第12期 张坤等：利用石灰干化污泥制备水泥对水泥性能的影响 ·1629· 近年来，随着我国城镇化水平的不断提高，人 在10%以下才能得到合格的水泥产品.石灰干化污 们环保意识的增强，城市排水和污水处理基础设施 泥在化学组成上更接近于石灰石，相较热干化污泥 建设取得了很大的进步.污水处理厂的建设投运必 能够以更高的配比量加入生料，从而提高水泥窑处 然伴随产生大量的剩余污泥，以含水率80%计，全 置污泥的能力，但摻入石灰干化污泥对水泥性能的 国年污泥总产生量已经突破3000万t.按照预测， 影响还有待进一步研究 到2020年污泥产量将突破每年6000万t川.剩余污 因此，本文利用石灰干化污泥部分替代水泥原 泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体 料之一的石灰石制备水泥，研究了石灰干化污泥的 等组成的十分复杂的非均质体②，既含有大量的微 加入对水泥生料易烧性等各项性能的影响，并且考 生物、有机质及丰富的氯、磷、钾等营养物质，又 虑到污泥可能造成的环境污染，又进行了熟料和水 含有重金属、病原微生物等，如处理不善将会造成 泥中重金属固化及浸出的研究，旨在为石灰干化污 严重的二次污染).目前，在众多污泥处理方式中， 泥在水泥行业中的应用提供优化方案和理论依据. 污泥石灰稳定干化技术是现今国内新开发出的一种 运用添加剂对城市污水处理厂污泥进行干燥、稳定 1实验 化和资源化处理的方法国，它具有建设周期短、投 1.1实验原料及仪器 资少、占地省、技术较简单、出泥含水率一般低于 主要实验仪器：武汉探矿机械厂XPC-60mm× 60%等优点，因此越来越受到研究人员和工程人员 100mm型颚式破碎机：浙江上虞市肖金化验设备 的关注同.但是，采用石灰干化处理后的污泥，再 厂SM500mm×500mm试验磨：武汉探矿机械厂 处理方式多为填埋堆放处理，占用大量土地，也不 XZM-100振动磨样机：美国TA公司SDT-Q600同 可避免地对环境造成一定的污染，另外污泥中含有 步热分析仪；日本理学公司D/MAX-RB型X射线 的大量有用组分如石灰、有机质等被白白浪费，没 衍射仪；德国卡尔蔡司公司ZEISS EV018钨灯丝 有实现有效的资源化利用 扫描电镜：上海魅宇仪器设备有限公司FBT-5型数 利用城市生活污水厂产生的污泥作为水泥生 显勃氏透气比表面积仪：美国黎曼公司PROFILE 产过程中部分原料烧制水泥在国内外都有学者进行 SPEC电感耦合等离子体发射光谱仪：华南仪器设 了研究.吴卫红等)的研究表明以质量分数6%的 备有限公司数控水泥标准养护箱：长春第一材料试 污泥加入量制得的水泥性能与普通水泥相近，对其 验厂数显液压压力试验机：HITACHⅢZ-2000原子 进行的浸出毒性鉴别也符合国家标准.杨力远等阁 吸收光谱仪 对利用污水厂污泥代替部分黏土配料煅烧硅酸盐水 实验原料：实验所使用污泥取自北京市某污水 泥熟料的过程进行了研究，发现熟料的微观特征与 处理厂，含水率为80%左右，模拟一般污泥石灰稳 传统水泥熟料无异.Yem等间利用污水厂污泥制备 定工艺，生石灰与湿污泥按质量比1：4混合干化， 生态水泥，发现生态水泥的水化行为和物理强度与 充分搅拌后自然堆放72h,得到石灰干化污泥). 传统水泥没有明显区别.Husillos Rodriguez等[1o 水泥原料包括石灰石、砂岩、铁矿石和粉煤灰均取 的研究表明，污水厂污泥可以部分替代水泥原料中 自北京市某水泥厂.原料的化学全分析见表1.实验 的石灰石和黏士，其生产出的水泥熟料含有75%以 开始前需对污泥进行干燥预处理，将污泥于105℃ 上的硅酸盐相和22%的中间相.在工业化方面，国 烘箱中烘干24h以上 内的北京金隅集团和北京市排水集团率先开展了相 1.2生料配料与制备 关研究，2009年北京市首条水泥窑污泥处置生产线 参考新型干法水泥厂生产过程中对率值的基 投入运行，年污泥处理能力可达22万t,已取得了 本要求2，首先确定污泥的摻加量，然后根据率 可观的经济和环境效益.然而，目前的研究虽取得 值的要求采用尝试误差法确定其他原料的配比，实 了不少成果，但对污泥采取的均是单一的热干化处 验设定率值为石灰饱和系数，KH=0.91士0.01：硅 理方式，利用石灰干化处理后的污泥制备水泥的研 率，SM=2.6士0.1：铝率，IM=1.5士0.1.石灰千化 究尚未有系统全面的报道，因此研究成果存在一定 污泥加入量（质量分数）为0、2.5%、5.0%、7.5%、 局限性.热干化污泥在化学组成上与水泥原料中的 10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%、22.5%、25.0%、 硅质原料相似，所以在制备水泥时，考虑到率值和 27.5%和30.0%，按照掺量从低到高，将样品依次记 污泥可能带来的负面影响，配比量不会很高，一般 为1#~13#样品.具体的生料配料方案见表2.第 12 期 张 坤等：利用石灰干化污泥制备水泥对水泥性能的影响 1629 ·· 近年来，随着我国城镇化水平的不断提高，人 们环保意识的增强，城市排水和污水处理基础设施 建设取得了很大的进步. 