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浙江大学硕士学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 摘要 所谓生态水泥，最基本的特征是利用工业废弃物来制备水泥，以达到降低废弃物处理 负荷、节省资源能源、达到与环境共生的目的。污泥是当今最大宗的工业固体废弃物之一， 如何利用污泥来制备生态水泥，是当今材料和环保领域的重大课题。本文在室内研究的基 础上进一步对污泥在水泥生产过程中协同处理的技术进行了研究，充分发挥水泥生产工艺 和设备的特点，利用污泥来制备水泥熟料，并且制备的生态水泥具有环境友好的特点。 本文主要研究利用污泥配料烧制水泥熟料，在实验室内进行不同煅烧温度、不同污泥 掺量和不同k h 配料烧制水泥熟料的试验，并通过化学分析、宏观性能测试以及x r d 、 s e m 微观分析，研究了污泥对水泥生料易烧性、熟料矿物形成、水化、强度、凝结时间 等性能的影响规律，同时，研究了掺污泥熟料的重金属固化情况。结果表明：( 1 ) 游离 氧化钙分析显示煅烧温度为1 4 0 0 时熟料烧成最好，少量污泥的加入在不同温度下都改 善了熟料的易烧性；以适量的污泥替代水泥原料配料，对生料易烧性有一定的改善作用，在 污泥掺量为2 5 时，改善易烧性的作用最为明显。( 2 ) x r d 、s e m 分析表明掺入污泥 对于熟料的主要矿物组成没有明显的影响，但是加速了水泥的早期水化。( 3 ) 以适量的 污泥替代水泥原料，对水泥熟料的强度影响不大或强度有所提高，凝结时间正常。在k h 较高的情况，掺入污泥对提高熟料强度较为有利，尤其是对早期强度的提高较为明显。( 4 ) 水泥对污泥中的重金属具有较好的固化作用。( 5 ) 利用污泥配料，当污泥掺量在 2 5 4 ( 湿污泥8 1 3 ) 时，生料易烧性、熟料强度都较好。( 6 ) 从水泥生料易烧性、熟 料强度看及熟料中重金属溶出情况看，只要生料率值合理和污泥掺量合适，污泥可以在水 泥生产中得到无害化处置和资源化利用。 本文又在室内研究的基础上，在日产5 0 0 0 吨新型干法窑水泥熟料生产线上，进行了 污泥烧制水泥熟料的生产试验，结果表明：( 1 ) 利用日产5 0 0 0 吨新型干法水泥熟料生 产线对污泥进行资源化处理和利用，污泥的处理量可达3 1 0 吨天，并且对环境没有不利 影响。( 2 ) 利用新型干法水泥生产线对污泥进行资源化利用，不需要增加专门的污泥烘 干设备或新的热源，不影响窑的台时产量，熟料的煤耗下降2 5 左右。( 3 ) 利用污泥替 代部分水泥原料烧制的水泥熟料，熟料强度有所提高，2 8 天抗折强度达到9 0 m p a 左右， 抗压强度达到6 0 0 m p a 左右，凝结时间正常。 利用污泥生产生态水泥不仅使污泥中的有害物质分解或者固化，达到了污泥无害化处 i i 浙江大学硕士学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 理的目的；而且替代了水泥生产过程中的部分原料、燃料，达到了污泥资源化利用的目的。 总而言之，通过本文的研究表明，污泥在水泥生产过程中进行协同处理，技术上可行，可 以实现污泥的无害化处置和资源化利用，有一举多得的效果，具有良好的社会效益和经济 效益。 关键词：污泥；生态水泥；易烧性；强度；重金属溶出；工业试验 i i i 浙江大学硕士学位论文 利用污泥制备生态水泥的初步研究 a b s t r a c t e c o c e m e n t , o fw h i c ht h em o s tf u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i ci su s i n gi n d u s t r i a lw a s t e sf o r p r o d u c t i o n ，c a l lm i n i m i z ew a s t e sd i s p o s a lc a p a c i t ya n ds a v ee n e r g yr e s o u r c e st ob er e c i p r o c a l w i t ht h ee n v i r o n m e n t s l u d g ei so n eo ft h el a r g e s ti n d u s t r i a ls o l i dw a s t e s ，s oh o wt om a k eu s eo f i tt o p r o d u c te c o c e m e n t ，i sav e r yi m p o r t a n ti s s u ei nt h ef i e l do fb o t hm a t e r i a ls c i e n c ea n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fl a b o r a t o r i a le x p e r i m e n tw er e s e a r c h e d t h ec o o p e r a t i v ep r o c e s s i n go fc e m e n tp r o d u c t i o nu s i n gs l u d g e ，m a k i n gf u l lu s eo ft h ef e a t u r e so f c e m e n tp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t ，a n du s e ds l u d g et op r e p a r ec e m e n tw h i c hi s f r i e n d l yw i me c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , s l u d g eu t i l i z a t i o nf o re c o - c e m e n tp r o d u c t i o nw a ss t u d i e di nt h el a b o r a t o r y , t h e p r o p e r t i e so fc e m e n tc l i n k e rp r o d u c e dw i t hd i f f e r e n tc a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e s ，w i t hd i f f e r e n t s l u d g e c o n t e n ta n dd i f f e r e n t i n g r e d i e n t sw e r et e s t e db yc h e m i c a la n a l y s i s ，m a c r o s c o p i c p r o p e r t i e st e s t i n g ，a sw e l la sx r d ，s e mm i c r o s c o p i ca n a l y s i st os t u d yt h ee f f