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市政污泥资源化利用工艺的探讨
来源： 建筑网&
摘要：市政污泥既是污染物又是一种资源，应先对污泥进行脱水和减量化处理，再根据相关处置技术的特点进行有效的资源化利用，只有将污泥的处置与资源化利用相结合才是污泥处理的最佳出路。文章通过探讨不同的污泥资源化利用工艺，包括污泥制陶粒、污泥制砖、生产肥料、烧制水泥、制生物质燃料、制工程塑料粒等技术工艺，并对各种工艺进行筛分与对比，分析了它们的优点和缺点，阐述了其针对性和适用性，以寻找市政污泥资源化利用的合适方法。国内外污泥处理处置的方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化等工艺处理后有效利用、填埋及焚烧等方法处置，或用其中某几种方法组合处置。污泥的最终出路不外是资源化利用或以某种形式回到环境中去，随着海洋投弃被禁止，污泥弃置的比例正逐渐减小，同时土地填埋也受到越来越严格的限制。
市政污泥既是污染物又是一种资源，应先对污泥进行脱水和减量化处理，再根据相关处置技术的特点进行有效的资源化利用，只有将污泥的处置与资源化利用相结合才是污泥处理的最佳出路。文章通过探讨不同的污泥资源化利用工艺，包括污泥制陶粒、污泥制砖、生产肥料、烧制水泥、制生物质燃料、制工程塑料粒等技术工艺，并对各种工艺进行筛分与对比，分析了它们的优点和缺点，阐述了其针对性和适用性，以寻找市政污泥资源化利用的合适方法。国内外污泥处理处置的方法很多，一般采用浓缩、消化、脱水、干化等工艺处理后有效利用（主要为农用）、填埋及焚烧等方法处置，或用其中某几种方法组合处置。污泥的最终出路不外是资源化利用或以某种形式回到环境中去，随着海洋投弃被禁止，污泥弃置的比例正逐渐减小，同时土地填埋也受到越来越严格的限制。在我国，污泥农用约占44.3%，卫生填埋约占31%，其他方法约占11%，没有处置的约占13.7%。人们认识到污泥处理的优先顺序是减容、利用、废弃，污泥减量化、稳定化、无害化处理后作为资源回用已经成为主流。污泥处理处置方案的选定，应根据当地污泥的性质与数量；投资情况与运行管理费用；环境保护要求及有关法律与法规；城市发展动态及污泥资源化利用，综合考虑后选定[5]。随着人们环保意识的增强，充分利用污泥中有用成分，提升污泥附加值的污泥资源化技术正在持续升温，污泥资源化利用是污泥处理可持续发展的重要途径。一、污泥资源化利用工艺选择1.污泥制陶粒污泥制作陶粒是利用污泥成分与粘土相近的原理，将污泥与粘土或者粉煤灰按照一定比例混合，在高温下烧制成陶粒的污泥处置方法。烧制陶粒时，原料的化学成分是影响陶粒膨胀系数的主要因素，烧制陶粒的物料（料粒或料球）要膨胀必须具备两个基本条件：一是在膨胀温度下能够产生适当的粘度和表面张力；二是同时产生足够的气体，只有同时具备上述两个条件，才可能获得膨胀良好的均质多孔性陶粒。用不同污水处理厂的生物污泥代替部分粘土配料都可以烧制出符合国家标准的轻质陶粒，污泥配料烧制轻质陶粒的烧结温度为1200℃左右，根据污水处理厂生物污泥成分的差别，配方要作适当的调整。通常条件下，烧制陶粒使用污泥量较低，掺烧比例大约在1%左右。2.污泥制砖污泥制砖的方法有两种，一种是用干化污泥直接制砖，另一种是用污泥灰渣制砖。用干化污泥制砖时，污泥的无机成分与制砖粘土的化学成分相近，可部分替代粘土作为制砖原料，将经过粉碎筛分的污泥与辅料混合制坯干燥后采用窑制砖工艺高温焙烧即可制得污泥砖，工艺路线见图1-2。污泥与粘土按重量比1：5配料最佳，污泥砖可达普通红砖的强度。利用污泥焚烧灰渣制砖时，由于污泥灰制砖工艺与干污泥制砖工艺基本相同，灰渣的化学成分与制砖粘土的化学成分也基本相近，制坯时只需添加适量粘土与调和剂，直接将污泥灰与其他制砖原料混合掺配，成型烧结制砖，比较适宜的配料重量比为灰渣：粘土：污泥=100：50：（15～20）。烧制过程将有毒重金属都封存在污泥中，也杀死了所有有害细菌和有机物，烧制出的砖没有异味。污泥烧砖既实现了废物利用，又减轻了污泥处理负担，是污泥资源化利用的较好途径。3.生产肥料污泥生产肥料是污泥资源化利用的一种主要方式。污泥中含有丰富的有机质和植物生长所需要的氮、磷、钾及多种微量元素，非常适合生产土壤改良剂或其它优质缓释复合肥。但是未经处理的污泥含水率较高、粘度大、且含有大量病原菌，不能直接施用于土壤，一般都采用生物发酵技术生产肥料。质量达标的干化污泥由于其臭味、病原菌、粘度等负面特性都得到显著改善，因此可以直接施用于土壤，也可以利用好氧发酵技术及复混肥生产技术开发精制肥，其技术路线如图1-3。干化污泥首先送至储料仓进行发酵腐熟，在发酵过程中污泥腐熟更加充分，有机质结构、颗粒大小、含水率等条件更适合农用，可以作为精制有机肥直接装袋销售。将腐熟污泥烘干、粉碎后按一定比例与磷酸一铵、氯化钾、过磷酸钙等无机原料混合、造粒后还可以做为优质缓释复合肥，达到资源化利用最大化。4.烧制水泥污泥烧制水泥在一定程度上可以实现部分成本回收，是目前污泥处置比较彻底的工业方案之一。污泥无机部分的化学特性与水泥生产所用的原料基本相似，由污泥制造的水泥与普通硅酸盐水泥相比，在颗粒度、比重等方面基本相似，而在稳固性、膨胀密度、固化时间等指标方面较好。作为替代原料，污泥要求干化到含固率92%-95%以上，颗粒越细越好。直接添加的水泥烧制工艺要求作为水泥原料的污泥必须达到经过研磨的污泥87%以上粒径小于90微米，研磨后的含固率在98%以上。干化污泥按照3～8%的比例添加，污泥（热值3000Kal/kg）热值可以满足水泥烧制过程中28%的热能需求。间接添加污泥的水泥烧制工艺是以污泥为代用燃料，剩余灰分作为水泥原料，热利用率低于前者。通常情况下，污泥作为水泥原料要与粉煤灰、石膏、黏土等原料混合后烧制水泥，水泥烧制温度为℃，燃料消耗量和二氧化碳排放量低于传统水泥烧制，其工艺原理流程见图1-4。污泥生产生态水泥技术不要求对原料进行预处理，污泥中的污染物可以被破坏，因此利用水泥回转窑处理城市污水厂污泥不仅具有焚烧法的减容、减量化特点，且燃烧后的残渣成为水泥熟料的一部分，是一种体现固体废物处理的无害化、减量化、资源化原则的较好的污泥处理处置和利用方法。5.生物质燃料技术生物质燃料技术是利用污泥制造低品质燃料的技术。该工艺采用间接加热式减压干燥技术，以废食用油为热介质直接混入污泥中并进行加热，使生物细胞被破坏，组织内部的水分蒸发。这种技术通过在干燥装置内部输气孔的轴上安装热交换板，利用加热热交换板产生的蒸汽提高干燥效率，使含水率80%的污泥经处理后含水率达到1%左右，所生产的生物质燃料发热量为kcal/kg，可用于焚烧设施、水泥厂及电厂的辅助燃料。印染污泥化身建筑用砖
作者：温文清
　　本报讯　　（记者温文清）近日，随着石狮市鸿辉环保建材有限公司三条环保砖隧道窑生产线的正式投产，困扰石狮印染行业的印染污泥处置问题获得了突破性的进展。　　据了解，石狮是我国印染产业的集群地之一，也是全国最早对印染工业废水进行集中处理并达标排放的印染产业集群地，印染产业环境保护建设工作走在全国前列。印染污泥富氧化成分高，又有一定的燃烧热值，长期以来，由企业采取与燃煤配比混合作为锅炉燃料进行燃烧的处置方法，使印染污泥得到了有效再利用。但是，近两年来，石狮的三大集控区全面采用管道蒸汽集中供热的方式，所有印染企业的燃煤锅炉已全部拆除，印染污泥处理的新出路，成为石狮印染行业环境保护的瓶颈问题。　　据介绍，石狮印染行业在工业废水处理过程中产生的印染污泥每年超万吨，如果采用常规的“浓缩――脱水――外运――填埋”方式进行处理，既要占用城市土地资源，又会产生二次污染。石狮市鸿辉环保建材有限公司以大量消化印染污泥为中心突破点，将40%的印染污泥、30%的建筑垃圾（锤式粉碎）、30%的粉煤灰（来源为石狮热电厂）进行配比，陈化三至五天，搅拌成型，利用窑内尾气余热烘干，隧道窑1300℃烧结成为建筑砖。据悉，首条生产线已一次调试成功，其烧结砖产品经权威检测数据表明，尺寸偏差和抗压强度等级均符合合格品的技术要求，外观质量也符合优等品的技术要求，很快得到市场的充分认同，并逐步增加到现在的三条生产线。该公司董事长郑明辉称，目前，当地政府有关部门已批准同意建设第四条生产线，企业将在适当的时候启动第四条生产线。　　一些专家指出，以印染污泥和粉煤灰作为制砖的烧结燃料是节能降耗的重大突破。砖内的印染污泥、建筑垃圾和粉煤灰三大组分，均为固体废弃物，是废物充分再生利用的循环经济好项目，它为石狮市印染行业每年污水处理产生的万吨以上的印染污泥找到了新出路，寻求到一个完整有效的产业化解决方案，也为石狮市打造国家级新型染整产业循环发展园创造了有利条件。
（责任编辑： HN666）
02/17 14:3001/29 18:28
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用市政污泥制砖，南京一企业技术已臻成熟
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本报讯（记者 周爱明） 本报昨天A6版刊登的《日产数百吨，市政污泥咋处理》一文引起关注。有读者致电本报说，南京一家企业采用先干化后利用的办法，用污泥成功制出了优质节能砖。
这家企业名为南京鑫翔新型建筑材料有限公司，该公司当初为了解决制砖原料来源，无意中“看中”了市政污泥。
市政污泥不管是填埋、焚烧还是利用，都必须先挤干水分，但挤干水分的成本过高。100吨含水率80%的污泥燃烧18吨标准煤，才能将其含水率降至60%左右。由于含水率很高，在资源化利用例如制砖时，掺入比例一般只有20%左右，污泥消耗量太小，因此，污泥制砖技术一直不成熟。
鑫翔公司负责人介绍，该公司经过试验发现，在密闭的晾晒车间内，利用车间顶部的太阳能及下方砖窑内抽出的大量余热，通过翻抛晾晒技术，可以将污泥中的水分从80%干化到25%—30%。干化后的污泥可以按50%的比例掺入煤矸石，送入隧道窑经最高1130摄氏度、48小时煅烧，污泥最终被成功烧制成一种多孔节能砖。
这种处理方法一是成本低，砖窑内的余热是免费的；二是掺入污泥的比例可达50%，是一般制砖技术掺入比例的两倍。
据介绍，经江苏省建材研究检测院检测，这种添加了50%污泥烧成的多孔节能砖，强度、吸水率、放射性、重金属等主要指标全部符合标准。而且，污泥在烧制砖头时，砖窑内850摄氏度以上高温段会保持7—8个小时，能确保有效分解有机物燃烧产生的有毒有害气体。
记者获悉，上述污泥干化制砖技术今年5月有望进入产业化阶段。
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江苏金陵春酒业有限公司
作者：周爱明
本文来源：南京报业网-南京日报
责任编辑：王晓易_NE0011
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硕士学位论文-利用污泥制备劈离砖工艺技术研究