污水处理厂的建设投运必 然伴随产生大量的剩余污泥，以含水率 80%计，全 国年污泥总产生量已经突破 3000 万 t. 按照预测， 到 2020 年污泥产量将突破每年 6000 万 t [1] . 剩余污 泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体 等组成的十分复杂的非均质体 [2]，既含有大量的微 生物、有机质及丰富的氮、磷、钾等营养物质，又 含有重金属、病原微生物等，如处理不善将会造成 严重的二次污染 [3] . 目前，在众多污泥处理方式中， 污泥石灰稳定干化技术是现今国内新开发出的一种 运用添加剂对城市污水处理厂污泥进行干燥、稳定 化和资源化处理的方法 [4]，它具有建设周期短、投 资少、占地省、技术较简单、出泥含水率一般低于 60%等优点，因此越来越受到研究人员和工程人员 的关注 [5] . 但是，采用石灰干化处理后的污泥，再 处理方式多为填埋堆放处理，占用大量土地，也不 可避免地对环境造成一定的污染，另外污泥中含有 的大量有用组分如石灰、有机质等被白白浪费，没 有实现有效的资源化利用 [6] . 利用城市生活污水厂产生的污泥作为水泥生 产过程中部分原料烧制水泥在国内外都有学者进行 了研究. 吴卫红等 [7] 的研究表明以质量分数 6%的 污泥加入量制得的水泥性能与普通水泥相近，对其 进行的浸出毒性鉴别也符合国家标准. 杨力远等 [8] 对利用污水厂污泥代替部分黏土配料煅烧硅酸盐水 泥熟料的过程进行了研究，发现熟料的微观特征与 传统水泥熟料无异. Yen 等 [9] 利用污水厂污泥制备 生态水泥，发现生态水泥的水化行为和物理强度与 传统水泥没有明显区别. Husillos Rodr´ıguez 等 [10] 的研究表明，污水厂污泥可以部分替代水泥原料中 的石灰石和黏土，其生产出的水泥熟料含有 75%以 上的硅酸盐相和 22%的中间相. 在工业化方面，国 内的北京金隅集团和北京市排水集团率先开展了相 关研究，2009 年北京市首条水泥窑污泥处置生产线 投入运行，年污泥处理能力可达 22 万 t，已取得了 可观的经济和环境效益. 然而，目前的研究虽取得 了不少成果，但对污泥采取的均是单一的热干化处 理方式，利用石灰干化处理后的污泥制备水泥的研 究尚未有系统全面的报道，因此研究成果存在一定 局限性. 热干化污泥在化学组成上与水泥原料中的 硅质原料相似，所以在制备水泥时，考虑到率值和 污泥可能带来的负面影响，配比量不会很高，一般 在 10%以下才能得到合格的水泥产品. 石灰干化污 泥在化学组成上更接近于石灰石，相较热干化污泥 能够以更高的配比量加入生料，从而提高水泥窑处 置污泥的能力，但掺入石灰干化污泥对水泥性能的 影响还有待进一步研究. 因此，本文利用石灰干化污泥部分替代水泥原 料之一的石灰石制备水泥，研究了石灰干化污泥的 加入对水泥生料易烧性等各项性能的影响，并且考 虑到污泥可能造成的环境污染，又进行了熟料和水 泥中重金属固化及浸出的研究，旨在为石灰干化污 泥在水泥行业中的应用提供优化方案和理论依据. 1 实验 1.1 实验原料及仪器 主要实验仪器：武汉探矿机械厂 XPC-60 mm× 100 mm 型颚式破碎机；浙江上虞市肖金化验设备 厂 SM 500 mm×500 mm 试验磨；武汉探矿机械厂 XZM-100 振动磨样机；美国 TA 公司 SDT-Q600 同 步热分析仪；日本理学公司 D/MAX-RB 型 X 射线 衍射仪；德国卡尔蔡司公司 ZEISS EVO 18 钨灯丝 扫描电镜；上海魅宇仪器设备有限公司 FBT-5 型数 显勃氏透气比表面积仪；美国黎曼公司 PROFILE SPEC 电感耦合等离子体发射光谱仪；华南仪器设 备有限公司数控水泥标准养护箱；长春第一材料试 验厂数显液压压力试验机；HITACHI Z-2000 原子 吸收光谱仪. 实验原料：实验所使用污泥取自北京市某污水 处理厂，含水率为 80%左右，模拟一般污泥石灰稳 定工艺，生石灰与湿污泥按质量比 1︰4 混合干化， 充分搅拌后自然堆放 72 h，得到石灰干化污泥 [11] . 水泥原料包括石灰石、砂岩、铁矿石和粉煤灰均取 自北京市某水泥厂. 原料的化学全分析见表 1. 实验 开始前需对污泥进行干燥预处理，将污泥于 105 ℃ 烘箱中烘干 24 h 以上. 1.2 生料配料与制备 参考新型干法水泥厂生产过程中对率值的基 本要求 [12]，首先确定污泥的掺加量，然后根据率 值的要求采用尝试误差法确定其他原料的配比，实 验设定率值为石灰饱和系数，KH=0.91±0.01；硅 率，SM=2.6±0.1；铝率，IM=1.5±0.1. 石灰干化 污泥加入量 (质量分数) 为 0、2.5%、5.0%、7.5%、 10.0%、12.5%、15.0%、17.5%、20.0%、22.5%、25.0%、 27.5%和 30.0%，按照掺量从低到高，将样品依次记 为 1 # ∼13# 样品. 具体的生料配料方案见表 2