（材料学专业论文）污水厂污泥配制水泥及其结构固化行为研究.pdf

郑州人学颁上学位论文 摘要 利用水泥回转窑处理城市垃圾正同益得到全球水泥行业的关注。本文在对现 有的处理污水处理厂污泥方法对比分析的基础上，在实验室内尝试利用污泥配料 煅烧生态水泥熟料，探讨了利用水泥回转窑处理污水处理厂污泥的有关问题。 本文通过生料烧结性能实验、水泥熟料矿物相分析实验和岩相分析实验讨论 了掺烧污泥对水泥烧成行为的影响；运用s e m 对水泥水化产物的微观形貌观察 分析及水泥胶砂强度实验讨论了掺烧污泥对水泥水化、硬化过程及强度性能的影 响；利用原子吸收法分析研究重金属元素在熟料中固化率的有关问题。在这些实 验的基础上，进行有关理论分析，得到了下列结论： 掺烧污泥在一定程度上改善了生料的易烧性，熟料矿物相的形成温度有降低 的趋势。各熟料矿物发育良好、结构清晰。各熟料矿物相的种类与工况下正常生 产的水泥熟料没有区别。 掺加适量污泥不但没有增加熟料煅烧的难度和降低水泥强度，反而在一定程 度上具有促进作用，表现为其水泥强度达到4 2 5 标号水泥强度要求；同时水泥 在各龄期水化充分，水化产物发育正常、结| 拿致密，说明在实验室模拟条件下掺 烧适量污泥能够生产出质量合格的水泥产品。 所研究重金属元素在模拟煅烧条件下的固化率分别为：c u8 9 3 ；z n 8 8 o ；p b9 0 1 ；c r9 3 9 ；重会属元素在实验室掺烧污泥生产的水泥熟料 固化率与工况条件下的固化率相当；2 8 天水化产物中p b 、c r 的固化率较其他固 化方式高。 关键词：污水处理厂污泥；水泥熟料：重金属；固化 郑州人学硕i 。学位论史 a b s t r a c t t h e r ei sat r e n da r o u n dt h ew o r l df o rc e m e n ti n d u s t r yt od i s p o s eu r b a np o l l u t a n t b ym e a n so fc e m e n tr o t a r yk i l n i nt h ep a p e r , o nt h eb a s eo fc o n t r a s te x i s t i n gw a s t e t r e a t i n gm e a n s ，i nt h el a b o r a t o r yw et r yt of e e dp r o p o r t i o n i n ga n dc a l c i n ee c o l o g i c a l c e m e n tc l i n k e r s ，a n dd i s c u s ss o m ep r o b l e m sa b o u td i s p o s i n gt h es l u d g ef r o ms e w a g e d i s p o s a lp l a n ti nc e m e n tr o t a r yk i l n i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oa n a l y s et h ei n f l u n c et oc e m e n tb u n i n ga c ta f t e ra d d i n g s l u d g et oc a l c i n ec l i n k e r s ，m a k ee x p e r i m e n t ss u c ha ss i n t e r i n gc h a r a c t e ro fr a w , x r a y d i f f r a c t i o na n a l y s i sa n dl i t h o f a e i e sa n a l y s i so fc l i n k e r s t h et o p o g r a p h ya n a l y s i so f t h eh y d r a t i o no fc e m e n tb yt h em e a n so fs e ma n dc e m e n tm o t o rs t r e n g t he x p e r i m e n t a r em a d et od i s c u s st h ee f f e c t so l lc e m e n th y d r a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa n d c e m e n ts t r e n g t h b yt h em e a n so f a t o m i ca b s o r p t i o nm e t h o dt h e i n c o r p o r a t i o nr a t i oo f h e a v ym e t a l si nc l i n k e r se x p e r i m e n ti sm a d e a f t e rc o r r e l a t i v et h e r o ya n a l y s i s ，w e h a v es o m ec