xx 大学 全日制硕士专业学位论文利用污泥制备劈离砖工艺技术研究摘 要城市污水厂污泥（简称污泥）是污水处理厂排放的一种固体废弃物，含有大量水分 （95~99%） 、毒害性有机物、致病生物、无机矿物和重金属等，具有产量大、不稳定、易 腐败、 有毒有害、 有恶臭、 难处理等特点， 对生态环境和人类健康具有长期潜在的危害性。 污泥的资源化利用是现阶段污泥处理与处置的主要研究方向，其中比较成熟的技术有土地 利用、焚烧、热解以及制备建筑材料等。然而这些现存技术普遍存在着污泥干燥成本高、 产品质量难以达标、产品附加值低等缺点和不足。 劈离砖作为一种中高档类的建筑装饰用瓷质砖，其原料来源广泛、制备工艺简单、生 产成本低，具有很强的实用性和潜在市场竞争力。目前，劈离砖在消纳和利用各种低质原 料和固体废弃物方面的优势与潜力日益凸显，相关领域的研究与应用成果日趋成熟。 本文提出了利用污泥制备劈离砖的工艺技术，即：将污泥作为劈离砖的主要原料经过 配料、湿法球磨、压滤脱水、真空练泥、陈腐、挤压成型、干燥以及烧成等工艺工序制备 劈离砖。实验依据传统劈离砖的制备配方设计了不同污泥掺量的系列配方，并通过对各混 合料球磨浆料的压滤性能测试、泥段的加工性能测试以及生坯等的干燥性能和烧成性能等 实验遴选出了最佳配方（污泥掺量最高的可行配方），并在此基础上进行了详细的中火保 温和高温烧结实验。最后，实验对由最佳配方在最佳工艺条件下制备的样品进行了物理化 学性能测试及表征。 实验结果显示，本实验工艺中的最佳污泥劈离砖配方为污泥掺量高达 60%、英山长石 掺量为 20.63%、石英砂掺量为 5.2%、高岭土掺量为 14.14%的配方。其混合料经醋酸改性 后具有良好的压滤性能，且其泥段的加工性能和湿生坯的干燥性能较好，其最佳的实验室 烧成工艺制度为：700℃中火保温 10 min，1200℃高温煅烧 15 min。由最佳配方在最佳工艺 条件下制备的样品吸水率为 1.03%， 断裂模数 24.8 MPa， 均能满足国际标准 “ISO ” 对 AI 级劈离砖的要求。XRD 分析测试表明样品以石英为主晶相，另含莫来石和钠长石； SEM 图片显示样品为多孔结构；重金属固化测试表明样品重金属固化效果较好，重金属浸 出量远低于标准“U.S. Code of Federal Regulation (40 CFR 261.24)”中的相应要求。 本论文直接取用污泥制备劈离砖，无需干燥预处理，同时烧成时生坯中的大量有机物 可作为砖坯内燃料，能够节省大量能耗。污泥劈离砖属于陶瓷类产品，对重金属具有很好 的固化效应。本产品具有较高的市场附加值，工业生产时可以获得较高的经济效益。 综上所述，该技术切实可行有望成为各大城市决策污泥处理处置技术的优选方案，具 有较佳的成果应用和产业化前景。 关键词：废物资源化 建筑材料 陶瓷 劈离砖 污泥Direct-utilization of Sewage Sludge to Prepare Split TilesABSTRACTMunicipal sewage sludge (MSS) is a kind of solid waste discharged by domestic wastewater treatment plants, and contains a great amount of pollutants such as organic contaminants, heavy metals, pathogenic microorganisms and so on, which easily lead to serious secondary environmental pollutions. Therefore, much attention has been paid to the pollution controls of MSS worldwide, due to the growing social and environmental pressure. Moreover, it is more significant to develop the recycling technologies of MSS while solving its environmental pollutions. Quantities of investigations in this field have been carried out, and the main technologies include composting, anaerobic digestion, combustion, thermolysis, producing building materials, and so on. However, these as-result resolutions are still hindered considering such problems as high cost of drying pretreatment of MSS, low quality and price of the as-received target products. Split tile, a kind of medium-grade and/or top-grade ceramic tiles used for the decoration of buildings, is being more and more popular for its low requirements on raw materials, simple and feasible process technology and its low production cost. Series of Outstanding studies on the reclamation of low-grade materials and solid wastes to prepare split tiles have been carried out so far. In this paper, a novel proposal on direct-utilization of crude MSS as main raw material to prepare split tiles (i.e. MSS split tiles) was designed and tested by the authors. MSS split tiles are produced generally by such procedures as wet ball-milling, filter-pressing, vacuum pug-milling, aging, extrusion-forming, drying and sintering according to the as-designed process technology. A succession of formulations of batch mixtures with MSS incorporation from 50% to 60% for MSS split tile was designed. A series of formulation experiments and physical and chemical characterizations, like filter-pressing properties of ball-milled pug, plasticity and handling characteristics of the hydrated mud and the firing properties of the green bodies were carried out. After being comprehensive evaluated on all the key properties, the best formulation (i.e. the feasible one with the highest incorporation of MSS) was determined and some further experiments on the firing procedure of it were explored and developed. In the end, the “best” MSS split tile samples came from the best formulation and prepared through the optimizedprocedure were characterized and examined. The results confirm that the optimal formulation with maximum MSS content composes of 60 wt.% crude MSS, 15.2 wt.% quartz, 20.6 wt.% feldspar and 14.2 wt.% kaolin and acetic acid as a modifier. The filter-pressing properties of ball-milled pug, plasticity and handling characteristics of the hydrated mud and the firing properties of the green bodies about the optimal formulation are all well with an as-determined firing system: firing the green bodies at 700 ℃ for 10 min, and sintering them at 1200 ℃ for 15 min. The “best ” MSS split tile samples came from the best formulation and prepared though the optimized procedure have the bending strength of 25.5 MPa and the water absorption of 1.14 wt.% respectively, meeting the property requirement of AI-grade split tiles in ISO . XRD test confirms that the samples are mainly composed of quartz and mullite. TCLP test reveals that the samples have a good solidification of heavy metals, and leaching values of heavy metals are far lower than the regulatory levels required by the U.S. Code of Federal Regulation (40 CFR 261.24).In this paper, without being pretreated, the crude MSS is directly utilized to prepare split tile and the bioenergy in organic matter can be released and recycled during the firing procedure, which is favorable to save energy and cost of recycling MSS. Moreover, the as-resulted MSS split tile, a certain porcelain tile, are satisfying in solidifying heavy metals. And split tile, a popular product that is greatly accept has high added value, which would give rise to a pleased industrially application in future.To sum up, direct-utilization of sewage sludge to prepare split tile proposed and tested in this paper is feasible, and maybe the best choice to dispose MSS, which reveals a beautiful prospect. Keywords: Waste recycling, Building materials, Ceramics, Split tile, Sewage sludge目录第一章 绪论 ................................................................................................................................... 