張京波，陳延昌，宋 鵬，付興華，王 琦

(濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

近幾年來，城市污水處理率逐年提高，其污泥的產(chǎn)量急劇增加，導(dǎo)致污泥的處理成為一個急需解決的難題[1-2]。生活污泥作為城市污水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量大、成分復(fù)雜和高含水率的特點(diǎn)，難以進(jìn)行廢棄資源二次利用[3]。目前受到我國污泥處理技術(shù)的限制，大約70%的污泥不能得到有效處理，隨意的堆置，對環(huán)境危害很大。

磷酸鎂鉀水泥(MKPC)具有早期水化速度快、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，主要應(yīng)用在快速修補(bǔ)材料、油井固化及固化放射性核廢料等方面[4-5]。利用其快凝的特性，可以在短時間內(nèi)固化污泥，并且降低污泥的含水率。MKPC雖然作為一種水泥，但本質(zhì)其不吸附重金屬離子，含磷元素高，可將固化后污泥作為二次資源利用施入農(nóng)田，不會造成環(huán)境污染[6]。硅灰可以改良土壤，能鈍化土壤中的金屬，與MKPC混合使用可以改良土壤增加肥力。硅灰在固化污泥體系中起到骨架作用，降低污泥的流動性，提高強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑、材料與儀器設(shè)備

表1 生活污泥主要氧化物組成

輕燒MgO(活性大于68)；磷酸二氫鉀(KH2PO4，99.50%)；硅灰(均粒徑10.48μm)。

實(shí)驗(yàn)污泥來自濟(jì)南大學(xué)污水處理廠，其主要指標(biāo)如下：含水率為94.15%；pH值為7.05；燒失量為26.77。其生活污泥主要氧化物組成見表1。

采用MTS CMT5504電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試抗壓強(qiáng)度，美國 FEI 公司的 Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察固化污泥的微觀形貌。

1.2 方法

MKPC為輕燒MgO與KH2PO4物質(zhì)的量比(M∶P)4∶1配制而成。污泥含水率比較高，因此設(shè)定MKPC摻量為污泥質(zhì)量的20%、30%、40%、50%和60%，污泥含水率設(shè)定94%、90%和85%，硅灰的摻量設(shè)定為MKPC質(zhì)量的10%～50%。MKPC和硅灰與污泥混合攪拌2min，然后將混合好的漿體制備成立方體試件(2 cm×2 cm×2 cm)，在常溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)直至測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 MKPC固化生活污泥

圖1是MKPC水泥固化不同含水率污泥3、7和27天的抗壓強(qiáng)度圖，可以發(fā)現(xiàn)污泥含水率越低，其固化體的抗壓強(qiáng)度越大，MKPC摻量越多其抗壓強(qiáng)度越大，特別的污泥含水率85%時，僅摻MKPC 20%其固化體3天強(qiáng)度就達(dá)0.65MPa。

(a) 3d; (b) 7d; (c) 28d

圖1 MKPC水泥對不同含水率污泥固化抗壓強(qiáng)度圖

2.2 MKPC與硅灰復(fù)摻固化污泥

(a) 3d; (b) 7d; (b) 28d

圖2是在MKPC摻量30%條件下，復(fù)摻不同含量硅灰的固化體抗壓強(qiáng)度圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻加量的增加其固化體強(qiáng)度增加明顯。特別的當(dāng)硅灰加入50%時28天強(qiáng)度為2.5MPa，比未加硅灰的大1.5 MPa。硅灰在固化體中起到了骨架作用，提高了抗壓強(qiáng)度，摻量30%就已經(jīng)滿足3天350kPa填埋材料的要求。

2.3 固化污泥體積收縮

圖3是MKPC固化污泥與MKPC和硅灰共同固化污泥在不同齡期內(nèi)的體積收縮率圖。圖3a顯示MKPC摻加量從 20%增到40%，其固化體的體積收縮率由40%增加到62%，因此MKPC增加摻量會加大固化體的體積收縮率。而圖3b圖顯示復(fù)摻硅灰后會降低固化體的體積收縮。因此摻加適當(dāng)?shù)墓杌铱梢愿纳乒袒w的收縮也可以增加固化體的強(qiáng)度。所有固化體在固化6天后體積收縮趨于穩(wěn)定，可以對固化污泥進(jìn)行填埋處置。

(a) MKPC; (b) 30 wt%MKPC+硅灰

圖3 體積收縮率

2.4固化污泥SEM形貌分析

圖4為MKPC和硅灰固化污泥體系的微觀形貌圖。MKPC加入到污泥中磷酸二氫鉀會溶解于污泥的水中，輕燒氧化鎂接著溶解, 兩者迅速反應(yīng)形成磷酸鹽水化物，使?jié){體迅速硬化。MKPC生成棒狀晶體，內(nèi)部含有為水化的氧化鎂顆粒，后期成型養(yǎng)護(hù)后水分蒸發(fā)，導(dǎo)致空隙增加。加入硅灰提供骨架，可以填充更小的孔，促進(jìn)MKPC水化產(chǎn)物結(jié)晶，提高固化體的強(qiáng)度。

(a) 7d; (b) 28d: 30 wt% MKPC; (c) 7d ; (d) 28d :30 wt%MKPC復(fù)摻30 wt% 硅灰

圖4 SEM形貌圖

3 結(jié)論

MKPC富含磷元素，硅灰可改良土壤，兩者共同固化污泥的固化體可作為肥料二次利用，促進(jìn)了資源的循環(huán)利用。摻加不同含量的MKPC和硅灰對生活污泥固化減量處理，隨著MKPC摻入量增加，固化污泥體的強(qiáng)度也逐漸增加。單摻MKPC 60wt%時3天強(qiáng)度可達(dá)1.2MPa，28天強(qiáng)度為2.7 MPa。復(fù)摻硅灰30 wt%時，3天強(qiáng)度350kPa完全達(dá)到填埋標(biāo)準(zhǔn)。加入硅灰一方面提高固化體的強(qiáng)度，另一方面可以減少固化體的體積收縮，30%MKPC復(fù)摻30%硅灰可降低40%的收縮，這在工程中有很強(qiáng)的資源利用價值。