e c to fs l u d g eo n t h eb u m a b i l i t yo fc e m e n tr a wm e a l ，t h ef o r m a t i o no fc l i n k e rm i n e r a l s ，h y d r a t i o n , s t r e n g t h ， s e t t i n gt i m ea n do t h e rp r o p e r t i e s ，a n dt h es o l i d i f i c a t i o no fh e a v ym e t a li n c l i n k e rw a s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h ef - c a oc o n t e n tt e s ts h o w st h ec l i n k e ri sb e s ts i n t e r e d a t14 0 0 a n dt h ea d d i t i o no fas m a l la m o u n to fs l u d g eh a v ei m p r o v e dt h eb u r n a b i l i t yo fc l i n k e r c a l c i n e da ta l ld i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ；t h er e p l a c e m e n to fp r o p e ra m o u n to fs l u d g ei nc e m e n tr a w m a t e r i a li m p r o v et h eb u m a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ei m p r o v e m e n ti nt h es l u d g ec o n t e n to f2 5 i s m o s to b v i o u s ( 2 ) x r d ，s e ma n a l y s i ss h o w st h a tt h ee f f e c to ft h ei n c o r p o r a t i o no fs l u d g eo n t h em a i nm i n e r a lc o m p o s i t i o no fc l i n k e ri sn o to b v i o u s ，b u ti ta c c e l e r a t e st h ee a r l yh y d r a t i o no f c e m e n t ( 3 ) t h er e p l a c e m e n to fp r o p e ra m o u n ts l u d g ei nc e m e n tr a wm a t e r i a l sd o e s n ts p o i lt h e s t r e n g t ho fc e m e n t ，a n dt h es e t t i n gt i m ei sn o r m a l ( 4 ) h e a v ym e t a li sm o s t l ys o l i d i f i e di n c e m e n t ( 5 ) w h e nt h es l u d g ec o n t e n to f2 5 - 4 ( 8 - 13 w e ts l u d g e ) ，t h er e p l a c e m e n to f s l u d g ei sb e n e f i c i a lt ot h eb u r n a b i l i t yo fr a wm a t e r i a la n dm o r t a rs t r e n g t h ( 6 ) a c c o r d i n gt or a w m e a lb u m a b i l i t y , m o r t a rs t r e n g t ha n ds o l i d i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l s ，a sl o n ga st h ei n g r e d i e n t so f r a wm a t e r i a l sa n dar e a s o n a b l er e p l a c e m e n ta m o u n to fs l u d g e ，u s i n gs l u d g ef o re c o c e m e n t p r o d u c t i o nc a l lb et h es a f ed i s p o s a la n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n 浙江大学硕十学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h es t u d i e si nl a b o r a t o r y , i n d u s t r i a lt r i a l so na5 0 0 0t dn s p c e m e n tp r o d u c t i o nl i n ew e r ec o n d u c t e d ，t e s tr e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) u s i n gt h e5 0 0 0t dn s p c e m e n tp r o d u c t i o nl i n e ，t h ed i s p o s a lc a p a c i t yo fs l u d g ec a nb eu pt o310t d ，a n dt h e r ei sn o a d v e r s ei m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ( 2 ) t h eu s eo fn e wd r yc e m e n tp r o d u c t i o nl i n ef o rs l u d g e u t i l i z a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o do fs a v i n ge n e r g ya n dr e s o u r c e s ，s i n c ei tn e e d n ta n ya d d i t i o n a l s p e c i a le q u i p m e n to ran e ws l u d g ed r y e r , a n dd o e sn o ta f f e c tt h eo u t p u to ft h eh l l l m o r et h a n t h a tt h ec o a lc o n s u m p t i o na l s od e c l i n e sa