1 §1.1 城市生活污水污泥概况 ................................................................................................ 1 1.1.1 污泥的产生与排放 1 1.1.2 污泥的组成概况 1 1.1.3 污泥的环境危害 2 §1.2 污泥资源化利用研究现状 ............................................................................................ 3 1.2.1 土地利用 3 1.2.2 焚烧 4 1.2.3 热解 4 1.2.4 制备建筑材料 5 §1.3 污泥资源化利用技术发展趋势 .................................................................................... 6 1.3.1 现有技术存在的问题 6 1.3.2 污泥资源化技术发展趋势 7 §1.4 劈离砖概况 .................................................................................................................... 8 1.4.1 劈离砖的定义与分类 8 1.4.2 劈离砖的生产工艺 9 1.4.3 固体废弃物在劈离砖制备中的应用概况 10 §1.5 论文研究与意义 .......................................................................................................... 10 1.4.1 研究思路 10 1.4.2 研究总体目标 11 1.4.3 总体研究方案和内容 11 1.4.4 创新点 12 第二章 污泥劈离砖制备工艺设计 ............................................................................................. 13 §2.1 利用污泥制备劈离砖工艺设计 .................................................................................. 13 2.1.1 工艺设计和流程 13 2.1.2 工艺步骤和内容 14 §2.2 利用污泥制备劈离砖的基本工艺设计原理 .............................................................. 14 2.2.1 混合料配方设计 14 2.2.2 混合泥料脱水 16 2.2.3 混合泥料的练泥和陈腐 17 2.2.4 劈离砖坯体的烧成 17 §2. 3 工艺技术特点、优势及研究意义 ............................................................................. 18 2.3.1 技术特点与优势分析 18 2.3.2 研究意义分析 19 第三章 利用污泥制备劈离砖工艺实验 ..................................................................................... 21 §3.1 污泥物化性能分析 ...................................................................................................... 21 3.1.1 污泥样品的化学组成 213.1.2 污泥样品的矿物组成 21 3.1.3 污泥样品热分析 22 3.1.4 污泥样品可塑性指数 23 §3.2 辅助原料 ...................................................................................................................... 24 §3.3 仪器设备 ...................................................................................................................... 25 §3.4 实验总体方案 .............................................................................................................. 25 3.4.1 实验工艺流程 25 3.4.2 实验操作步骤 26 3.4.3 实验研究内容 27 §3.5 物理化学性能检测与表征手段 .................................................................................. 28 第四章 基础实验结果与讨论 ..................................................................................................... 30 §4.1 配合浆料压滤性能研究 .............................................................................................. 30 4.1.1 实验方案 30 4.1.2 结果与讨论 31 §4.2 配合料泥段加工性能 .................................................................................................. 31 4.2.1 实验方案 31 4.2.2 结果与讨论 32 §4.3 配合料坯体的烧成性能 .............................................................................................. 32 4.3.1 实验方案 33 4.3.2 结果与讨论 33 §4.4 本章小结 ...................................................................................................................... 33 第五章 优化实验结果与讨论 ..................................................................................................... 34 §5.1 劈离砖坯体中火保温烧成实验 .................................................................................. 34 5.1.1 中火保温温度实验及结果分析 34 5.1.2 中火保温时间实验及结果分析 35 5.1.3 中火保温实验总结 36 §5.2 劈离砖坯体的高温烧结实验及结果分析 .................................................................. 37 5.2.1 高温烧结温度实验及其结果分析 37 5.2.2 高温烧结时间实验及结果分析 38 5.2.3 高温烧结实验总结 39 §5.3 劈离砖样品性能检测 .................................................................................................. 39 5.3.1 劈离砖样品的物理性能检测 40 5.3.2 劈离砖样品矿物组成分析 41 5.3.3 劈离砖样品微观结构表征 42 5.3.4 劈离砖样品浸出毒性鉴别 42 §5.4 本章小结 ...................................................................................................................... 43 第六章 结论 ................................................................................................................................. 45 致 谢 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ....................................................................................................................................... 46中国地质大学全日制硕士专业学位论文1第一章 绪论§ 1.1 城市生活污水污泥概况1.1.1 污泥的产生与排放城市污水厂污泥（简称污泥）是污水处理后的一种非均质体，主要由水分（95~99%） 、 有机残片、 细菌菌体、 无机颗粒、 胶体等组成， 是一种成分极为复杂的固体和液体混合物。 城市生活污水和工业污水等城市污水，经过城市污水厂处理后，其中的部分污染物转化为 可沉降物质并予以排除，即为城市污水厂污泥。 