利用水泥窑处理污水厂污泥实验研究

刘桂翔，李燕乔，曾斐，范维，郭立新

（1.白山市江源区环保局，白山 134700；2.长春理工大学 化学与环境工程学院，长春 130022）

随着城市污水处理厂的不断建设，污泥产生量急剧增加，世界各国对污泥的处理和资源化利用方式愈加重视，已成为环境科学领域的重要研究课题之一。由于各国在自然环境、经济水平和科技水平等方面存在差异，各国对污泥的处理方法也不尽相同。通常情况下，污泥处理工艺流程包括重力浓缩、消化、机械脱水、烘干等环节。在污泥处理的过程中，污泥中所含有的有机物是影响污泥稳定性的重要因素之一，这些有机物中含有大量的不稳定腐殖质，短时间内会发出恶臭，因此污泥要进行稳定化处理，最终产生的脱水泥饼或者焚烧后产生的残渣需要进一步进行处置。目前，传统的污泥处置方法主要有土地填埋、堆肥和焚烧等，这些污泥处置方式在实际应用中发挥了一定的作用，但是随着环境标准日趋严格化，其处置方式上的弊端逐渐显现出来。现在世界各国对污泥处理的研究正朝无害化、减量化、资源化的方向发展。

1 实验

1.1 实验设备

利用水泥窑处理污水厂污泥实验在吉林亚泰集团鼎鹿水泥有限公司3#回转窑进行，窑型为新型干法预分解回转窑，其运行参数如下：水泥窑规格：3.5×55m；重量：366.50t；倾斜角度：3.5°；转数：1～ 1 .5r/min；功率：180kw；熟料产量：384t/d；进料量：576t/d；窑内温度：1350℃～ 1450℃；烟气温度：800℃～900℃；物料停留时间：40min～45min。

1.2 样品制备

分别取未添加污泥和污泥掺加量为2%、5%和7%生产出的水泥熟料，将取样管插入水泥适量深度并按住气孔，从水泥中抽出试管，将所取水泥样品放入洁净、干燥的器皿中，所取样品质量均不少于12kg。

采用二分器将水泥样品进行缩分，使样品达到缩分规定量标准。将不同污泥掺加量生产出的水泥熟料样品标号，每个编号的水泥样品通过0.9mm方孔筛进行均分化处理。由于水泥遇水后会释放出大量的热量，使水泥结构内部温度和表面温度产生很大的温差，由于其膨胀收缩的程度不同，导致水泥产品容易出现裂缝，因此，必须对水泥产品进行养护。本实验采用 HBY-60B型水泥恒温恒湿标准养护箱进行水泥试块养护，养护成型后将水泥样品放入水池，在适宜的温度、湿度条件下，分别放置3d、7d和 28d。

2 结果与讨论

2.1 污泥掺加量对水泥熟料化学成分的影响

利用酸溶解法制备水泥熟料试样溶液，并对其烧失量、SiO2含量、Al2O3含量、Fe2O3含量、CaO含量和MgO含量等参数进行测定。

分别对污泥掺加量为2%、5%和7%生产出的水泥熟料进行化学成分测定，对比空白试验进行研究，不同污泥掺加量对水泥熟料化学成分的影响见表1。

表1 污泥掺加量对水泥熟料化学成分的影响Tab.1 Effect of different amount of sludge admixture upon Chemi cal composition of the cement clinker

从实验数据可以看出，向水泥原料中添加污泥所生产的水泥熟料对比空白试验的化学成分含量以及烧失量均无明显变化，即污泥掺加量对水泥熟料的化学成分影响不大。

2.2 污泥掺加量对水泥熟料矿物组成及率值的影响

水泥熟料的矿物组成是决定水泥强度的指标之一，水泥熟料通过在水泥窑中高温煅烧后，CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3四种氧化物不再以单独的氧化物形式存在，而是以两种或两种以上氧化物反应生成的矿物集合体的形式存在，主要包括硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)四种矿物成分。通过实验测定污泥掺加量分别为 2%、5%和 7%生产的水泥熟料的硅率(SM)、铝率(IM)和石灰饱和系数(KH)等率值，计算熟料矿物组成(C2S、C3S、C3A、C4AF)含量和游离氧化钙(f-CaO)的含量，结果见表2。

表2 污泥掺加量对水泥熟料矿物组成及率值的影响Tab.2 Effect of different amount of sludge admixture upon mineral composition and rate value of the cement clinker

游离氧化钙是指水泥熟料中以游离状态存在的氧化钙，由于在烧成温度下游离氧化钙的结构紧密，水化反应很慢，水化生成的氢氧化钙导致水泥体积膨胀，对水泥的抗压强度和抗折强度以及安全性都会产生一定的不良影响。1350℃时，不同污泥掺加量水泥原料在煅烧生成水泥熟料中游离氧化钙的分析结果见图1。

由表2中数据可看出，向水泥原料中添加污泥进行水泥熟料生产，其产品中的矿物组成含量以及率值均无明显变化，水泥熟料率值均在国家规定的波动范围之内。

从图1可看出，不同污泥掺加量生产出的水泥熟料中游离氧化钙的含量较低，说明水泥熟料性能较好。随着污水处理厂污泥的掺入，水泥熟料中游离氧化钙的含量逐渐降低。当污泥掺加量小于5%时，熟料中游离氧化钙的含量迅速下降，污泥掺加量大于5%时，熟料中游离氧化钙的含量下降趋于平缓，原因是向水泥原料中掺加污泥，能够改善水泥原料的易烧性。