o n c l u s i o n s ： w i t ht h es l u d g ea d d i t i o ni nc e m e n tr a wm a t e r i a l ，s i n t e r i n gc h a r a c t e ro f r a wh a v e i m p r o v e m e n ta ts o m ed e g r e e t h ef o r m a t i o nt e m p e r t u r eo fm a i nm i n e r a li nt h e e c o l o g i c a lc e m e n th a v ear e d u c i n gt r e n d e v e r yc l i n k e rm i n e r a lg r o w sw e l l ，t h e s t r u c t u r ei sc l e a rt h ek i n do f m i n e r a l si nc l i n k e ri ss i m i l a rt oc l i n k e rp r o d u c e du n d e r n o r m a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i td o e s n tr a i s et h ed e g r e eo fd i f f i c u l t yf o rc a l c i n i n gc l i n k e r sa n dr e d u c ec e m e n t s t r e n g t ha f t e ra d d i n gs o m es l u d g e , b u ti ta c t sa sa na c c e l e r a t o r , t h er e s u l ti st h a tt h a t c e m e n ts t r e n g t hi sa sg o o da s4 2 5 8c e m e n t a tt h es a l l l et i m ei t sh y d r a t i o np r o d u c t i o n g r o w sw e l l i tc a nt e l lu st h a tw ec a np r o d u c tp a s s i n gc e m e n tu n d e rs i m u l a t i o n c o n d i t i o ni nl a b t h ei n c o r p o r a t i o nr a t i oo fh e a v ym e t a l si nl a bi s ：c u8 9 3 ；z n8 8 0 ：p b 9 0 1 ：c r9 3 9 t h ei n c o r p o r a t i o nr a t i oo fh e a v ym e t a l si nh y d r a t i o np r o d u c t i o no f 2 8d a y si sh i g h e rt h a nu s i n go t h e rs o l i d i f i c a t i o nm e t h o d s 郑州人学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s l u d g ei ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t ，c e m e n tc l i n k e r , h e a v ym e t a l ， s o l i d i f i c a t i o n i 郑州大学硕上学位论文 引言 进入新世纪以来，循环经济【l 】作为全球经济的新形态，正逐渐成为大多数国 家环境与发展的主流。中国是世界上最大的发展中国家，最突出的国情就是人口 众多，人均资源拥有量很少，最经受不起资源的浪费；由于人口众多又派生出另 一个最显著的国情，就是人均生存空间非常有限，因此也最经不起城市垃圾对空 间的争夺和占领；中国还有一个最基本的国情，那就是生态基础十分脆弱，环境 危机深重，所以更承受不住大量城市垃圾的污染和破坏。如何在循环经济的思想 框架内构建产业体系，已经成为中国高层和各地、各行业的战略性课题。 循环经济( c y c l ee c o n o m y ) 遵循4 r 原则：即减量化( r e d u c e ) 、再利用 ( r e u s e ) 、再循环( r e c y c l e ) 、再思考( r e t h i n k ) 的行为原则，这是循环经济的 特征。减量化原则，是循环经济的首要原则，也是最重要的原则。该原则以不断 提高资源生产率和能源利用效率为目标，在经济运行的输入端最大限量地减少对 不可再生资源开采和利用，尽可能多地开发替代性的可再生资源，减少进入生产 和消费过程的物质流和能源流；再利用原则，就是尽可能多次以及尽可能多种方 式地使用人们所购买的东西；再循环原则，就是尽可能多地再生利用或资源化， 把废弃物返回工厂，在那里经适当加工后再融入新的产品中；再思考原则，就是 不断深入思考在经济运行中如何系统地避免和减少废弃物，最大限度地提高资源 生产率，实现污染排放最小化，废弃物循环利用最大化。 