中国环境状况公报[1]显示，2009 年，我国投入运营的城镇污水处理厂 1959 座，总设计 处理能力达到 10441 万 m3/d，实际日平均处理量为 7831 万 m3，其中新增城市污水日处理 能力 1330 万 m3。2010 年我国城镇污水处理能力已达到 1.22 亿 m3，同时城镇污水处理厂 已达 2600 多座， 新建和在建城镇污水处理厂 1800 多座[2]， 城市污水处理率由 2005 年的 52% 提高到 75%以上。截止到 2011 年底，我国投入运行的污水处理厂已达到 3100 多座，设计 处理生活污水能力达到 1.39 亿 m3/d，产生含水率 80%的污泥 2000 多万 t/d[3]。污水处理后 必然排出污泥，其产量通常占污水处理量的 0.3~0.5%（以含水率 97%计） 。随着城市人口规 模迅猛发展、城市耗水量的急剧增加以及污水处理设施的普及、污水处理量的增加，污泥 的产生量也必将大幅增长。相关资料表明，我国城市生活污水污泥产量以每年约 10%的速 率增长。与此同时，我国污泥中只有约 10%经过堆肥处理后回用到土地，20%被卫生填埋， 约 70%的污泥都只是简单外运、随意填埋或堆放， “重水轻泥”现象比较严重[3-9]。1.1.2 污泥的组成概况污泥是一类含水率极高的半固体胶状废弃物，常呈灰黑色，具有不稳定、易腐败、有 毒有害、有恶臭等特点。其成分组成非常复杂[10,11]，主要含有如图 1-1 所示的各种体系成 分[12]。 （1）有机质 污泥中含有大量的 N、 P 等有机生物质， 占污泥干重的 30~65%[13-15]， 主要为： 木质素、 蛋白质、脂肪、纤维素、糖类以及一些醇、酸、醚、酯等化合物。这些有机物一方面与水 具有很强的亲和性，导致污泥压滤脱水极其困难[16-19]；另一方面极易腐化变质，滋生寄生 虫、细菌、病毒等并产生恶臭，对生态环境造成持续性的毒害和污染。 （2）无机物 从矿物组成的角度来看，污泥中的无机物主要为高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物中国地质大学全日制硕士专业学位论文2和较少的石英、长石、方解石、白云石等瘠性矿物；从化学元素组成来看，污泥中含有较 多的 Si、Al、Ca、Mg 以及相对较少的 Na、K 等[12,20-24]。 （3）污染物与毒害物 作为城市生活污水经过浓缩等处理后产生的副产物，污泥富集了城市生活污水中的各 种污染物与毒害物，其中有 AOX、PCBs、滴滴涕、二f英等高达 400 多种的有机毒害物[10,11,24-27]， 、占污泥干重 0.5~2%的砷、镉、铬、汞、铅、铜、锌以及镍等难处理重金属[28-32]；以及种类繁杂的各种寄生虫卵、有害昆虫卵、病毒、致病细菌等生物毒害物[10,11,25,33-38]。污泥 固相 有机物 化学 组成 毒 害 性 有 机 物 有 机 物 官 能 化 合 物 有 机 生 物 质 元素 组成 病 毒 、 病 菌 微生物 组成 寄 生 虫 卵 昆 虫 卵 毒害性 无机物 重 金 属 无机物 植物 养分 无机 矿物 水分 自 由 水 分 间 隙 水 分 表 面 水 分 结 合 水 分 流动相 水溶性组成C H N O S图 1-1 城市污泥的基本组成描述体系1.1.3 污泥的环境危害污泥作为城市污水处理后的固体废弃物， 若随意弃置， 将会造成严重的污染事故。 2009 年，北京环兴园环保科技有限公司将 6000 余吨污泥直接倾倒在砂石坑中，所造成的污染损 失和治理费用经评估超过 1 亿元，造成了严重的环境污染。污泥污染主要表现在对土壤、 水体、大气等社会环境和自然生态造成各种直接和间接的危害[10,11,25,39-43]。 （1）污泥对土壤的危害 污泥的堆放搁置会侵占大量的土地资源，同时污泥中的各种可溶性有机污染物、病原 体、高毒性有机物以及一些盐分等极易随雨水进入土壤，杀死土壤中微生物，破坏土壤生 态环境并改变土壤的性质和结构。污泥中难迁移、易富集、危害大的重金属成分亦会渗透 入土壤环境中，并在土壤生态系统中富集；同时污泥中有机质腐烂后极易滋生各种致病微 生物，从而对生态系统造成长期、潜在的危害。中国地质大学全日制硕士专业学位论文3（2）污泥对水体的危害污泥含有大量的 N、P、K 等营养元素，极易导致水体富营养化；同时污泥中的大量有机腐 败物、毒性有机物以及致病微生物极易在水体中扩散，污染并破坏径流、湖泊、地下水等水体 环境致使水生动物死亡，水体发臭。重金属成分亦会在水体中扩散并经生物食物链系统富集。 可见，一旦污泥进入水体，将会产生极为严重的后果。（3）污泥对大气的危害 污泥中的大量有机物极易腐败产生甲烷、 二氧化碳等温室气体以及各种刺激性毒害物： 气体方面，如臭鸡蛋味的硫化氢，烂洋葱味的硫醇类，鱼腥味的胺类，以及酰胺、吲哚、 氮氧化物、硫氧化物、二f英；液体方面，如酚、醇、醛、酮以及有机酸等。同时污泥 中的卤代烷烃类、多环芳烃、多氯联苯、致病菌以及重金属等各种毒害物也极易以气 溶胶形式随空气漂浮并扩散从而造成危害。§ 1.2 污泥资源化利用研究现状污泥处置技术中最为传统、最为经典的就是填埋处置技术，然而该技术既浪费了污泥 中可资源化利用的成分，又无法从根本上消除污泥的危害，是一种短浅并且有着许多不足 的处置方法[44,45]。在建立资源节约型社会背景下，随着环保理念的普及和对污泥可资源化 利用的深入认识，污泥的资源化综合利用才是符合解决污泥环境污染和合理利用资源等理 念的最佳处置方式。目前，国内外污泥资源化利用技术主要有：土地利用、焚烧、热解以 及制备建筑材料等。1.2.1 土地利用污泥的土地利用包括农业利用、绿地利用、森林利用和土地恢复等。污泥土地利用一 般需经过堆肥发酵进行稳定化处理。何泽坚、刘慧慧、丁文川、何品晶等 [12,46-49]对污泥堆 肥发酵进行了深入的研究：污泥堆肥可以有效降解污泥中各种有机质，消除其毒害性，杀 死其中的大部分病原菌、寄生虫卵、病毒以及植物种子，同时可优化真菌、铵化细菌及硝 化细菌等菌种菌落等，从而可以很好地消除污泥臭味、大大降低其毒害性。另外，堆肥熟 化后的污泥含有丰富的氮、磷、钾和腐殖质等成分能够很好地促进植物生长，并改善土壤 的孔隙度，团粒体结构，水力学性质（如持水性、水分稳定性） ，化学性质（如吸附性、代 换性、缓冲性）等，是一种优良、廉价的有机土壤改良剂与增肥剂。 宋凤敏[50]利用堆肥后的污泥进行培植菠菜实验，发现空白土壤试样与堆肥污泥混合比 为 3:1 时，菠菜产量显著提高，且维生素 C 以及叶绿素含量均有所提高，硝酸盐含量反而 有所减低，提高了菠菜产品的产量和质量。赵晓莉等[51]进行了利用污泥培育生菜的实验， 证实当利用堆肥污泥培育生菜时，施用量为 6~10g? kg-1 的污泥可促进生菜中类黄酮、水分、 可溶性蛋白、抗血酸等含量的增加以及硝酸盐含量的降低，最终提高生菜的品质和产量。 曹春梅[49]设计了利用污泥培育莴笋实验，对比实验发现堆肥污泥培育出的莴笋的株高、茎 秆半径、蛋白质含量以及氮磷钾等营养成分的含量都显著增加。Warman 等[52]在加拿大的 新斯科舍地区进行了利用堆肥污泥培育饲料用青草与谷物类（corn）的实验，并对作物中 Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn 和 B 的含量进行了评估。他指出厌氧堆肥的污泥所培育的作 物 Fe、Cu 和 Zn 的含量较高，并且堆肥污泥的施用量必须考虑到土壤中一些重金属的累积中国地质大学全日制硕士专业学位论文4程度。 随着大量研究工作在污泥堆肥和农用领域的开展与完善[53-60]，污泥堆肥与农用技术以 其在改良土质和增强土壤肥效等方面的显著效果必将在土地资源较多，经济状况较为落后 的国家和地区大放异彩。1.2.2 焚烧焚烧是利用污泥中有机成分含量较高、具有一定热值的特点来处置污泥，该技术能迅 速和最大程度地完成污泥减量化(1t 干污泥焚烧后仅产出约 0.36 吨灰渣)和无害化、 资源化。 由于焚烧后污泥中的各种病原菌、寄生虫卵、病毒等以及毒害性有机物都能彻底灭杀，毒 害性有机物也能够被充分氧化分解，所以焚烧是处置污泥的一项较为安全的污泥资源化技 术。 陈晓平、O小银、秦翠娟、肖汉敏等[61-64]对利用流化床焚烧炉焚烧污泥进行了研究， 当采取了适当的焚烧工艺和烟气净化系统后，污泥处理成本较低且能够满足苛刻的环保要 求。上海市的石洞口、东莞的玖龙纸业公司以及无锡的荣成纸业公司等都采取了这种方式 处置污泥， 取得了一定的成果。 当焚烧工艺设计得当时， 污泥焚烧可得到相当可观的热量。 江苏省苏州工业园区进行了利用污泥燃烧发电的试点实验，综合处理污泥的费用仅约 100 元/t，远低于填埋处置成本，试点实验取得了较大成功[65]。合肥天源热电有限公司于 2007 年正式建成了污泥焚烧系统，将污泥焚烧并用于发电，其污泥处理能力为 120t/d，设备运 行状况良好[66]。日本神户市利用冷却水将污泥焚烧系统的余热进行回收并用于居民热水供 应系统，取得了比较理想的效果[67]。 污泥的焚烧处置已成为当下污泥资源化处置方式中的研究热点[42,68-73]。1.2.3 热解将污泥于特定气氛，在较高的温度条件下（300~900℃）加热并使之发生分解、缩聚等 反应而生成许多气态、液态和固态产物的方法即为污泥的热解。热解过程中，污泥中的各 种高毒性有机物以及致病生物均可被分解并解毒，生成特定产物。同时热解产生的 CH4、 CO 等各种气体产物和焦油成分等液态产物均可以作为理想的气体燃料，用于发电供热等。 Khiari 等[74]采用热分析-质谱联用技术 （TO-DSC-MS） 对污泥热解过程进行了详尽的研究， 分析得出结论，污泥热解主要分为三个阶段： （1）低沸点有机物的挥发（200~300℃） ； （2） 难挥发有机物分解生成 CH4、 CO、 CO2 等小分子气态化合物以及焦炭、 焦油等 （300~450℃） ； [75] （3） 焦油类物质二次分解，产生 H2 以及各种烃类和芳香族化合物（450℃以上） 。Lutz 等 利用气相色谱法等对污泥低温热解后产生的各种成分含量进行了研究，表明污泥热解后可 得到数量相当客观的焦炭（ 50.1~69.4% ） 、液态有机成分（ 11.0~31.4% ）以及气体燃料 （7.7~11.7%） 。 随着 1997 年第一座污泥炼油厂 （日消纳干污泥约 25 吨， 可产生约 L [76,77] 类柴油燃料以及大量的焦炭 ）在澳大利亚亚柏斯的建立，许多科研工作者对污泥热解 技术进行了研究和改善。邵敬爱[78]进行了污泥固定床热解实验，指出 600℃是污泥热解制 油的最佳温度，而热解气的产率在低于 600℃时产率增加缓慢， 高于 600℃后热解气产率增 加显著。翟云波等[79]利用管式电炉对污泥热解进行了研究，结果显示污泥热解最大油产率 的温度区间为 400~500℃，油液成分主要为单环芳烃，脂肪族化合物，含氧有机化合物， 含氮化合物，甾族化合物，卤化物，含氮的杂环化合物，多环芳烃化合物等主要由长链烃中国地质大学全日制硕士专业学位论文5和带环的芳烃组成的有机物。1.2.4 制备建筑材料污泥中含有较多的以硅、铝、镁、钙等为主的无机矿物 [12,20-24,80]，这与许多建筑材料 常用的原料成分相近，为此许多学者对利用污泥制备生态水泥、砌砖、陶粒以及陶瓷质砖 等建筑材料的资源化技术进行了研究。 生态水泥 生态水泥(Eco-cement)[81,82]是以城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料，经过处理、 配料，并通过严格的生产管理而制成的工业制品。