾礦制備燒制產(chǎn)品的典型案例見表2。

3.1 制備燒結(jié)磚

燒結(jié)磚不但需要滿足堅固耐用的墻體要求，而且需具有保溫隔熱、隔聲、透水等特定性能。

污泥制備燒結(jié)磚由Tay J H[20]提出并將污泥與黏土干燥后的混合物粉碎成細顆粒，擠壓成磚坯干燥后，在1 080 ℃的磚窯中焙燒24 h制得燒結(jié)磚，開辟了污泥作為摻料制備燒結(jié)磚的先河。此后污泥與尾礦制備燒結(jié)磚取得了長足的發(fā)展[21-23]。L Pérez-Villarejo等[24]按焚燒灰∶尾礦=1∶4的配比混合后制備燒結(jié)磚。在壓力為54.5 MPa、燒結(jié)溫度950 ℃、保溫24 h，產(chǎn)品強度達到40 MPa，滿足了西班牙燒結(jié)磚的國家標準。

裴會芳等[25]利用城市污泥、煤矸石、稻殼制備燒結(jié)磚。當(dāng)煤矸石與污泥用量比為3∶2，稻殼為6%和10%時，最佳燒制溫度1 080 ℃、保溫0.5 h的產(chǎn)品抗壓強度分別達到了10.27 MPa、4.44 MPa符合承重磚與非承重磚國家標準。

3.2 輕質(zhì)保溫材料

輕質(zhì)保溫材料一般是指密度較傳統(tǒng)黏土磚小、導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料。廣泛應(yīng)用于日常生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍工等領(lǐng)域。節(jié)能保溫?zé)Y(jié)磚塊是輕質(zhì)保溫材料的重要部分，其具有宏觀多孔和導(dǎo)熱系數(shù)低的特點[26]。

胡明玉等[27]利用城市污泥與粉煤灰作為主要原料，加入少量助溶劑。按粉煤灰∶污泥∶助溶劑=65∶30∶5混合后，在1 050 ℃燒結(jié)，保溫3 h后得到抗壓強度26.7 MPa、密度1 200 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.170 6 W/(m·K)的高強度保溫墻體材料

張亞梅等[28]利用湖底沉積物∶煤渣∶污泥=85∶10∶5的配比，最佳燒制溫度950 ℃、保溫2 h后燒制出密度1.633 g/cm3、抗壓強度20.5 MPa、熱導(dǎo)率0.533 W/(m·K)的輕質(zhì)保溫材料。通過對比熱導(dǎo)率，摻加10%污泥的制品，熱導(dǎo)率減少了14%，制品具有良好的隔熱性能。

3.3 制備透水磚

透水磚是適用城市廣場路面和行人便道的環(huán)保型綠色建材，具有透氣透水性好、強度高、安全耐磨等特點，能有效改善城市熱島效應(yīng)、城市內(nèi)澇和地下水源不足等問題[29]，營造高質(zhì)量的自然生活環(huán)境，維護了城市生態(tài)平衡。

李國昌等[30]利用55%赤泥，35%粉煤灰，10%膨潤土，成型壓力40 MPa，燒結(jié)溫度1 080 ℃，保溫時間1 h為最佳條件。獲得透水磚密度2.1 g/cm3，抗壓強度35.32 MPa，透水系數(shù)0.028 cm/s，磨坑長度27.35 mm，產(chǎn)品強度、透水性及重金屬含量均符合的國家標準。

于衍真等[31]將污泥∶淤泥∶煤矸石∶砂=15∶33∶22∶30混合制備透水磚，成型壓力20 MPa，最佳的燒結(jié)溫度為1 100 ℃、保溫1.5 h，成型壓力20 MPa，燒結(jié)制品的抗壓強度達到21.8 MPa，透水系數(shù)1.03×10-3cm/s，滿足滲水鋪地磚的要求。

研究發(fā)現(xiàn)，污泥能夠影響到透水磚制品的工藝參數(shù)。通常污泥的摻加量越多，燒結(jié)磚制品的密度、抗壓強度等均會降低。故須控制污泥的摻量，才能獲得技術(shù)指標合格的產(chǎn)品。

3.4 生產(chǎn)陶粒骨料

污泥與黏土的組成相似，故利用污泥可制備諸如陶粒的輕質(zhì)骨料，它是一種具有球狀的外形，表面光滑而堅硬，內(nèi)部呈蜂窩狀，其密度小、熱導(dǎo)率低、強度高。

國外主要是用污泥焚燒灰燒結(jié)陶粒輕集料[32-33]，或?qū)⑽勰喔苫幚砼c尾礦混合燒結(jié)陶粒[34-35]，也可燒制用于水環(huán)境治理的陶粒濾料。我國用于生產(chǎn)陶粒的原材料以污泥、煤矸石、廢棄物、尾礦等固廢為主，利用各種廢棄物生產(chǎn)陶粒占全國陶?？偭康?0%以上，利用污泥與尾礦制備陶粒的技術(shù)已較完善。

郭夙琛等[36]利用污泥和石英礦尾礦制備陶粒，污泥經(jīng)過粉末、干燥、焙燒處理后，按污泥∶石英砂尾礦∶河道底泥∶黏結(jié)劑=4∶4∶3∶3的比例混合。在預(yù)熱溫度400℃下，預(yù)熱20 min的條件下，1 080℃下燒制25 min而成。陶粒骨料的密度約900 kg/m3，筒壓強度穩(wěn)定在5.59 kPa，可有效利用部分污泥和淤泥。

岳敏[37]利用污泥與粉煤灰為主要原料，加入少量黏土制備陶粒，發(fā)現(xiàn)了溫度是影響陶粒物理性能的關(guān)鍵，高溫下陶粒發(fā)生了膨脹效應(yīng)產(chǎn)生大量氣體，生成了更多的玻璃態(tài)物質(zhì)并使表面張力增加，進而導(dǎo)致密度增大、吸水率降低。