生态水泥的基本特征符合循环经济的4 r 原则。生态水泥是一种与环境保持 高度协调的，以废弃物作为主要原料和燃料，采用清洁生产技术制备的高性能凝 胶材料。生态水泥尽可能少的利用天然资源，这符合循环经济减量化的原则；生 态水泥大量利用废弃物作为再生资源，这符合循环经济再利用的原则；利用废旧 混凝土的再生利用生产水泥原料，这符合循环经济再循环的原则。发展生态水泥 正是发展我国循环经济的一个重要组成部分。在我国发展生态水泥必须进一步加 大水泥工业的生态化建设和改造力度，以循环经济和工业生态学原理指导水泥生 产，优化生产工艺，提高生产效率，减少资源和能源输入，力争实现零排放。发 展生态水泥能有效地提高国家资源的承载能力和环境的缓冲能力，不仅会使水泥 工业自身获得持续稳定的发展，也将对国家乃至人类的可持续发展做出积极贡 献。 郑州大学硕，l 学位论文 l 绪论 城市垃圾是城市居民同常生活垃圾、建筑垃圾、医疗垃圾、城市污水处理厂 固体沉淀物( 污泥) 、工业生产废渣等固体废弃物的总称。我国目前城市垃圾大都 只进行堆放和填埋处理，少部分进行焚烧处理。在目前所应用的城市垃圾处理方 法中，利用水泥厂回转窑对城市垃圾进行的一次性无害化处理最为彻底和环保， 既能够比较有效地防止危险废物和放射性废物污染事故的发生，又能替代部分原 燃料，具有较好的社会和经济效益，符合水泥工业可持续发展战略的要求。污水 处理厂污泥在一部分用作肥料之外，大部分也是送往垃圾掩埋厂进行掩埋，污泥 所散发的恶臭以及所含微生物将对环境有致命的杀伤力。 1 1 国内外城市垃圾处理现状 随着全球经济的迅速发展和人口不断向城市集中，生活垃圾对环境所带来 的影响越来越突出，已成为当今世界各国城市所面临的棘手问题之一，引起各国 政府的普遍关注和重视。世界各国城市生活垃圾处理的基本方式主要有：堆放填 埋( 堆肥) 法、垃圾焚烧法、垃圾焚烧发电、近年来逐渐发展成熟的利用水泥厂 回转窑资源化无害化处理法等。根据各国国情不同和垃圾成分的差异，采用的处 理方法各异： 1 1 1 垃圾堆放填埋 垃圾堆放和填埋是目前最广泛的处理固体垃圾的方法，也是比较落后的垃圾 处理方法，发展中国家主要以堆放填埋为主。堆放的垃圾容易产生不良气体，滋 生害虫，造成严重的二次污染；填埋垃圾也只是做到了表面上暂时无害化处理。 一方面垃圾堆放或填埋场占用大量的土地资源，另一方面填埋的垃圾对周围的环 境的水体、土壤仍然有着缓慢的污染影响，特别是一些难以降解的废弃物或者有 毒废弃物无法得到处理，有的垃圾填埋场对地下水资源的污染会持续百年以上。 目前很多垃圾填埋场对地基进行防渗处理，不但这些防渗措施的可靠性问题值得 考究，而且需要耗费巨资，同时又人工的在土壤里加入了永久性的不可降解的物 质。 1 1 2 垃圾焚烧 随着城市人口膨胀，城市周围可用于填埋的场地越来越少，新建填埋场离城 市越来越远，必然大大增加填埋处理运输费用。采用焚烧法处理，垃圾重量可减 2 郑州丈学硕，l 学位论文 少8 0 9 0 ，延长了现有填埋场的使用寿命。垃圾焚烧厂具备完备的环保措施， 可以建在离信住区很近的地方，甚至可以将垃圾焚烧厂建在市中心( 如瑞典、法 国) ，奥地利维也那建在市中心的焚烧厂，我国领导人曾于1 9 9 4 年参观过。垃圾 焚烧厂的使用大大缩短了运输距离，焚烧后安全卫生程度大大提高，可以有效地 防止疾病传播。7 0 年代以后，在工业发达的国家，采用焚烧法处理得到了较快 的发展，且被越来越多的国家和地区采用。垃圾焚烧与各国具体国情有关，目前 德国、法国、英国、挪威等国的焚烧垃圾占总处理量的2 5 3 5 ，而日本、瑞士、 瑞典、丹麦、新加坡因国土较小，焚烧占7 0 8 5 。在我国，目前垃圾焚烧处理 方法逐步得到推广，一般的县级城市陆续建立起垃圾焚烧设施。 然而垃圾焚烧过程中产生排烟污染，主要成分是烟尘、h c i 、s o i 、n o 。以及 呋喃- - 嗯英( 见图1 - 1 ) 等；固体污染物有炉灰、渣、反应生成物以及含有的重 金属如汞、镉等；废水有渗滤水和冲洗废水等。表1 1 为不同国家和地区在垃圾 焚烧处理中二次污染的排放情况。目前在国际上普遍采用的措施是：采用静电除 尘器或布袋除尘器去除烟气中的粉尘颗粒；采用氢氧化钙、氨水、活性碳的干法、 半干法、湿法等烟气净化装黄去除h c i 、s o 。、n o 。、呋喃，二嗯英以及重金属。 表1 1 垃圾焚烧处理中二次污染的排放( m g ，m 3 ) 1 2 1 t a b l e l lt h ee m i s s i o no f s e c o n d a r yp o l l u t a n ti np o l l u t a n ti n c i n e r a t i o nd i s p o s a l 3 郑州人学硕上学位论文 衅：棘 p ( = d dp c d f 图1 1 二嗯英和呋喃的分子结构 f i g l lt h e s t r c t u r eo f p c d da n dp c d f 焚烧法在一定程度上能够实现城市生活垃圾的减量化、无害化、资源化，而 且具有占用土地资源少的优点。