利用污泥制备生态水泥能够满足污泥处 置减容、减量化特征，充分利用污泥中大量的粘土矿物，并且污泥中的难以处理的重金属 成分能被较为稳定地固化。与此同时污泥中高含量的各种有机物和病菌等也能够被高温分 解并提供部分热值。 宝志强[83]对利用污泥制备生态水泥进行了研究，发现 2.5%的污泥掺量最有利于降低水 泥烧结温度，污泥的加入有利于产品抗压强度，然而当污泥掺量超过 5.5%时，产品的后期 强度会有所降低。李树霞[84]研究证实，当干污泥的掺量到达 18%时，仍能在实验室条件下 制备出的生态污泥在物理性质和矿物组分上与一般水泥产品并无明显差别，并且产品的煅 烧性能和强度都有所提高。Malliou 等[85]利用污泥制备出的生态水泥，其强度随污泥掺量的 增加而降低，同时 XRD 物相分析和 SEM 电镜图片证实样品含有铝矾石成分，TCLP 淋滤实 验表明样品对 Pb，Zn 和 Ni 等重金属具有很强的固化效果。 砌砖 砌砖是以粉煤灰、煤渣、煤矸石、尾矿渣、化工渣或者天然砂、海涂泥等作为主要原 料，用水泥作凝固剂，加水搅拌，经振动成型、蒸汽养护等工序制备而成的墙体材料。制 备过程无需高温煅烧，节约能源并且可以因地制宜、经济有效地就地取材、保护农田。 利用污泥制备砌砖一般有以下两种工艺： （1）将适量干化污泥掺入水泥或粘土等凝固 剂中直接制砌砖，同时可掺入煤渣、粉煤灰、钢渣、高炉渣等固体废弃物； （2）将污泥焚 烧后的灰渣加粘土调配后制砌砖。 谢学报[86]利用水泥作为水泥胶凝材料，与干污泥进行混合，制备了砌砖。当干污泥与 水泥的比例高达 0.5:1 时，制备的砌砖仍有高达 40MPa 的强度和较好的冻融性能，并对污 泥中的重金属元素具有很好的固化效果；相应的工业化应用前景评估表明该技术抗风险能 力强，具有较高的经济优势。徐子芳等[87]将污泥、建筑垃圾以及粉煤灰混合经配料、养护 和陈化制备砌砖，当干污泥的掺量为 2% 时产品的抗折强度为 1.17MPa ，抗压强度为 13.75MPa，导热系数为 0.205W? (m? k)-1。梁梅[88]进行了利用污泥泥饼、粉煤灰、炉渣和水泥 制备砌砖的系列实验，实验证实污泥与水泥的交互作用（蛋白质与消石灰反应生成具有胶 黏作用的树脂）可增强砖体断裂模数和抗压强度，并且污泥掺量高达 50%时，产品的断裂 模数、抗压强度、淋滤性和冻融性均能达到国家标准。青岛青华建筑科研所有限公司将污 泥作为原料和燃料经过 5 年努力，生产出了达到国家应用标准的城市环保建筑砌块，既节 省土地，降低污泥的处置费用，又减少污泥的二次污染；该技术一旦实现产业化，青岛市 将成为我国首个污泥不外运城市，每年还可提供 15 万 m3 墙体材料。 相关研究表明，由于污泥中的有机质和油类物质易对砖块质量造成不利影响，利用生 污泥制备的砌砖质量远较由污泥焚烧灰渣制备的砌砖质量差。中国地质大学全日制硕士专业学位论文6陶粒 陶粒是一种人造轻质粗集料， 外壳表面粗糙而坚硬， 内部多孔， 具有密度小、 强度高， 保温、隔热性能好等优点，一般由页岩、黏土岩等经造粒、焙烧制成，可作路基材料、混 凝土骨料或花卉覆盖材料使用[89-94]。利用污泥制备陶粒一方面可以利用污泥中的无机成分 节约资源；另一方可以充分利用污泥中的有机物氧化燃烧释放出的热量，从而节约能耗。 陈伟等[95]利用污泥、尾矿泥和粉煤灰经过练泥、造粒、干燥和烧成等工艺制备陶粒。 实验表明，有机物含量较高的污泥的掺入可较好地促进陶粒的烧胀，低于 10%的污泥掺量 可明显提高陶粒的筒压强度；而高达 50%的污泥掺量则会降低熔体的粘度，增加陶粒的气 孔率， 进而降低样品的力学性能； 污泥掺量为 30%的陶粒样品可达到高强轻粗集料指标 （密 度等级 900，强度指标 6.5MPa） ；而污泥掺量为 40%~50%的样品可达到普通轻集料优等品 的指标（密度等级 800，强度指标 5.0MPa） 。Cheeseman 等[96]利用旋转管式炉展开了以污 泥焚烧灰为原料，以 1%的有机试剂作为塑性剂烧制陶粒的实验，得到的陶粒产品烧结温度 范围较宽（℃） ，其主要矿物成分为石英、白磷钙石和赤铁矿；当于 1060℃烧成 时，陶粒的产品密度为 1.35g/cm3，吸水率为 8%，扫描电镜图片显示产品为多孔结构，产 品的各项性能指标与市售陶粒相当。 陶瓷砖 利用干污泥或者污泥焚烧灰替代部分陶瓷原料生产陶瓷砖的工艺技术研究已在国内外 兴起。 马雯等[97]进行了以污泥和粘土为原料制备污泥陶质砖的实验研究，并研究了砖体在多 种污泥掺量、成型压力、烧结温度以及保温时间下的抗压强度及吸水率，在满足国家《烧 结普通砖》(GB)标准前提下，总结出了污泥掺量为 10%，成型压力为 60MPa，烧 结温度为 1050℃，保温时间为 1.5h 的最佳配方和工艺。方琳等[98]利用污泥焚烧灰、粉煤 灰以及粘土等制备陶质砖，污泥焚烧灰掺量高达 30%，在 1050℃条件下焙烧 6h 时所得的 产品抗压强度为 25.8MPa，抗折强度 3.33MPa，吸水率为 15.1%并且无泛霜和爆裂现象，满 足国标(GB)中中优等砖的相关要求，并且其重金属淋滤效果较好。Jordan 等[99]利 用污泥和粘土制备陶瓷砖，随着污泥掺量的增加陶瓷砖的吸水率逐渐增加，断裂模数逐渐 降低，当污泥的掺量达到 10%时，样品的重金属淋滤性能良好，最终指出污泥在陶瓷中的 掺量必须控制在一定范围内。§ 1.3 污泥资源化利用技术发展趋势1.3.1 现有技术存在的问题表 1-1 污泥资源化技术的特点和不足 技术名称 焚烧 热解制油气 堆肥 不需干燥 干燥要求 需干燥 难度 较高 高 低 附加值 低 高 低 技术不足及应用限制 干燥能耗和尾气处理成本高， 极易形成负效益 含有重金属，有机污染质和病菌， 产品应用受到限制中国地质大学全日制硕士专业学位论文 制陶粒 制砌砖 制釉面砖 制瓷质砖 制微晶玻璃 不需干燥 不需干燥 需干燥 较低 较低 中 中 极高 低 低 高 高 极高 产品附加值低， 经济效益不佳 釉面砖易鼓泡、瓷质砖有气孔、 微晶玻璃色泽暗淡， 产品质量难以满足市场需求， 技术实际应用的可能性小7不需干燥虽然大量的科学工作者对各种污泥资源化处置技术进行了研究与改进，但是现存污泥 资源化处置技术在资源化利用、环境保护以及经济成本等方面仍存在着较大制约，难以有 效地处置污泥。土地利用方面，污泥中含有的大量致病生物和高毒有机物等难以通过堆肥 方式彻底灭杀和分解，仍具有一定危害性，需要特别指出的是污泥中的重金属成分较易在 土壤中累积并极易在生物圈内通过食物链富集，对环境和人类健康具有较大的潜在危害 [32,37,49,60,100,101] 。焚烧和热解等方面，脱水污泥中约有 80%水分需要干燥去除，目前采用的 污泥干化系统每蒸发 1t 水大约需 3000MJ 的热能，如果按 70%的热效率计算，则需要标煤 约 150kg，成本很高[12,102,103]；污泥焚烧工艺的设备投资和运营成本很高，含砂量较高的污 泥更会在一定程度上加快设备磨损，增加成本投入和生产风险，同时污泥中的重金属可能 随着烟气的扩散而污染空气，破坏环境或增加环保投入[42,63,103]。在建筑材料利用方面，污 泥的高含水率和较高有机物含量制约其掺入量。污泥资源化利用技术的各种不足大致如表 1-1 所示。 可见污泥资源化技术研究及实际应用中存在的基本问题主要有：污泥含水率高，干燥 处理成本过高，导致整个资源化系统效益为负，如焚烧、热解；或者产品表观质量难以达 标、无法销售，如制釉面砖、抛光砖（瓷质砖）、微晶玻璃；或者产品附加值低，且应用 受限制，如堆肥、制陶粒。 当然，各种污泥处置方式的适用性应当充分考虑各地区所处的地理位置、环境条件以 及经济发展状况等，例如：在经济高度发达的国家和地区（日本、欧洲等）由于土地紧缺， 污泥中有机物含量较高（约 60%），污泥焚烧仍具有较好的应用前景。1.3.2 污泥资源化技术发展趋势污泥中含有大量的有机质 （organic matter） 、 有机能源 （boienergy） 和无机矿物 （mineral） ， 这为污泥的资源化利用技术的发展指明了方向，如何经济有效、无污染地利用污泥，同时 克服其高含水率、毒害性有机物以及重金属等带来的难题，是当前处置污泥的首要任务。 可以看出，一项经济可行的污泥资源化处置技术必须满足以下条件： （1）应尽可能避免污 泥的干化处理，以降低能耗和成本； （2）产品应具有较大的市场需求量、较高的附加值， 以获得较高的产品销售收益； （3）产品的物化性能能满足市场消费和环境保护要求； （4） 从原料预处理到产品生产的整个资源化工艺工序简单且环保，总效益为正，即可获得一定 的经济效益。中国地质大学全日制硕士专业学位论文8§ 1.4 劈离砖概况1.4.1 劈离砖的定义与分类图 1-2 典型的市售劈离砖产品劈离砖又名劈开砖或劈裂砖，最早兴起并发展于德国，继而风靡全球，是一种用于内 外墙或地面装饰的中高档类的建筑装饰瓷砖，它以长石、石英以及高岭土等陶瓷原料通过 干法或湿法粉碎混合后经练泥、 挤压成型、 干燥、 烧成等工艺工序制成， 其原料来源广泛、 生产工艺简单、生产成本低，产品色彩丰富、质感强、吸水率低（不大于 6%） 、强度高、 [104-114] 耐水、耐磨、耐久、耐酸碱、防滑、抗冻，实用性和市场竞争力强 。图 1-2 是典型劈 离砖产品的图片。 劈离砖按表面的粗糙程度分为光面砖和毛面砖两种，前者坯料中的颗粒较细，产品表 面较光滑和细腻， 而后者坯料颗粒较粗， 产品表面有突出的颗粒和凹坑， 产品凸凹感较强。 按用途来分可分为墙面砖和地面砖两种。按表面形状来分可分为平面砖和异型砖等。劈离 砖与普通装饰面砖相比有着突出的优点：①劈离砖成色多样，有天然底色、咖啡色、紫红 色、紫红色、橘黄色、金黄色、青铜绿等[106,115]；②劈离砖原料塑性较强，采用立体挤出成 型工艺，产品形状多样，如：圆弧形、直角形、钉子形等，且劈离砖背面具有燕尾槽，粘 贴牢固， 施工粘贴于建筑的特殊部位非常方便； ③劈离砖表面可以施加釉料， 有欧美风格、 地中海风格、田园风格、原野风格、马赛克风格等多种风格，具有很强的泥土质感，既可 清新秀丽又可浑厚粗犷，能够体现出多种人文生态、艺术生态、哲学生态等丰富的文化与 生活气息；④在发达国家，劈离砖在建筑装饰陶瓷的市场占有率高达 15％，而在我国，目 前还不足 1％， 处于供不应求状态， 具有广阔的市场发展前景[116]； ⑤劈离砖生产工艺简单， 取料方便， 成本低廉， 市场价格较高， 能够获得较好的市场经济效益[115]。 根据国际标准 “ISO , Test methods of ceramic tiles”的规定，劈离砖作为挤压砖的一种，依据其物理 性能的优良程度可分为 3 大等级，如表 1-2 所示。中国地质大学全日制硕士专业学位论文 表 1-2 国际标准“ISO , Test methods of ceramic tiles”对劈离砖产品性能的等级划分 挤压砖产品等级 AI类 A II a 类 第一部分 第二部分 第一部分 第二部分 A III 类 吸水率(wt.%) ≤3 & 3 且≤6 断裂模数(MPa) ≥23 ≥20 ≥13 ≥17.5 ≥9 ≥89A II b 类& 6 且≤10 & 101.4.2 劈离砖的生产工艺原料选择 坯料制备 成 型 干 燥 烧 成 制 品图 1-3 陶瓷砖产品制备的基本工艺劈离砖作为一种陶瓷类产品，其制备仍需经过原料处理、成型、烧成等工艺工序（如 图 1-3 所示） 。图 1-4 劈离砖干法工艺制备流程传统的劈离砖原料制备工艺中，具体有干法和湿法两种生产工艺[104,115,117,118] 。