不同污泥制备烧结砖的性能研究

朱盛胜，陈 宁，俞泠智

（1.上海市建筑科学研究院；2.上海理工大学，上海 201108）

随着我国经济和城镇化快速发展，城市污水产生量与处理量大幅增加，污泥排放量飞速增长。截至2016年底，全国污泥排放量超过3 500万t/a（含水率在80%左右），且其产生量仍以每年10%的数量增加。污泥是由有机残片、细菌体、无机颗粒和胶体等组成的非均质体，含有细菌、重金属、有机污染物等多种复杂成分，若未经妥善处置，将严重污染水质、土壤和大气环境。

目前，污泥处置方式主要分为填埋、焚烧和资源化利用。填埋是常用的污泥处置方式，成本较低，但占用大量土地资源，易形成二次污染。焚烧是将污泥深度脱水后，掺入生活垃圾协同焚烧或单独焚烧，处理成本较高。资源化利用包括建材利用、土地利用和生物质能利用等，其中利用污泥制备烧结砖，是污泥再生建材利用的重要手段之一，不仅可以减少黏土资源消耗，充分利用污泥中的热值和无机组分，还可以有效控制污泥中有机污染物和重金属的危害[1-2]。本文研究上海市不同污水厂污泥制备烧结砖的性能，为不同种类污泥用于烧结建材提供技术支撑。

1 原材料

黏土原料取自上海某工程基坑土，4种污泥原料取自不同的污水处理厂，分别记为XS、XJ、XW和XC。原材料的含水率如表1所示，污泥化学组成如表2所示。

表1 污泥含水率

表2 污泥化学成分

分析表2可知，不同来源污泥的化学组成存在较大差异，XS主要组成为CaO，SiO2和Al2O3的含量较低，并且MgO比其他三组污泥含量高。采用XS制备烧结砖将显著降低烧结砖的力学性能，但是易引起石灰爆裂等问题[3]。XJ、XW和XC三种污泥主要化学组成相近，包括SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，与一般黏土材料组成较为相似，可替代部分黏土制备烧结砖。但三种污泥化学组成仍有差异，例如，XW的烧失量最低，SiO2含量较高，XJ的Fe2O3含量相对较高[4]。

2 试验

将基坑土和污泥按设计配合比（基坑土:污泥:红砖粉=75:15:10）混合，经两次轮碾搅拌均匀，密封陈化2 d，压力成型制坯，坯体在自然通风条件下晾晒，使含水率保持在5%～7%，在950℃下焙烧，制成污泥烧结砖[5]。

利用电子天平测试烧结砖坯体烧结前后的质量，计算坯体烧失量。按照《砌墙砖试验方法》（GB/T2542-2012），测试烧结砖抗压强度。

3 结果与分析

3.1 坯体烧失量

如图1所示。

图1 污泥砖焙烧前后质量损失率

由于基坑土和4种污泥的性质不同，不同污泥砖的压实度不同，相同体积的坯体初始质量存在明显差异。烧结前后污泥砖质量损失率试验结果显示，质量损失率与污泥自身的烧失量正相关[6]。在污泥掺量相同的条件下，污泥自身烧失量越大，污泥砖质量损失率越大，其原因主要是污泥烧失量和污泥砖的质量损失均受污泥中有机质含量的影响。XS污泥砖的质量损失相比其自身烧失量明显偏大，主要是由于其CaO、MgO含量高，烧结过程中发生粉化现象，砖体表面存在明显物料剥落现象。

3.2 污泥砖力学性能

如图2所示，掺加污泥大幅降低污泥砖的力学性能[7]。不掺加污泥的基坑土烧结砖抗压强度可达到15.0 MPa，掺XJ、XW和XC污泥的烧结砖抗压强度最大降幅超过50%。XW污泥SiO2含量较高，烧失量低，其对烧结砖强度影响最小，但也仅为11.0 MPa，降低26.7%。XS污泥的化学组成中CaO、MgO含量高，砖体变形和粉化严重，强度仅为1.1 MPa，表明XS污泥不宜用于烧结砖生产。

图2 污泥烧结砖抗压强度

3.3 烧结温度

选取XW污泥烧结砖坯体，在900℃、950℃和1 050℃三种不同烧结温度条件下焙烧，试件破坏形态如图3、图4、图5所示。

图3 900℃烧结砖破坏形态

图4 950℃烧结砖破坏形态

图5 1 050℃烧结砖膨胀变形

烧结温度为900℃时，砖体受压呈粉状破坏，温度较低，烧结砖未完全烧结，抗压强度约4 MPa；950℃时，砖体受压呈块状破坏，坯体充分焙烧，抗压强度可达到11 MPa；1 050℃时，坯体在高温炉中发生膨胀破坏，呈明显过烧状态[8]。

4 结论

不同污泥化学组成存在较大差异，XS由于CaO含量过高的污泥不宜用于制备烧结砖；其他三种污泥SiO2含量较高，主要成分与黏土组成较为相似，可替代部分黏土制备烧结砖。污泥烧结砖比不掺污泥的基坑土烧结砖烧失量高，并且与污泥自身的烧失量大小正相关。但XS污泥由于砖坯粉化等问题导致烧失量偏大。

污泥显著降低烧结砖的力学性能，15%掺量条件下抗压强度下降幅度为26%～50%；XS污泥烧结砖变形粉化严重，强度大幅降低，不宜用于制备烧结砖。XW污泥烧结砖在不同的烧结温度下，砖体烧结后的形态具有明显差异，950℃烧结温度下污泥砖性能较优，温度过高或过低影响污泥砖的烧结效果。