但是，建厂投资高，设备比较复杂，为保证正常 燃烧，在不添加辅助燃料的情况下要求垃圾低位热值 8 0 0 k j k g 等缺点，使一些 城市在应用上受到限制。同时，垃圾焚烧后的烟尘处理需要大量的投资，特别是 焚烧后的废渣仍然需要进行消化与处理。 1 1 3 垃圾焚烧发电 近1 0 年来，随着经济发展，城市垃圾成分发生很大变化，纸和塑料等可燃 物在城市垃圾中的比例增加，垃圾热值明显提高，例如同本6 0 年代垃圾热值约为 8 0 0 1 0 0 0 k j k g ，现在已达到2 0 0 0k j k g ：我国的上海、深圳和珠海等沿海城市生 活垃圾热值现在为1 0 0 0 - - 1 5 0 0k j k g ，为采用垃圾焚烧资源化利用技术创造了条 件。近年来，国内不少城市投入巨资，陆续上马了垃圾焚烧发电项目，河南的郑 州、洛阳、许昌等地都已经投入使用。但由于对用于发电的城市垃圾的热值有严 格的要求以及其它技术问题没有得到很好解决，垃圾发电系统的实际运转效率还 有待提高。 图1 - 2城市垃圾发电技术示意图1 3 】 f i g1 - 2t h es c h e m eo f u r b a np o l l u t a n tp o w e rt e c h n o l o g y _ 1 _ i j 4 郑州大学硕士学位论文 图l - 2 为利用城市垃圾发电技术示意图。垃圾焚烧发电比单纯的垃圾焚烧处 理多回收了部分能源，是近几年正在推广应用的一项比较新颖的技术。但是，垃 圾焚烧发电厂造价比较高，一次投资需要2 亿元人民币以上，对于烟尘的处理也 需要专门的处理装置，同时，垃圾焚烧发电仍然产生了固体炉渣排放物，造成了 二次污染。 以上所述的垃圾堆放掩埋、垃圾焚烧和垃圾焚烧发电，都会产生二次排放的 废渣，不但会占用宝贵的土地资源，对当地大气环境和水环境造成潜在的污染， 而且需要进行进一步进行无害化处理。 1 2 水泥工业利用废弃物的主要途径及问题 水泥工业包括混凝土业，利用废弃物主要有以下几个途径【4 j 。 将废弃物以二次原料或二次燃料的形式在水泥窑上煅烧熟料。 将废弃物以混合材的形式掺到熟料中磨制成水泥。 作为配制混凝土的集料和细粉填充料建造成各种构筑物。 利用水泥回转窑焚烧危险废弃物。 用水泥封固危险废弃物。特别是有放射性的废弃物。 然而水泥工业在利用废弃物方面不是万能的，不是什么废弃物都可以随便利 用，这是一个新的科技领域，有许多问题需要清楚回答和解决。 水泥工业排放的污染物主要为粉尘、有害气体和有害微量元素，首先应清 楚水泥工业自身即在利用天然原料和燃料时这些污染物的排放量有多少，是否超 过有关规定，有多大“潜力”可挖。 各种与环保有关的危险物在各水泥窑中的状念特性和反应机理是什么，以 便正确预测这些危险物的去向和数量。 这些危险物对生产工艺、污染排放和产品质量有什么影响，在不影响生产 工艺和在污染排放限量及产品质量允许的前提下，水泥窑能承受的最大量是多 少。 根据以上分析确定水泥窑能处理哪些废弃物，最高限量多少，采用什么方 式利用最合适，如由什么温度区加入最好，是利用废弃物还是销毁处理废弃物。 对废弃物预处理，包括运输、储存方面的要求是什么。 环保监测方法、手段和仪器，水泥及混凝土在环保方面的测试方法和标准 郑州人学硕士学位论文 及如何评价。 一 相关废弃物对生产工艺的特殊要求，如窑型、生产方法及产品应用工艺等。 相关的法规、规范、标准等必须遵守。 针对废弃物在水泥熟料煅烧过程中所起的不同作用，水泥回转窑处理废弃物 的工艺过程目前主要有三种方式1 5 1 - 7 1 ： ( 1 ) 焚烧炉的废弃物焚烧灰做水泥原料的水泥工艺过程，城市垃圾焚烧灰的 水泥原料化是一种将从城市垃圾焚烧炉等处产生的二次废弃物一焚烧灰( 残灰、 飞灰) 中的异物或氯除掉，使其成为水泥原料的一个组成部分的再利用系统； ( 2 ) 废弃物既做水泥原料又做燃料的直接焚烧废弃物的水泥工艺过程； ( 3 ) 把部分有胶凝性的工业废弃物和某些废弃物焚烧灰作为辅助性胶凝材料 即水泥混合材。 以水泥原料方式处理废弃物焚烧灰时采用的水泥工艺过程见图1 3 。 图1 3 以水泥原料方式处理废弃物焚烧灰时采用的水泥工艺流程简图 f i g l 3t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f c e m e n tt r e a t i n gh i w a s h a sc e m e n tr a wm a t e r i a i s 利用废弃物替代部分原料以及燃料的水泥工艺过程见图l _ 4 。一般来讲，各 个生产企业根据自己的实际情况并结合各生产工序设备情况，采用不同的加料方 式。 图l - 4 利用废弃物替代部分原料及燃料的水泥工艺流程简图 f i g l - 4t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f c e m e n tt r e a t i n gh i w 8 sl a wm a t e r i a l sa n df u e l sd i r e c t l y 6 郑州人学硕i ：学位论文 1 3 国外环保水泥生产实例 日本太平洋水泥株式会社嗍是较早开展在水泥厂内进行垃圾资源化利用的 水泥企业，目前已经拥有比较成熟的设备及生产工艺。