表2 污泥與尾礦制備燒制產(chǎn)品的典型案例

3.5 燒制多孔陶瓷

傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品是利用黏土與天然礦物經(jīng)過粉碎、混煉、成型和煅燒而制得。用于建筑材料、醫(yī)學(xué)、日用品材料、電器部件、隔熱材料等行業(yè)[42-43]。將污泥與尾礦添加到陶瓷的制作原料之中，推動了耐高溫高壓、抗酸堿，孔隙率高的多孔陶瓷技術(shù)發(fā)展。Eliane Wolff等[44]利用造紙廠污泥與石英尾礦以合適的配比和950℃的燒結(jié)溫度，獲得了滿足隔音性的陶瓷制品。

赤泥是制備氧化鋁過程中生成的廢棄物，其利用已成為世界性難題。吳慶波[38]利用煤矸石與赤泥作為主要原料制備燒結(jié)多孔陶瓷，在赤泥∶煤矸石為1∶2，燒結(jié)溫度為1 150 ℃，保溫時間40 min的工藝條件下，其抗折強度達到16.5 MPa，顯氣孔率為48.33%。徐鵬等[39]利用粉煤灰與城市污泥為主要原料，添加適量造孔劑、發(fā)泡劑制備多孔陶瓷材料，顯示造孔劑用量、燒結(jié)溫度、保溫時間對產(chǎn)品性能影響較大。當(dāng)污泥∶粉煤灰為3∶2，CaCO3用量為30%，燒結(jié)溫度1 150 ℃，保溫30 min，能夠得到抗折強度為11.51 MPa，顯氣孔率67.29%，吸水率9.16%的合格陶瓷產(chǎn)品，可用于制備耐火材料。

3.6 制備微晶玻璃

傳統(tǒng)玻璃產(chǎn)品有平板玻璃、特種玻璃，微晶玻璃又稱為陶瓷玻璃，是近年來開發(fā)的新型建筑材料。目前利用污泥制備微晶玻璃主要是利用污泥焚燒后產(chǎn)生的焚燒灰或爐渣及廢舊玻璃[45-46]等固廢，而直接利用污泥與尾礦制備玻璃的研究較少。

趙東[40]采用熔融法通過理化分析后，以粉煤灰∶污泥∶添加劑=35∶55∶10，在830℃制得了密度3.27 g/cm3、抗折強度190.65 MPa、維氏硬度730 HV的合格微晶玻璃。韓國Young等[41]利用污泥在760 ℃，焚燒1 h后的飛灰與煤灰按1∶9混合，在1 050 ℃，保溫2h的條件下進行燒結(jié)，制得到玻璃陶瓷。產(chǎn)品測試及晶相表明：在1 050 ℃、保溫2 h的物理性能最佳，抗折強度達到92 MPa，維氏硬度623 HV。

目前利用污泥制備燒結(jié)制品多為污泥與黏土、粉煤灰、赤泥匹配應(yīng)用。若污泥多與尾礦制備建材產(chǎn)品，既可實現(xiàn)成分互補，解決污泥與尾礦的處置難題，又可節(jié)省所需的部分黏土，實現(xiàn)互補共贏、資源高效化利用。

4 結(jié)論與展望

污泥與尾礦都是“放錯地方”的潛在資源，具有較好的資源化利用前景，值得深入研究和開發(fā)。我國污泥與尾礦固廢資源化綜合利用意識和技術(shù)與國外尚有差距，需要政策、法律和技術(shù)方面的鼓勵和支持。

1) 在國家與地方層面給予政策和資金支持的前提下，要在資源化利用的研發(fā)，企業(yè)的創(chuàng)新上加大投入，鼓勵科研院所、企業(yè)積極開展污泥與尾礦資源化利用的研究和應(yīng)用。

2) 在制定相應(yīng)可持續(xù)發(fā)展法律法規(guī)條件下，促進和監(jiān)督污泥與尾礦資源化利用的進程，加快污泥與尾礦的資源化利用步伐。

3) 需要在污泥與尾礦固廢利用技術(shù)上寬思路[47]，在制備高附加值產(chǎn)品的研發(fā)上汲取國外先進的技術(shù)經(jīng)驗，并以此消化，勇于創(chuàng)新。

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Applications and developments of sintered products’ preparation from sludge and mine tailings

LUO Liqun1，2，WANG Zhao1，2，WEI Jingming1，2

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment of Hubei，Wuhan 430070，China)

At present，disposal and utilization of sludge and mine tailings have being become a major social problem that needs to be solved in the process of industrialization in our country.In this paper，the status and potential impacts of sludge and tailings in China are briefly introduced.The disposal methods of sludge and tailings at home and abroad are introduced，respectively.The mixing utilization of sludge and tailings is used to prepare sintered bricks，lightweight insulation materials，permeable bricks，lightweight aggregate，ceramic ceramics，glass products and other sintering products.The outlook of a variety of solid waste synergistic use of new ideas is presented in order to promote technology developments on solid waste resource utilization.

sludge；tailing；sintering product；resource utilization

2017-01-06 責(zé)任編輯：宋菲

“十二五”國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAB03B03)；承德市科技發(fā)展項目資助(編輯：201606A080)

羅立群(1968-)，男，博士，高級工程師，主要從事礦物資源的高效利用與清潔生產(chǎn)研究，E-mail：lqluollq@hotmail.com；

王召(1991-)，男，碩士研究生，礦物資源綜合利用；魏金明(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為復(fù)雜多金屬礦分選與利用。

X705；TU522；TQ175

A

1004-4051(2017)07-0129-06