2.3 污泥掺加量对水泥熟料强度的影响

图1 不同污泥掺加量对熟料中f-CaO含量的影响Fig.1 Effect of different amount of sludge admixture upon content of f CaO in the cement clinker

图2 不同污泥掺加量熟料在不同龄期的抗折强度Fig.2 Flexural strength at different periods of cement clinker with different amount of sludge admixture

图3 不同污泥掺杂量熟料在不同龄期的抗压强度Fig.3 Compressive strength at different periods of cement clinker with different amount of sludge admixture

将分别养护3d、7d和28d达到龄期的水泥熟料拆模后取出，分别测量其抗折强度和抗压强度，熟料强度按照《GB177-85水泥胶砂强度试验方法》标准进行，水泥熟料试样抗压强度利用WHY-300型微机控制全自动压力试验机进行测量，抗折强度利用DYE-530型数字式抗折试验机进行测量。图2为使用不同污泥掺加量原料生产的水泥熟料不同养护龄期抗折强度变化，图3为使用不同污泥掺加量原料生产的水泥熟料在不同养护龄期时的抗压强度。

由图2可知，向水泥原料中掺加污水处理厂污泥，对水泥熟料的抗折强度和抗压强度性能影响均不明显，水泥熟料的强度均达到合格标准。随着养护时间的加长，水泥熟料的抗折强度也不断增加，由于水泥熟料的抗折强度离散性比较大，其增长不明显。

从图3中可以看出，随着养护时间的加长，水泥熟料的抗压强度有较大幅度的提高，特别是水泥熟料的早期强度增长很快。掺加污水处理厂污泥的水泥原料所生产出的水泥熟料其抗压强度较未掺加污泥生产出的水泥熟料要高。当污泥掺加量为 5%时，水泥熟料的抗压强度最大，当污泥掺加量大于5%时，不同龄期水泥熟料的抗压强度略微有所降低。水泥熟料的强度高，说明水泥熟料中硅酸三钙的烧成效果较好，在水泥原料中适当掺加污泥，有利于改善水泥原料的易烧性，提高水泥熟料的强度。

2.4 污泥掺加量对水泥熟料物理性能的影响

表3 不同污泥掺加量对水泥熟料物理性能的影响Tab.3 Effect of different amount of sludge admixture upon physical performance of the cement clinker

国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-2007）中规定：普通硅酸盐水泥的初凝时间不小于45min，终凝时间不大于10h。实验结果表明，随着污水处理厂污泥掺加量的增加，水泥的初凝时间和终凝时间均有所增加，其原因是向水泥原料中掺加污水处理厂污泥，延缓了水泥熟料的水化反应进程，从而延长了水泥的凝结时间。有关资料表明，在水泥熟料加水后其中的矿物成分硅酸二钙和硅酸三钙会与水发生反应。污水处理厂污泥中含有一些重金属元素和微量元素，其中，锌和铅等重金属元素作为水泥的缓凝剂，可减缓水泥的硬化进程。而掺加含有重金属及微量元素的污水处理厂污泥，虽然减慢了水泥熟料的水化反应速度，延缓了水泥的初凝时间和终凝时间，但对水泥熟料强度等性能指标并无影响。适当延缓水泥的凝结时间，有利于水泥产品应用于建筑施工。

从表中实验数据可以看出，水泥原料中掺加污泥煅烧生成的水泥熟料其物理性能均达到国家合格标准。

3 结束语

利用水泥厂煅烧设备处理污水处理厂污泥，能够达到污泥稳定化、无害化、减量化和资源综合利用的目的，是一个变废为宝、化害为利、资源化利用污泥的处理过程。不但解决了污水处理厂难以解决污泥处理的问题，还可以充分利用污水处理厂污泥替代部分水泥原料进行熟料生产，充分利用污泥焚烧过程中所释放的低位热值。利用水泥窑处理技术对污水处理厂污泥进行处理处置，可实现污水处理企业和水泥生产企业双赢，达到经济效益、环境效益和社会效益的完美统一，符合我国建设资源节约型、环境友好型社会的要求。

［1］徐丽莉，孙善利，任永忠.国内外污泥处理现状及工艺［J］.商场现代化，2007，7（2）：381-382.

［2］普大华，吴学伟，李洁.城市污泥处理处置技术对比［J］.中国水运，2007，7（2）：73-74.

［3］戴逸琼.污水处理厂污泥处置的环境制约因素分析［J］.浙江建筑，2007，24（3）：57-59.

［4］郭立新.污泥热处理技术研究进展［J］.长春理工大学学报，2008，31（3）：90-93.

［5］漆宏.利用污泥生产生态水泥的可行性初探［J］.安徽农业科学，2008，36（17）：7380-7381.

［6］朱建平，常钧，卢令超，等.利用城市垃圾、污泥烧制生态水泥［J］.硅酸盐通报，2004（2）：57-61.