其中a k 系统不失为处理 污泥的一种有效途径。 环保水泥是一种将焚烧我们的生活垃圾时产生的燃渣( 残灰和飞灰) 及污泥 等废弃物作为主要原料的新型水泥。所谓a k ( a p p l i e dk i l n ) 系统，是指将家庭排 放的垃圾或事业单位排放的一般垃圾通过“垃圾资源化窑”进行发酵处理，使之成 为水泥的原料及燃料的一部分，进而进行再利用的系统。 把水泥回转窑等原本服务于基础产业的设施活用于城市废弃物处理之际，必 须就下述与废弃物收集体系相关联的政策法规加以完善【8 】，处理流程如图1 7 。 1 将原生垃圾等废弃物与污水污泥一同收集处理，可使之脱水( + 干燥) ，作 为水泥回转窑等设施的燃料。 2 将城市垃圾作为水泥生产等基础产业的燃料。可使之生成可燃气体，作为 燃烧器等器具的燃料。 这样的话，可使环保和节能一举两得。同时，这个技术可广泛适用于各类服 务于基础产业的设施，并非仅仅局限于水泥回转窑，也可适用于现存的锅炉以及 用于造纸工艺的石灰回转窑。 7 郑州大学硕士学位论文 经过3 天的需氧性发酵 处理、城市垃圾中的有 机物就会变成泥土状 图1 5 水泥厂实景 f i g l 一5t h es c e n e r yo f c e m e n tp l a n t 通过优异的物理性搅拌， 再将垃圾投入垃圾资源化 窑，1 天左右则会出现细片 化现象 图1 - 6a k 系统 f i g1 - 6a p p l i e d 础l i ls y s t e m 8 郑州人学硕i ：学位论文 图1 7 推荐技术 f i g l 一7t e c h n o l o g y r e c o m m e n d a t i o n 1 4 郑州市城市污泥处理现状 污水处理厂是减少水体污染、清洁城市人居环境的一个重要关口，但是由 于技术所限，它在处理污水的同时，自身也会产生污泥。污泥是污水处理后的附 属品，是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均 质体【9 】。城市污水进入污水处理厂后，首先经过粗细格栅将其中的固体杂质过滤 掉，然后进入暴气沉沙池，沉淀2 4 小时后，水中杂质沉到底层，形成污泥，经 过沉淀的水再进入生化池，水中的有机物、重金属等杂质经过生物分解，继续浓 缩沉淀，产生另外一种污泥。两种污泥混合之后就成为污水处理产生的、含水量 为9 9 6 的污泥。在车间里，该污泥通过浓缩机和脱水机的处理，含水量降为 8 0 ，最终成为可以填埋的污泥。 郑州市共有三座污水处理广一王新庄厂、五龙口厂和马头岗厂【9 】。若三个 处理厂都正常运行，郑州市一年的污泥产生量将有1 6 万吨左右，而目前唯一的 处理办法仅仅是运至郑州西部的小刘庄垃圾场进行填埋。1 6 万吨污泥会给郑州 带来怎样的危害呢? 具体来说，污泥含盐量较高，会破坏植物养分平衡、抑制植 9 郑州大学硕士学位论文 物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接的伤害。污水中的病原体( 病原微生 图1 - 8 郑州市污水处理厂产生的沉淀污泥 f i g1 - 8s e d i m e n t a t i o ns l u d g ei ns e w a g et r e a t m e n tp l a n ti nz h e n g z h o u 图1 - 9 郑州市污水处理厂每天超过1 5 0 吨污泥外运 f i g l 一9o v e r1 5 0t o n st r a n s p o r t e do u te v e r yd a y i n s e w a g et r e a t m e n tp l a n ti nz h e n g z h o u 物和寄生虫) 会进入污泥。新鲜污泥中检测得到的病原体多达千种，其中危害较 大的是寄生虫，它会造成一些潜在疾病的流行。在污水处理过程中，7 0 9 0 的 重金属元素通过吸附或沉淀而转移到污泥中。重金属是限制污泥大规模土地利用 1 0 郑州大学硕士学位论文 的重要因素，因为污泥施用于土壤后，重金属将积累于地表层。另外重会属一般 一溶解度很小，性质较稳定，难除掉，所以其潜在毒性易于在作物和动物以及人类 中积累。此外，在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用污泥后，还会引起 地下水的污染。郑州市用于填埋污泥的小刘庄垃圾场，由于没有地下防渗措施， 不可避免地会对地下水造成污染，也将对郑州市民的健康产生重大威胁。 有研究表吲嘲，污泥含有较高的烧失量，去除烧失量其化学成分接近于粘土 质原料，所以从成分上分析污泥可部分替代粘土质原料。水泥窑具有处置污泥数 量大、投资少、炉内气体温度高、物料在窑内停滞时间长、自净化程度高、二次 污染少，处理彻底等优点。熟料煅烧工艺中不含有残渣产生，如果将污泥掺入水 泥生料中经粉磨混合入水泥窑煅烧，经过烧成带的高温煅烧，物料在窑内进行液 相和固相反映，重金属元素被固定在熟料矿物的晶格内，那么污泥经水泥窑处理 烧结，水泥经水化硬化成为水泥石，再进行浸出毒性鉴别，浸出液中重金属含量 极小，符合国家标准g b5 0 8 5 3 1 9 9 6 。