在干法 工艺工序（如图 1-4 所示）中，物料须经干燥后再破碎，然后再加入适量水分经真空练泥、 陈腐后进而挤压成型得到生坯。干法工艺一般适合因含水率较低而无需干燥的硬质原料。 而利用湿法工艺工序时（如图 1-5 所示） ，混合物料首先被掺入大量的水用于湿法球磨，进 行粉碎， 而后球磨物料经机械压滤脱水至适宜含水率， 在经真空练泥和挤压成型制得生坯。 湿法工艺一般用于含水率较高的软质原料。 将得到的生坯干燥并烧结后即获得劈离砖产品。中国地质大学全日制硕士专业学位论文10图 1-5 劈离砖湿法工艺制备流程1.4.3 固体废弃物在劈离砖制备中的应用概况随着陶瓷行业的迅猛发展，优质的陶土资源日益枯竭，陶瓷行业的产品原料的选择范 围已得到了极大的拓展，不再受限于优质、高纯的粘土、石英、长石三大原料，含有部分 粘土矿物、长石矿物、石英的岩石原料亦被开采利用。近年来，随着建立资源节约型与环 境友好型社会呼声的高涨与废物资源化理念的不断深入，许多科学工作者在利用各种废物 资源替代日渐减少的传统陶瓷原料方面做了大量工作。 劈离砖作为一种中高档层次的建筑装饰用陶瓷材料，取材广泛且对高档陶土原料的依 赖性很低。利用低质原料和废弃矿物资源制备劈离砖的工艺技术一直处于不断探索和研究 阶段，且已取得较为理想的成果。陈瑞祥等[106]利用了当地低质原料制备外墙饰面劈离砖， 制备的劈离砖产品有乳黄色、米黄色和红棕色等多种色彩且性能优异，该工艺技术可以很 好地消纳辽宁省阜新地区遗弃并堆积的含铁的低质原料。 伍政华[110]对利用当地特有的废物 ――张黑泥和合浦白泥制备劈离砖产品的工艺进行了研究，成功地制备出了高烧结优等率 的产品。梁文源[119]利用含铁量高达 4%的红砖厂粘土和废瓷料、粉煤灰等成功制备出了吸 水率小于 5%，断裂模数大于 12MPa 的劈离砖产品；该技术解决了高含铁量泥料难以制备 瓷质砖的难题，扩大了劈离砖原料选择的范围，同时降低了生产成本、减少了环境污染， 具有极高的社会效益和经济效益。张芳等[120]和徐绍华[121]分别利用煤矸石和粉煤灰制备了 劈离砖，这大大有利于缓解和消除煤矸石和粉煤灰大量堆积带来的污染问题，同时变废为 宝，可获得较为可观的经济效益。鉴于鄂西赤铁矿尾矿的大量堆积及其对环境的污染，陈 章[122]研发了利用该尾矿制备劈离砖的工艺并对该技术进行了经济效益评估， 结果显示样品 质量合格、经济效益颇为可观。 显然，劈离砖产品在原料选择方面要求很低，能够充分利用各色各样的废物资源和低 质矿产资源，同时又可以确保较为可观的经济效益。随着与劈离砖相关的生产工艺与设备 以及施工技术等的改进[123-132]，劈离砖建筑材料生产业必将取得蓬勃的发展。§ 1.5 论文研究与意义1.4.1 研究思路本论文针对现有污泥资源化技术研究和应用中所存在的不足，拟研究开发一项污泥中国地质大学全日制硕士专业学位论文11不需脱水干燥处理、能适应污泥本身物化特性、产品质量易满足消费者需求且具有较大 市场需求量的污泥资源化新技术。具体而言，就是基于武汉市某污水处理厂生活污水污 泥，开发出一项污泥制备劈离砖的资源化新技术。1.4.2 研究总体目标论文研究总体目标是：根据武汉市某污水处理厂生活污水污泥的化学成分和矿物组成 特点，系统设计以污泥作为主要原料制备建筑装饰用劈离砖的生产工艺，并对污泥劈离砖 的工艺流程、工艺参数、产品质量控制和优化等进行全面试验，最终开发出一项经济环保 的利用污泥制备劈离砖的资源化新技术。利用传统劈离砖生产工艺中的压滤脱水工艺对掺 有污泥的混合料进行一次性脱水，摆脱污泥干燥的高耗能工艺，同时在烧制劈离砖时污泥 中大量的有机物可以作为内燃料供热，在生坯瓷化时将污泥中的重金属成分固化在瓷质基 体中，从而消除污染并且降低成本。与此同时，大量消纳污泥，解决污泥的处理与处置问 题，从根本上消除污泥中毒害性有机物、致病生物、重金属等对土壤、大气、水体等生态 环境和人类健康的各种危害。1.4.3 总体研究方案和内容基于武汉市某生活污水污泥的化学成分和矿物组成特点，系统设计以污泥作为主要原 料制备建筑装饰用劈离砖的生产工艺，总体研究方案如图 1-6 所示： 污泥物理化学特性的基础研究污泥劈离砖配方设计工艺路线设计与工艺条件调整砖坯烧成温度制度系统实验样品质量与环相容性方面性能评估污泥制备劈离砖技术图 1-6 论文总体研究方案示意图论文提出利用污泥制备劈离砖工艺技术，以达到经济、环保地处置污泥的目的，拟在 以下几个主要方面进行研究和探讨： （1）污泥物理化学特性的基础研究 测试并分析污泥的含水率、化学成分、矿物组成、差热曲线、热重变化、可塑性指数 等物理化学基本特性，评估利用实验所取污泥样品制备劈离砖的可行性以及优越性等，为中国地质大学全日制硕士专业学位论文12后续利用污泥劈离砖制备的实验研究提供充足的基础资料。 （2）污泥劈离砖配方设计 首先根据相关文献资料总结出优异的污泥劈离砖配方，然后对该配方物料的加工性能 以及产品各性能进行评估，最终得到最佳的污泥劈离砖配方，以期污泥在劈离砖的配方中 掺量最高。 （3）利用污泥制备劈离砖的工艺设计与工艺参数优化 参阅相关文献， 根据传统劈离砖的制备工艺并结合污泥的相关性质设计“利用污泥制备 劈离砖的工艺”，并对工艺参数进行实验和优化。其中，实验工艺参数主要有：工艺技术的 可行性和经济性；生坯的加工性能等。 （4）砖坯烧成温度制度系统实验 通过系统的烧成温度制度实验，得到最佳的烧成温度制度，以期经济有效地制得性能 优异的劈离砖样品。 （5）污泥劈离砖样品的质量以及与环境相容性评估 在样品质量方面，有样品的表观质量、断裂模数、吸水率、矿物组成以及样品内部表 面形态等检测与表征；在环境相容性方面，有样品的重金属淋滤性等检测。 其中， （2） 、 （3）和（4）是本工艺技术的重点与难点，其详细的研究与解决情况将在 后文实验部分给出。1.4.4 创新点本论文的创新点为：首次提出直接以压滤污泥作为主要原料制备劈离砖，且压滤污泥 的掺量高达 60%，研发了压滤污泥制备劈离砖的生产工艺技术。中国地质大学全日制硕士专业学位论文13第二章 污泥劈离砖制备工艺设计§ 2.1 利用污泥制备劈离砖工艺设计2.1.1 工艺设计和流程图 2-1 污泥劈离砖的工艺流程设计图传统的劈离砖原料制备工艺中，有干法和湿法两种工艺（详见§1.4.2） 。压滤污泥中含 有大量的高结合力的水分，应划归于软质原料。利用污泥制备劈离砖时，若采用干法工艺中国地质大学全日制硕士专业学位论文14制备劈离砖，则会出现先对干含水率的污泥进行干燥然后加水成型的情形，考虑到污泥的 高含水率和高亲水性，干法生产工艺的干燥工序势必会造成能源的大量浪费；若采用湿法 工艺制备劈离砖，高含水率的污泥将先与各矿物物料进行混合后湿法球磨，这样一来，一 方面污泥中的大量水分充当了部分球磨用水，节省了水资源，另一方面各矿物原料（尤其 是嵴性矿物）的加入势必会对污泥的强亲水性予以一定程度的改善，一次性将球磨湿料通 过压滤脱水降至适宜含水率的经济方案可能成功。因此，综合经济以及工艺等因素，实验 选择湿法生产工艺利用污泥制备劈离砖并对其工艺技术进行改善。 根据研究方案和实际实验条件，切合污泥的物化性质以及劈离砖的传统制备工艺，设 计污泥劈离砖制备的主要实验工艺流程如图 2-1 所示。2.1.2 工艺步骤和内容根据污泥劈离砖的工艺流程，可设计本工艺为以下几个主要步骤： （1）配制物料 将取得的含水率 85%的新鲜压滤污泥直接与石英砂、长石、高岭土等原料按设计的配 方配置混合物料。 （2）球磨破碎 将按设定配方配制好的混合物料置于搅拌磨中，加入适宜的水分与刚玉球等球磨介质 后球磨，使物料充分混合且物料粒度小于 200 目。 （3）压滤脱水 通过机械压滤脱水方式将球磨后的物料中的大部分水分去除， 得到含水率适宜的泥饼。 （4）练泥 将压滤脱水后得到的泥饼置于练泥机中充分混炼。 （5）挤压成型 将充分混炼后的泥饼置于挤压机中，挤压成型得到劈离砖湿生坯。 （6）干燥脱水 将是生坯置于恒温干燥箱中，干燥至恒重，得到干生坯（简称生坯） 。 （7）入炉烧成 将生坯置于电炉中加热烧制，得到污泥劈离砖。§ 2.2 利用污泥制备劈离砖的基本工艺设计原理2.2.1 混合料配方设计污泥劈离砖的原料配比直接影响着泥段的脱水性能和挤压成型性能，以及生坯强度和 产品质量等，在整个工艺中具有重要作用。因此原料配比的设计应当满足以下几条原则： ① 污泥在劈离砖原料中的掺量尽可能大，以实现污泥处置和资源与能源节约的最大化；② 原料配比要保证压滤脱水、挤压成型、烧成性能等各生产工艺中对混合料、生坯以及产品 等的性能需求与环境保护要求。 实验从以下两方面对劈离砖的原料设计进行了分析研究。 （1）化学组成成分方面中国地质大学全日制硕士专业学位论文15劈离砖属于建筑装饰用瓷质砖范畴， 其原料配方的化学组成应当符合瓷质砖相关要求。 主要成瓷氧化物应为 SiO2、Al2O3、K2O 以及 Na2O 等，陶瓷坯料的化学组成系统一般为 K2O-Al2O3-SiO2 系统和 Na2O-Al2O3-SiO2 系统。 陶瓷制品的相组成主要取决于 SiO2? Al2O3 和熔剂 之间的关系。传统劈离砖原料配方的化学组成如表 2-1 所示。表 2-1 传统劈离砖原料配方的化学组成（wt.%） SiO2 60~65 Al2O3 20~28 Fe2O3 1~3 CaO &1 MgO &1 K2O 1~3 Na2O 2~4 烧失量 &12在陶瓷生产中，较高含量的 SiO2 和较低含量的 Al2O3 有助于提高坯体烧成时液相的粘 度；K2O 以及 Na2O 是坯料中的主要熔剂成分，并且 K2O 在高温下形成的液相粘度大，有利 于产品形状的维持。 下面对陶瓷坯料各组分的功能与含量做出一些说明。 ① SiO2 是混合料中的主要成分，与 Al2O3 一起构成陶瓷坯体的骨架。其含量大于 70% 时，其在高温烧结时的较大晶型转变会使坯体膨胀，进而使坯体产生裂纹细缝等，从而引 起制品强度的降低；其含量低于 50%时，混合料难以粘接，产品致密度差，强度很低。SiO2 含量在 55~70%之间为佳。 ② Al2O3 是混合料中的较为重要的组分。当其含量较高时，在烧结过程中将形成较多 的铝酸盐，这会在较大程度上提高坯体烧成温度，增加煤耗量并导致产品的颜色变淡和收 缩增加；但当配料中 Al2O3 含量低于 15%时，整个烧结过程坯体的烧成温度会降低，烧成温 度范围将缩小，制品的强度亦将降低。因此 Al2O3 在坯料中宜保持在 15~30%之间。 ③ Fe2O3 在原料中一般充当着色剂和玻化剂。其含量大于 10%时，制品的耐火度会降 低。然而多数情况下，Fe2O3 对陶瓷的生产是有危害的，主要表现在对产品白度的影响，即 使极少量的 Fe2O3 也可造成产品白度的显著降低，所以，一般陶瓷工业中都必须有除铁的 工艺。此外，在烧结时 Fe2O3 亦可以充当一定的熔剂。 ④ CaO 是陶瓷原料的重要组成部分， 一般由原料中的 CaCO3 高温下分解提供。 由 CaCO3 提供的 CaO 是一种具有很高的反应活性的矿化剂，可促使部分石英转化为 α-方石英，使坯 体膨胀降低坯体收缩率。但较高含量的 CaCO3 在坯体烧成时会产生较多的 CO2 对陶瓷产品 有一定的危害，故 CaO 的含量一般不宜超过 1%。 ⑤ MgO 在陶瓷中起着结构固定的作用，保持产品形状。 ⑥ 有机物及烧失量。 陶瓷生产中应当尽量避免原料中有机物的存在以及原料成分的较 大烧失量。坯料内有机质和其他挥发物较多，烧失量过大，会导致生坯收缩较大易变形且 有机质高温时分解易产生气泡等，致使产品出现黑心、鼓泡、开裂、变形等缺陷。