水泥的最终产品是混凝土，混凝土组分中 的重金属是被固定的，因而是不能移动的，污泥中的重会属经水泥进入混凝土存 在于水化水泥一硬化水泥浆体或混凝土的空隙水中。因为硬化水泥浆体有极大的 束缚重金属的能力，所以重金属极少能从混凝土中释出。此外由于混凝土致密的 孔结构对扩散有很大的阻力，有力地阻止了溶解在硬化水泥浆体空隙中重金属的 释放。因此，混凝土组分中的重金属不会影响环境。同时，脱水污泥中的大量细 菌、螺卵、大肠杆菌等物质经水泥窑内高温煅烧后，被彻底消除，水泥窑又起到 了高温杀菌的作用。 污泥的燃烧是一个比较复杂的过程l j ，它主要包含挥发份和固定碳的焚烧， 并且有害气体的分解也伴随着燃烧反应同时进行。在实际的焚烧过程中，由于污 泥中水的脱除是个强烈吸收热量的蒸发过程，往往在较高的水含量下容易引起局 部的温度的急剧降低，从而对污泥的着火造成不利的影响。污泥焚烧过程中随着 挥发份的释放进行着固定碳的焚烧。 根据有关资料所进行的不完全统计【控】，郑州市近年来用于处理城市垃圾的固 定投资累计超过了5 6 亿元，而且仍然不能满足城市垃圾逐年增加的需要，现在 本市每年用于处理城市垃圾的维持运行费用超过2 0 0 0 万元。尽管采用了比较先 进的城市垃圾处理技术和严格的管理措施，但郑州市目前的几种处理方法，仍然 郑州人学硕l 学位论文 无法从根本上消除空气污染、地下水污染、废渣污染等比较沉重的环境负担，难 以达到清洁生产的要求，离生态化城市发展目标的要求还有一定的距离。上述各 种论据表明：城市污泥无论用什么方法处理，最好的归宿依然是在水泥厂内进行 无害化处理。 1 5 城市污泥中重金属处理问题 重金属z n 、c u 、h g 、c d 、p b 、a s 、c r 【1 3 】等是我国第一批立法颁布的重点 控制污染物。重金属的毒性与重金属的种类、浓度、化学形态、价态等因素有关。 污泥是一种复杂的多相体系，主要由有机质、c d 、c r 、c u 、f e 、n i 、z n 氧化物及 次生粘土矿物组成，这些组分对进入其中的重金属离子有很强的吸附作用，致使 进入水体的重金属污染物绝大部分积聚于沉积物中1 3 , 1 4 。农林处置是污泥最终处 置中的一种重要方法。当污泥施用于农林业时，会引起土壤污染。重金属元素及 其化合物是不能或很难降解的化学物质。进入土壤后的重金属一般很难去除，可 能会通过植物吸收或渗滤作用渗入到地下水中而危害人体的健康。因此，选择合 适的方法来处理污泥中的重金属是至关重要的。 根据国家计划，到2 0 1 0 年我国城市污水处理率将达到4 0 5 0 9 6 【1 4 j 。污泥处 理费用高昂，不当的处理易对环境产生新的污染，我国污泥处理处置将面临严峻 的挑战。由此可见，有必要确定污泥中重金属对环境的影响程度以及重金属的处 理方法。 目前对污泥中重金属固化的基本方法有： ( 1 ) 钝化方法【1 5 l 。通过向堆体中加入钝化剂，如粉煤灰、磷矿粉、沸石和草炭 等，来吸收堆体中的重金属，使重金属的有效念减少。( 2 ) 溶液清洗法。该法首先 通过溶解作用，然后进行淋滤、氯化作用、离子交换作用、酸化作用、螯合剂和 表面活性剂的络合作用，均可使难溶的金属化合物形成可溶解的金属离子或络合 物。( 3 ) 等离子体电镀法。等离子溶解和电镀法被广泛和有效地应用于废物的处 理，r a m a c h a n d r a n 等尝试用如下的装置，将电镀污泥( 粒径 2 0 ) ，f - c a o 含量 有增大的趋势，可以认为矿生料配方为最佳配方。 ( 2 ) 由于c 3 s 和c 2 s 的衍射峰在很大程度上是重合的，在1 3 5 0 ( 2 下通过对c 3 s 特征峰的分析可以发现三种熟料均有一定量的c 3 8 生成。熟料岩相分析显示，在 此温度下，有发育良好的a 矿出现，部分a 矿内部出现中间相包裹体，这与煅 烧温度低、冷却速度慢都存在一定的关系。可见掺烧适量污泥后，熟料主要矿物 相的形成温度有降低的趋势。 ( 3 ) 在1 4 5 0 c 下煅烧的2 0 配方均符合f - c a o a _ 1 o 的生产要求。掺烧污泥烧 成的熟料矿物楣的形貌及组成与硅酸盐水泥没有明显区别，即掺烧污泥在实验室 条件下可以生产出合格的水泥熟料。 2 影响强度的因素相当复杂，水化产物的形貌、表面结构以及生长的情况 等成为使强度产生差异的个原因。一般，容易相互交叉的纤维状、针状、棱柱 状或六方板状等水化产物所构成的浆体强度较高。通过实验可以得出以下结论： ( 1 ) 掺烧污泥的3 8 、4 8 水泥各项主要性能均符合国家标准。掺加适量污泥不但 没有增加熟料煅烧的难度和降低水泥强度，反而在一定程度上具有促进作用，根 据煅烧理论分析，污泥中的重会属元素在熟料矿物形成过程中起到了一定的矿化 剂和助熔剂的作用，这是掺烧污泥煅烧的水泥熟料强度较高的原因之一。这为进 郑州人学硕1 ：学位论文 一步工业化处理污水处理厂污泥提供了一定的依据和参考经验。 ( 2 ) 通过对矿水泥和参比水泥的3 d 、7 d 、2 8d 水化产物断面的s e m 观察，可 以在不同阶段观察到各矿物相水化的进程，以及水化产物的生长情况。随着龄期 的增加，各水化产物生长发育良好，可以清楚地观察到不同形貌的c s h 凝胶、 板状c h 以及针棒状钙矾石。说明水泥水化充分，发育正常，水化产物结构致密， 与参比水泥没有明显区别。 3 所研究重金属元素在模拟煅烧条件下的固化率分别为：c u8 9 ，3 ；z n 8 8 o ；p b9 0 1 ；c r9 3 ，9 ；掺烧污泥水泥熟料对重金属元素的固化率与工 况条件下正常生产的熟料固化率相当；污泥中重金属元素的存在形态会影响其在 熟料中的固化率；2 8 天水化产物中p b 、c r 的固化率较其他固化方式高。 6 2 展望 通过实验室的研究工作，我发现水泥的生产是一项庞大而细致的工程，每一 项环节都可能对水泥产品的性能产生巨大的影响。随着实验的进展，我越来越强 烈的感觉到利用水泥回转窑处理污泥是资源化无害化利用污泥的最好方法，但是 在处理污泥的过程中，重金属元素在实际回转窑系统、熟料煅烧过程中的作用和 行为，以及混凝土制品中重金属元素的浸出行为还需要我们做大量的工作，在现 有研究的基础上，进一步完善并规范生产。 利用水泥工业处理废弃物是资源化无害化利用废物的一种全新的废弃物处 理方式，同时也是在时代的发展过程中为水泥工业提供了新的发展契机。大规模 地利用废弃物生产水泥，并且在全国推广开来，需要研究人员更加深入地进行实 验室研究，参照国外已经取得的经验成果的同时结合我国城市发展现状，制定相 应的方法和准则，以推动水泥工业利废事业的迅速发展。 郑州大学硕l ：学位论文 参考文献 【l 】张人为循环经济与中国建材产业发展中国建材，2 0 0 3 ( 1 0 ) 【2 】刘大伟，李伟光，夏术军城市垃圾焚烧处理中二次污染的防治工业锅炉，2 0 0 0 ( 3 ) 【3 】李国刚，齐文启城市垃圾及其它有害废物的焚烧处理技术现状与展望中国环境检 测，1 9 9 6 ( 1 2 ) 【4 】乔龄山水泥厂利用废弃物的有关问题( 一) 水泥，2 0 0 2 1 0 5 r y u n o s u k e , k i k u e h r e c y c l i n go fm u n i c i p a ls o l i dw a s t ef o rc o m e r i tp r o d u c t i o n ：p i l o t - s c a l e t e s tf o r w a n s f o r m i n gi n c i n e r a t i o na s ho fs o l i d w a s t ei n t oc e m e n tc l i n k e r r e s o u r c e s ， c o n s c x v a t i o na n d r e c y c l i n g ，2 0 0 1 ，3 1 ( 1 ) ：1 3 1 4 7 【6 】c a s i k a l i d i s ，a a z a b a n i o t o u ，s p f a m d l o s u t i l i z a t i o no f m u n i c i p a ls o l i dw a s t ef o r m o r 瞰p r o d u c t i o n r e s o u r c e s , c o n s e r v a t i o n a n d r e c y c l i n g ，2 0 0 2 ，3 6 ( 1 ) ：1 5 5 1 6 7 【7 1 m 九t r e z z a ，a n s c i a n b u r n i n gw a s t e sa si n d u s t r i a lm * s o u r c et h e i re f f e c to np o r t l a n d c e m e n tc l i n k o r c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h 2 0 0 0 3 ( 1 ) ：1 3 7 - 1 4 4 【8 】日本水泥c 业节能和环保技术介纲会资料汇编，2 0 0 7 0 3 f 9 】问化庄，郑松波省会何时建污泥处理厂人河报，2 0 0 5 1 1 2 5 。 【1 0 】马勇，郁卫华水泥窑处理污水厂污泥的应_ h | 技术上海水泥厂 【l l 】李俊峰，贺军，肖家云利用现代化同转窑水泥厂处理i ：业和城市生活垃圾环境i ： 程，1 9 9 7 ( 8 ) 【1 2 】张衍国，吕俊复国内外城市垃圾能源化焚烧技术发展发展现状及前景环境保 护1 9 9 8 ( 7 ) 【1 3 】孙颖，陈玲等测定城市生活污泥中重金属的酸消解方法研究环境污染与防 治2 0 0 4 ( 6 ) ：1 7 0 1 7 2 【1 4 1 陈同斌，黄启飞等中国城市污泥的重金属含量及其变化趋势环境科学学报，2 0 0 4 ( 6 ) ： 5 6 1 - 5 6 8 【1 5 】李端，周少奇等城市污泥的重金属生物活性及其控制环境污染治理技术与设 备, 2 0 0 3 ( 6 ) ：6 0 - 6 4 【1 6 1 华玉妹，陈英旭等污泥中重金属的无害化技术冲国沼气 2 0 0 5 2 3 ( 1 ) 【1 7 1 胡芝娟，沈序辉等污泥在水泥窑上的无害化资源化处理节能利废 【1 8 】杨学权，蔡玉良，邢涛等城市垃圾减容化和资源化的一种有效途径( 上) 中国水 郑州人学顾l ：学位论文 泥，2 0 0 3 ( 3 ) 【1 9 】张大康生料熟料率值稳定性若干影响因素的定量分析水泥，2 0 0 6 0 5 【2 0 徐仁冰泥熟料中游离氧化钙的测定 1 2 1 管宗甫，陈益比，秦守媛杂质离子对硅酸盐水泥熟料烧成影响的研究进展硅酸盐学报， 2 0 0 3 ，3 1 ( 8 ) ：7 9 5 - 8 0 0 【2 2 1 s n 戈什，水泥技术进展，杨南如、闵盘荣等译中国建筑。