一般烧 失量宜在 3~12%之间。 ⑦ 杂质类元素成分。 来自于自然矿物中的陶瓷原料一般都有种类繁多而含量较少的杂 质，如：P2O5、Fe2O3、TiO2 以及 MnO 等。其中对陶瓷影响最大的为 Fe2O3 杂质，主要表现 在对陶瓷产品在颜色和白度方面的强烈影响。 （2）各矿物组成成分方面 坯料的矿物组成对实验过程中泥料的炼制和坯体成型干燥等的工艺工序以及产品的系中国地质大学全日制硕士专业学位论文16那个性能都有着较大的影响。传统劈离砖原料的矿物组成如表 2-2 所示。表 2-2 传统劈离砖原料的矿物组成（wt.%） 石英 5~15 长石 30~50 高岭土 40~65**注：在传统劈离砖生产中一般由多种粘土替代。劈离砖属于挤压陶瓷砖，在生产制备过程中必须保证坯料和坯体的较强的可塑性，因 此对原料中各矿物组分的要求较高。 下面对传统劈离砖原料中的各矿物组分的功能进行说明： ① 高岭土是原料中的重要组成部分。 配料中的高岭土或兼其他粘土矿物具有很强的泥 料结合性和可塑性，有利于增加泥料的粘性和坯体的成型性。然而配料中高岭土等过多会 造成家加工过程中泥料的粘连；过少则会造成泥料的塑性降低，坯体难以成型。 ② 在陶瓷生产中，长石矿物成分是坯体高温烧成时的主要熔剂来源。长石类矿物的加 入能够保证高温烧结时坯体中玻璃相的产生，降低烧结温度；同时溶解并促进 SiO2 以及 Al2O3 之间的高温作用，从而增强坯体机械强度和化学稳定性，促进烧结。长石熔化后形成 的熔液具有较强的热塑作用及胶结作用，能够充填在各晶粒之间，减少坯体空隙，稳定陶 瓷制品形状，从而增大坯体致密度；冷却后的熔体将构成陶瓷的玻璃基质，可在一定程度 上增加坯体的透明度，并且有助于提高坯体的机械强度和电气性能。此外，长石亦属于瘠 性原料，适宜的长石掺量可缩短生坯干燥时间，减少坯体干燥收缩和变形，并且调节泥料 塑性。 ③ 石英等硅酸盐矿物属于陶瓷配方中的瘠性原料。在坯体成型时，适宜的石英含量可 以调节泥料的可塑性， 有助于生坯的干燥； 但过多的石英含量则会导致混合料的塑性较低， 生坯难以成型。高温烧结时，未熔融石英可构成坯体骨架，保持坯体形状；熔融石英具有 较高的粘度并可与 Al2O3 等反应生成一定的陶瓷结构， 防止坯体烧成时的变形和开裂。 此外， 石英的加入可以改善瓷器的白度和透光度，增强坯体的机械强度、硬度、耐磨性以及耐化 学腐蚀性。 ④ 其他矿物。配料中的方解石（CaCO3）等在坯体成型时属于瘠性原料，可调节坯体 塑性，而在高温时会分解生成具有高活性的矿化剂 CaO，可与粘土、石英等在较低温度下 反应，缩短烧成时间，增加产品透明度。2.2.2 混合泥料脱水本论文采用湿法工艺制备污泥劈离砖，球磨后的物料含有大量水分，单纯地采用简单 过滤和物理干燥都不能够经济有效地除去这些水分。实验采用机械压滤脱水的方法，利用 厢式压滤机来解决泥料高含水率的问题。 在压滤工艺中， 泥料由螺杆泵 （&1.2MPa） 泵入由滤布包裹着的料腔中， 加压进行压滤。 在压滤过程中，微小的固体颗粒在持续压力下聚凝成体积较大的絮状团块，同时大量压滤 废水通过滤布后被分离，经收集后排出。中国地质大学全日制硕士专业学位论文172.2.3 混合泥料的练泥和陈腐练泥一方面可使泥料各部分均一，性能较大程度上相似且稳定，增强泥料的触变性， 以利于成型；另一方面则可利用真空室将物料中的大部分气孔排出，使坯体致密，增强其 各种加工性能。陈腐是提高泥料可塑性的方法之一，泥料陈腐时应当保持一定的温度和湿 度，以利于泥料中的氧化和水解反应的进行，泥料通过陈腐不仅可使其中水分分散均匀一 致，同时还可充分保证黏土颗粒的水化和离子交换作用，从微观上保证物料各部分物化性 能一致与稳定；同时可保证一些硅酸盐矿物在充分水解并转变为粘土物质，从而提高泥料 的可塑性；同时泥料中的细菌等可促进有机物腐烂，产生有机酸等可进一步提高泥料的可 塑性。陈腐泥库需要保持一定的温度和湿度，以利于泥料进行氧化和水解等反应。2.2.4 劈离砖坯体的烧成污泥劈离砖的烧成大致可分为三个阶段：低温干燥阶段、中温分解阶段和高温烧成阶 段。 （1）低温干燥阶段 该阶段的温度范围大致为 25℃（常温）~300℃。由于劈离砖生产大多采用高温快烧工 艺，在该阶段坯体内的有机物分解量较少，主要表现为坯体中的一些间隙水和毛细水的烧 失。 （2）中温分解阶段 该阶段的温度范围约为 300~850℃。在该阶段，由于温度较高，坯体中的有机物开始 分解，产生较多的气体和热量。同时坯体中的矿物结合水也将被烧失。 （3）高温烧成阶段 该阶段的温度分为一般为 850~1260℃。在该阶段，坯体中的各固相开始相互反应，并 随着一些液相的产生，反应速率大大增加。此时，坯体将发生较为剧烈的体积收缩。坯体 在不同的最高温度烧成以及其烧成保温时间将会极大地影响坯体在高温条件下的固相反应 以及其程度，进而会在在较大程度上影响劈离砖样品的物理化学性能。此外，值得一提的 是，若此时坯体中让含有较多的炭，则会发生如式（2-1）~（2-3）所示的反应，并最终造 成坯体出现黑心、鼓泡、开裂、变形等质量缺陷。C + O = CO↑ Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2↑ Fe2O3 + C = 2FeO + CO↑(2-1) (2-2) (2-3)由以上可知， 劈离砖的烧成温度制度的设计应当得到足够的重视： ① 在中温分解阶段， 一方面需要将坯体中总的有机物充分氧化以获取较多的热量尽量减少砖坯烧成能耗，另一 方面要保证坯体中较低的残炭含量，以确保坯体高温烧结时的质量；② 在高温烧成阶段要 保证坯体能够在最为适宜的温度并经适宜的烧成时间烧成，从而保证样品具有较高的物化 性能。显然，合理设计污泥劈离砖的烧成温度制度对本实验所获得的样品性能有着至关重中国地质大学全日制硕士专业学位论文18要的作用。§ 2. 3 工艺技术特点、优势及研究意义论文首次提出直接以压滤污泥作为主要原料制备劈离砖，研发了压滤污泥制备劈离砖 的生产工艺技术，具有独特的工艺技术特点、技术优势和重要研究意义。2.3.1 技术特点与优势分析论文拟直接用污泥处理厂经过压滤处理后的污泥（压滤污泥）作为主要原料，制备建 筑装饰用劈离砖。该研究方案的技术特点与优势如下。 ① 污泥不需干化处理。含水率高是污泥的一个重要特征，压滤污泥含水率仍在 80%以 上。由于污泥的干燥需要大量的热量，故含水率高也就成了污泥资源化技术（如焚烧、热 解）应用的主要障碍。本项目中，污泥劈离砖生产流程的第一步即是湿法球磨制备料浆， 生产本身就需要适量的水分，才能湿法球磨，因此，压滤污泥所含的水分可直接作为球磨 制浆工序所需的水分，即，当污泥用于劈离砖制备时，不需要对污泥进行干化处理，大幅 度降低了污泥预处理成本； ② 污泥中的有机物在砖坯烧成过程中被氧化，释放热能，直接加以利用，并可消除其 环境危害。污泥中含有大量的有机质，且大部分是有毒有害物质，具有毒性、易腐性，是 引起污泥二次环境污染的主要成分。但另一方面，大量有机物的存在也使得污泥本身具有 较高的热值，完全干化污泥的热值可达 20000kJ/kg 以上，与褐煤热值相近。在污泥劈离砖 制备中，污泥所含的有机质可作为内燃料，在 800~1000℃发生氧化燃烧，释放出热能，为 砖坯烧成所用；同时有机物在氧化燃烧过程中结构被破坏，毒性消除，不再危害环境； ③ 重金属固化稳定。污泥中含有 Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As 等重金属，可通 过食物链进入人体，危及人类健康。本项目拟将污泥制备成的劈离砖本质上属于建筑陶瓷 产品中的一类，而陶瓷材料通常被认为是一种较好的重金属固化介质。因此，将污泥制备 成劈离砖后，重金属可被有效固化在劈离砖坯体中，不会再产生二次环境污染； ④ 产品颜色为自然显色，不需掺加色料。从市场需求角度，劈离砖产品能被广泛认可 和接受的颜色有紫砂、红色、暗红、黄色、灰色、黑色等。在常规劈离砖生产中，这些颜 色主要由原料中的铁元素进行着色，只有部分特殊颜色才需要掺加色料。在本项目中，污 泥含铁量较高，通常为 3%~6%的 Fe2O3。当污泥作为原料掺到劈离砖配方中时，铁也被引 入。铁在砖坯中的呈色与砖坯的烧成气氛直接相关。铁的三价化合物为红色或棕黄色、二 价及零价化合物多呈黑色。因此，通过控制砖坯烧成时的氧化-还原气氛，就可控制铁的存 在价态，使劈离砖显现出所需要的颜色； ⑤ 产品定位合理，品质易于达标并满足市场需求。建筑陶瓷产品主要有三类，即釉面 砖、瓷质砖（抛光砖） 、无釉砖。由于污泥中含有大量的有机物，在烧制过程中会释放出气 体，若生产釉面砖，易出现釉面鼓泡缺陷；若生产瓷质砖（抛光砖） ，抛光面易出现大量的 微气孔。无釉砖产品形式主要为劈离砖，通常不需要施釉、抛光，对气孔缺陷要求较低， 故利用污泥制备劈离砖，不存在气泡、气孔缺陷之忧，产品质量易达标； ⑥ 产品市场需求量大、污泥消纳量大。我国劈离砖的产销量约为建筑陶瓷总产量的 1%，即 6000 万 m2，市场需求旺盛，缓冲能力强，可有效接纳污泥劈离砖的市场投放。此 外，污泥在劈离砖中的掺量高，消纳量大，若建一座年产 200 万 m2 的中型劈离砖生产厂，中国地质大学全日制硕士专业学位论文19有望消纳武汉市一半的生活污水污泥。此外，城市污水处理厂的日污水处理量相对稳定， 相应地污泥的产生量也较为稳定，这正好满足了劈离砖生产对原料的连续供给要求； ⑦ 污泥劈离砖生产成本低，产品附加值较高，可获得正收益。劈离砖的市场价格每平 方米在 50~150 元之间，而污泥劈离砖生产总成本每平方米可控制在 25 元以内。利润空间 较大，加之市场需求量大，产品销售前景较好，可获得较高的经济效益。 此外，相对于传统的原料，利用污泥制备劈离砖，还具有以下成本优势：污泥作为免 费原料，替代部分传统原料后，可降低污泥劈离砖的原料成本；污泥来自于城市污水处理 厂，而劈离砖厂通常可设置在城郊工业区，与传统原料相比，污泥的运输距离更短，运输 成本低；污泥具有一定的热值，可作为砖坯内燃料，降低能耗成本；更为重要的是，污泥 生产劈离砖， 符合国家的节能减排、 固体废弃物资源化政策， 相关的资金补助、 税费优待， 可扩大污泥劈离砖生产的经济效益。 综上所述，本课题拟研究的污泥劈离砖制备新技术具有重要的环保意义和实用价值， 是一项值得系统研发的污泥资源化课题。2.3.2 研究意义分析1、经济效益分析 我国劈离砖的产销量约为 6000 万 m2，占全国建筑陶瓷总产量的 1%，市场需求旺盛， 缓冲能力强，可有效接纳污泥劈离砖的市场投放。劈离砖的市场价格每平方米在 50~150 元之间，而污泥劈离砖生产总成本每平方米可控制在 25 元以内。利润空间较大，加之市场 需求量大，产品销售前景较好，可获得正效益。此外，相对于传统的原料，利用污泥制备 劈离砖，还具有以下成本优势：污泥作为免费原料，替代部分传统原料后，可降低污泥劈 离砖的原料成本；污泥来自于城市污水处理厂，而劈离砖厂通常可设置在城郊工业区，与 传统原料相比，污泥的运输距离更短，运输成本低；污泥具有较高的热值，可作为砖坯内 燃料，可降低能耗成本；更为重要的是，污泥生产劈离砖，符合国家的节能减排、固体废 弃物资源化政策，相关的资金补助、税费优待，可扩大污泥劈离砖生产的经济效益。 2、环境和社会效益分析 污泥中含有大量的有机质，且大部分是有毒有害物质，具有毒性、易腐性，是引起二 次环境污染的主因。 