l ：业出版社，1 9 8 6 ：1 5 1 7 【2 3 黄其秀镧系元素微量组分对水泥熟料矿物形成的影响材料科学与，i ：程，1 9 9 8 ，4 ：5 1 5 4 【2 4 】p b a r n e s 等水泥的结构和性能炅兆琦等译中国建筑工业出版社，1 9 9 1 ：1 1 4 - 1 2 1 【2 5 施惠生，生态水泥与废弃物资源化利用技术化学+ 【：业出版社2 0 0 5 【2 6 】d s t e p h a n ，h m a l e k i i n f l u e n c eo f c r , n i ，a n dz no i lt h ep r o p e r t i e so f p u r ec l i n k e rp h a s 档 p a r tic 3 s c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h 1 9 9 9 2 9 ( 3 ) ：5 4 5 - 5 5 2 【2 7 v v s u b b ar a n , i c c n a r a n g p o t e n t i a lo fm a k i n ga c t i v eb e l i t ec e m e n tw i t hc h r o m i u m o x i d e 稿m o d i f i e r z e m e n t - k a l k - g i p s 1 9 8 7 6 ：4 0 - 4 4 【2 8 1 3 6n i c k a t y a l ，s c a h l u w a l i a , r p a r k a s h e f f e c to fc r 2 0 3o nt h ef o r m a t i o no fc 3 si n 3 c a o ：s i 0 2 ：x c r 2 0 3s y s t e m c e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h 2 0 0 0 ，3 0 ( 5 ) ：1 3 6 1 1 3 6 5 【2 9 童大懋，余其俊，王善拔水泥熟料中铬离子的x p s 和e s r 研究硅酸盐学报，1 9 8 8 ， 1 6 ( 8 ) ：3 7 0 - 3 7 5 【3 0 沈威，黄文熙，闵盘荣冰泥一i ：艺学北京：中国建筑i ：业出版社，1 9 8 6 【3 l 】邵国有硅酸盐岩相学武汉i ：业人学出版社2 0 0 3 ， 【3 2 】周志朝无机材料显微结构分析浙江大学出版社，1 9 9 3 3 3 】王岩，林伦硅酸盐水泥熟料的光学显微结构特征的研究，天津城市建设学院学 报2 0 0 2 0 6 【3 4 t a s h i r oc t h ee f f e c t so f c r 2 0 3 ，c u ( o h ) 2 ，z n oa n dp b o o nt h ec o m p r e s s i v es t m g t ha n dt h e h y d r a t e so f t h eh a r d e n e dc 业p a s t e c e m e n ta n dc o n c r e t er e s e a r c h ，1 9 7 9 ，9 ( 2 ) ：2 5 3 2 5 8 【3 5 s t e p h e nd ，m a l im n n k n o f e l d ，e ta 1 h i g hi n t a k e so f c r , n ia n dz ni nc l i n k e r ： p a r t i ，i n f l u e n c e o n t h e h y d r a t i o n p r o p e r t i e s j c e m c o n c r r e s ，1 9 9 9 ，2 9 ( 1 2 ) ：1 9 5 9 - 19 6 7 3 6 s t e p h e nd ，m a l l m a n n k n i f e ld ，e ta 1 h i g hi n t a k e so fc r , n ia n dz ni n c l i n k e r ；, p a r d i ，i n f l u e n c eo i lb u r n i n gp r o c e s sa n df o r m a t i o no fp h a s a s 【j 】c e mc o n c r r e * ，1 9 9 9 ，2 9 ( 1 2 ) ：1 9 4 9 - 1 9 5 7 【3 7 s t e