在污泥劈离砖制备中， 污泥所含的有机质可作为内燃料， 在 800~1000℃ 发生氧化燃烧，释放出热能，为砖坯烧成所用；同时有机物在氧化燃烧过程中被破坏，毒 性消除，不再危害环境。 污泥中含有 Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、As 等重金属。重金属可通过食物链进入人 体，危及人类健康。本项目拟将污泥制备成的劈离砖本质上属于建筑陶瓷产品的一类，而 陶瓷材料通常被认为是一种较好的重金属固化介质。因此，将污泥制备成劈离砖后，重金 属可被有效固化在砖坯中，不会再产生二次环境污染。中国地质大学全日制硕士专业学位论文20此外，污泥在劈离砖中的掺量高，消纳量大。污泥经制备劈离砖而实现全部或部分资 源化后，将有效解决武汉城市污泥污染环境和占用土地等问题，减轻城市污泥对堆放场及 附近地区居民生活质量的影响，缓解附近居民的不满情绪。因此，本项目的实施，将对减 轻武汉市环境污染、实现社会-经济-环境可持续发展做出贡献。 3、与国内外同类产品或技术的竞争力分析 传统的劈离砖产品生产原料为粘土、 长石、 石英等天然原料。 天然资源的蕴藏量有限， 且在开采过程中会导致生态环境的破坏。 如粘土的开采， 既占用耕地， 又会破坏地表结构， 已受到国家相关政策的严格限制。而在本项目中，污泥本身是一种具有环境污染危害的废 弃物，将其作为原料用于劈离砖生产，既可消除污泥的环境污染，又可将其实现资源化利 用，完全符合国家节能减排、废物资源化利用的政策。由此可见，由污泥制备的劈离砖与 传统原料制备的劈离砖相比，更加符合国家政策导向，由此体现在产品竞争力上，污泥劈 离砖可享受国家相关税费优待和政策性补助，同时可获得清洁生产、循环经济、绿色产品 等资质认证，相应地降低了成本、增加了利润空间、提高了技术和产品的竞争力。4、成果应用与产业化前景分析 对于现代化都市，污泥的产生量非常大，对城市环境影响严重，各个城市均有控制污 泥环境污染的强烈愿望和行动规划；而劈离砖是一种市场需求量很大的建筑装饰材料，其 生产技术特征决定着可用污泥作为主要原料进行生产。通过本项目的实施，如能成功开发 出污泥劈离砖制备技术，并建立起示范工程，该技术必将成为各大城市决策污泥处理处置 与资源化的一项优选方案，具有较佳的成果应用和产业化前景。中国地质大学全日制硕士专业学位论文21第三章 利用污泥制备劈离砖工艺实验§ 3.1 污泥物化性能分析实验的主要原料为新鲜的武汉市某污水处理厂排放的生活污水污泥。该污泥样品已被 该污水厂进行了压滤脱水处理，其含水率为 85%，是一种具有强刺激性恶臭气味的凝胶状 固体物，具有较好的流动性，呈深灰色，pH 为 7。随后，根据实验研究的需要，对污泥进 行了化学组分分析、X-射线粉晶衍射分析、综合热分析（TG-DSC）以及塑性分析。3.1.1 污泥样品的化学组成实验对污泥样品的化学组成成分进行了分析，结果如表 3-1 所示。可以看出，该压滤 污泥主要由无机成分和有机成分构成。其中，无机成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等常规 硅酸盐成分，约占总质量的 65%；有机成分含量约占总质量的 35%（以烧失量指标计） 。 显然，与传统劈离砖原料相比，压滤污泥含有过多的可烧失成分且污泥的化学组成并 不与劈离砖的化学组成（见表 2-1）相吻合。这意味着，污泥不具备单独用来制备劈离砖的 物质基础和条件。但是若以压滤污泥作为劈离砖的部分原料时，污泥含有劈离砖生产所需 的硅酸盐化学成分， 具有用于劈离砖生产的可行性――污泥成分中较大含量的的 MgO、 K2O 和 Na2O 等无机成分可充当熔剂成分促进烧成。然而，污泥中的 Fe2O3 和 TiO2 以及有机物等 必然会对劈离砖的烧成质量产生不利影响，造成黑心、鼓泡、收缩开裂等质量缺陷。表 3-1 污泥化学组成（wt.%） 化学成分 污泥 SiO2 36.87 Al2O3 12.16 Fe2O3 5.36 TiO2 0.62 CaO 3.97 MgO 1.41 K2O 1.95 Na2O 0.49 烧失量 34.68 含水率 85由以上可知，当利用污泥制备劈离砖时，适量掺加部分辅助原料对污泥的化学组成成 分进行调整，并通过系统的实验研究，克服以上可能出现的质量缺陷，将是研制污泥劈离 砖的重要工作。3.1.2 污泥样品的矿物组成图 3-1 给出了压滤污泥的 X-射线粉晶衍射分析（XRD）图谱。同时，表 3-2 给出了压滤 污泥样品各矿物组成含量的半定量分析结果。中国地质大学全日制硕士专业学位论文22图 3-1 压滤污泥样品的 XRD 图谱 表 3-2 XRD 半定量测定的污泥样品的矿物组成 矿物名称 石英 伊利石 高岭石 钠长石 方解石 钾长石 英文名称 Quartz Illite Kaolinite Albite Calcite Orthoclase 分子式 SiO2 KAl2(Si3Al)O10(OH)2 Al2Si2O5(OH)4 (Na0.98Ca0.02) (Al1.02Si2.9808) CaCO3 KAlSi3O8 卡片号 03-5 74-2 83-1 含量（wt.%） 38.51 43.81 5.67 5.70 1.65 4.56由测试结果可知，污泥的主要矿物组成为石英（含量约为 38%） 、粘土类矿物（含量约 为 49%）和长石类矿物（含量约为 10%） ，均属于劈离砖生产所需的矿物，这表明该污泥具 有用于制备建筑陶瓷即劈离砖的物质条件，这也与污泥的化学组成成分相符。然而，亦当 清晰地认识到，污泥中相关矿物的含量比例并不与传统劈离砖原料所需情况（见表 2-2）相 一致，这一方面再次说明了污泥不具备单独用来制备劈离砖的物质条件；另一方面也说明 了利用污泥制备劈离砖时，必须掺入适量的各种矿物对污泥中的矿物组成进行调整，从而 得到矿物组成较为合理的污泥劈离砖配方。3.1.3 污泥样品热分析利用污泥制备劈离砖时，污泥中含有更多大量有机物将赋存在劈离砖生坯中，这会对 砖坯的烧成过程产生不利影响。为了减轻甚至消除这些不利影响，就需要分析测试污泥中 有机物的烧失温度， 以便于在劈离砖坯体烧成过程中在适当的烧成温度点采取保温措施 （或中国地质大学全日制硕士专业学位论文23在适当的烧成温度段采用慢速升温方式） ，将有机物尽可能地烧失。图 3-2 干燥污泥样品的 TG-DSC 图谱图 3-2 给出了 110℃充分干燥后的压滤污泥样品的热分析（TG-DSC）曲线。结果表明： ① 在室温至 200℃之间，污泥样品有约 3.2%的质量损失，这主要由污泥中部分残留间隙水 分（hygroscopic water）的损失造成 ；② 在 200~600℃范围内，样品有约 25.5%的质量损 失且伴有一较强的放热峰，这主要是由于污泥中的有机物和半挥发性的物质的挥发与烧失 造成的 ；③ 当温度高于 600℃时，污泥样品的质量损失很小（约 2.1%）并伴有较 [24] 低的且较为稳定的热量释放，这主要源于污泥中碳酸钙的分解和高岭石中羟基水的失去 。 同时可以看出，污泥在烧失过程中确有较多热量产生，这一方面与污泥化学成分中含有较 多有机物的结果（见表 3-1）相符；另一方面也显示出利用污泥制备的劈离砖在烧成时可获 得部分由污泥掺入而引入的有机物烧失提供的热量，从而达到回收热量节约能源的效益。[72,73,133] [23]3.1.4 污泥样品可塑性指数采用液塑限联合测定法，利用 GYS-2 型数显式土壤液塑限联合测定仪对污泥的液塑限 进行测定，从而得到其可塑性指数。表 3-3 给出了压滤污泥的可塑性指数。结果显示，压 滤污泥样品的可塑性指数为 21.1， 这表明， 污泥的可塑性较好， 属于强可塑性物料。 因此， 使用污泥来制备劈离砖，有利于配合料的混练及泥段的挤压成型。表 3-3 污泥样品的可塑性指数 样品编号 污泥 塑限(wt.%) 40.6 液限(wt.%) 61.7 可塑性指数 21.1中国地质大学全日制硕士专业学位论文24通过该压滤污泥的化学成分分析、X-射线粉晶衍射分析（XRD） 、可塑性测试，可以看 出污泥样品的主要成分为石英、粘土类矿物和长石类矿物，主要化学成分为 SiO2、Al2O3、 Fe2O3、CaO 等，均为生产劈离砖所需的矿物和化学组分，具有作为建筑装饰用劈离砖生产 的物质条件。此外，热分析（DTA-TG）测试结果还显示，污泥的烧失量在 34~36%之间，表 明污泥样品中含有大量可烧失的有机物。大量有机物的存在，一方面给劈离砖的生产带来 了困难，对此需要展开专题试验；另一方面，有机物在劈离砖烧制过程中能氧化燃烧，释 放出热能，有利于降低劈离砖的烧制能耗。§ 3.2 辅助原料实验所用辅助原料为石英砂、长石粉以及高岭土等常规陶瓷生产矿物原料。实验对这 些原料进行了化学成分分析和矿物组成分析，分析结果如表 3-4 和表 3-5 所示。表 3-4 几种辅助原料的化学组成 化学成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O 烧失量 石英砂 98.20 0.21 0.62 0.13 0.24 0.22 0.10 0.12 0.05 英山长石 72.18 15.17 0.50 0.50 0.50 0.13 3.50 7.11 0.27 博大高岭土 44.72 36.91 0.35 0.20 0.11 0.08 0.13 0.15 17.12实验用石英为细颗粒状，手感细腻，沙粒感较弱，呈白色。其化学组成主要为 SiO2， 与其矿物成分主要为石英的分析结果相符，是一种优质的石英类陶瓷用建筑材料。在配方 中，其为瘠性原料，在配方起着降低坯体干燥收缩和变形，增加熔体粘度，构成坯体的骨 架等重要作用。表 3-5 辅助原料的矿物组成 矿物名称 石英 伊利石 高岭石 钠长石 其他 英文名称 Quartz Illite Kaolinite Albite Others 石英砂 79 15 6 0 0 英山长石 10 0 2 87 1 高岭土 1 6 92 0 1中国地质大学全日制硕士专业学位论文25英山长石（钠长石）呈细沙状，有较强沙粒感，为白色细颗粒，由英山大别山矿业有 限公司生产。其主要化学成分为 SiO2、Al2O3、Na2O 以及相对较少的 K2O，主要矿物成分 为钠长石， 占总晶相的 87%。 可见， 该长石是一种优质的钠长石矿物原料。 其为瘠性原料， 在配方泥料中有利于降低坯体干燥收缩与变形和促进烧结时坯体中液相的产生。 高领土为白色粉末状，手感滑腻，由云南临沧博大高岭土有限责任公司依国家标准 GB/14563-93 生产。其化学成分主要为 SiO2 和 Al2O3，主要由高岭石矿物组成，是一种优 质的高岭土原料。 在配方中其为塑性原料， 能够保证坯体粘结成型， 并且其较高含量的 Al2O3 含量有助于坯体的快速烧结。 由以上可知，实验用原料的矿物组成和化学组成成分比较单一，纯度相对较高，是陶 瓷生产中的优质原料。这些辅助原料的掺入，将很好地调和污泥在化学组成和矿物组成等 方面的不足，并有助于污泥在劈离砖配方中较高掺量的实现。§ 3.3 仪器设备实验所用的主要设备有： （1）球磨机：QM-30 型搅拌球磨机，无锡市欣润粉体设备制造有限公司； （2）压滤机：XAQ2/320-30U 型厢式压滤机，上海大张过滤设备有限公司； （3）干燥箱：101-3 型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司； （4）练泥机：TCSW-80A 型不锈钢真空练泥机真空练泥，景德镇市高岭陶瓷机械有限 公司； （5） 压砖机： SY35 型实验室用液压压砖机， 国家建材局咸阳陶瓷研