b o u t2 5 ( 3 ) u s i n gs l u d g et op r o d u c ec e m e n t ，m o r t a r s t r e n g t ho ft h ec e m e n ti n c r e a s e s ，t h e2 8 - d a yb e n d i n gs t r e n g t hr e a c h e sa b o u t9 0 m p a , t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t h6 0 0 m p aw i t ht h en o r m a ls e t t i n g t i m e u s i n gs l u d g et op r o d u c te c o - c e m e n td o e sn o to n l yd e c o m p o s eo rs o l i d i f yt h eh a r m f u l s u b s t a n c e sc o n t a i n e di ns l u d g ea sas l u d g et r e a t m e n tm e t h o d ，b u ta l s or e p l a c e sp a n so fr a w m a t e r i a l sa n df u e l sa sa ne f f e c t i v em e t h o do fs a v i n ge n e r g ya n dr e s o u r c e s a l li na l l ，s t u d yt e s t s h a v es h o w nt h a t ，t h ec o o p e r a t i v ep r o c e s s i n go fc e m e n tp r o d u c t i o nu s i n gs l u d g ei st e c h n i c a l l y f e a s i b l ea n dc a na c h i e v et h es o u n do fs l u d g ed i s p o s a la n du t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s t h e r ea r e m u l t i p l ep u r p o s e so ft h er e s u l t s 、衍t hg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：s l u d g e ，e c o - c e m e n t ，b u m a b i l i t y , m o r t a rs t r e n g t h ，h e a v ym e t a l ，i n d u s t r i a lt e s t v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蘸谩 签字目期：少q年? 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎姿态堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名：写，彳省星 签字日期：年月 日 签字日期：0 d d9 年9 月 浙江大学硕士学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 致谢 本论文是在陈胡星老师的悉心指导下完成的。在研究生期间的生活和学习科研上，老 师给我提出了很多的宝贵意见，不时地启发和鼓励我，使我能完成学业。老师不仅在学习 科研上孜孜不倦地指导我，而且在为人处事上给我指点出需要加强改进的地方，在我遇到 困难的时候十分耐心地开导我，使我度过了心理上的一个低潮、难关，在以后的工作和生 活中，我会牢记老师的谆谆教诲，向自己期望的目标踏实前进。老师在科研上广播的视野、 丰富的学识和富有启发性的指导，使我受益匪浅；老师求是严禁的学术作风，让我知道做 研究的人应该具有的素质。此论文完成之际，向老师致以最高的敬意以及衷心的感谢。在 以后的人生路上，在遇到坎坷时，在彷徨踌躇之际，我会记起老师的教诲，告诉自己克服 困难在人生的路途上向着自己的目标踏实前行。 感谢我的父母，你们的养育之恩和一直以来不断的鼓励我会时刻记在心底；感谢实验 室的蔡师傅，给我在实际的实验操作上很多的指导和很大的帮助；感谢马师兄，在课题和 理论方面给予我很多指导和启发；感谢学院的王东老师、沈通老师、刘金芳老师和王艳华 老师以及各位老师，在研究生期间给与我很大的帮助；感谢蒋老师以及帮我做过测试的相 关老师。 宝志强 2 0 0 9 年8 月于求是园 浙江大学硕士学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着我国社会经济的不断发展和城市化进程的不断推进，城市污水的产生量将不断增 长。2 0 0 7 年，全国废水排放总量为5 5 6 8 亿吨，比上年增加3 7 。其中，工业废水排放 量为2 4 6 6 亿吨，占废水排放总量的4 4 3 ，比上年增加2 7 ；城镇生活污水排放量为 3 1 0 2 亿吨，占废水排放总量的5 5 7 ，比上年增加4 6 t 1 1 。由于公众环境保护意识的不 断加强和国家对水环境污染治理力度的逐步加大，大量的污水处理设施己经或将要投入使 用，污水总处理量的提高、处理程度的深化以及处理效率的提升，必然导致污泥的产生量 有非常大的增长。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量( 干重) 大约为4 0 0 万吨，并以年增长率1 0 左右的速率增长。根据我国建设部和国家环保总局的规划要求 2 1 ， 到2 0 1 0 年全国设市城市和建制镇的污水平均处理率不得低于5 0 ，设市城市的污水处理 率不得低于6 0 ，重点城市的污水处理率不得低于7 0 ，新建城市污水处理厂1 0 0 0 多座， 污水处理能力由目前的1 2 0 0 万t d 左右增加到5 0 0 0 6 0 0 0 万t d 。如果城市污水全部得到 处理，则将会产生污泥大约8 4 0 万吨( 干重) ，湿污泥量( 以8 0 含水率计) 约占我国总固体 废弃物的3 2 【引，污泥处理问题会变得更加突出。 随着我国工业化的不断推进，工业固体废物的产生量也在不断增加，工业固体废物处 理方面的难题一直制约着经济的发展和环境的保护。2 0 0 7 年，全国工业固体废物产生总 量为1 7 5 7 6 7 万吨，比上年增加1 6 o ；排放量为1 1 9 7 万吨，比上年减少8 1 ；综合利 用量( 含利用往年贮存量) 、贮存量、处置量分别为1 1 0 4 0 7 万吨、2 4 1 5 3 万吨、4 1 3 5 5 万 吨，分别占产生总量的6 2 8 、1 3 7 、2 3 5 蜊。 同时，我国是水泥大国，2 0 0 5 年水泥总产量超过1 0 亿吨，面临着巨大的资源、能源 和环境的压力。其中水泥生产中作为燃料的煤和作为硅质原料的粘土的消耗都十分巨大， 每1 吨水泥熟料的生产大约消耗0 1 1 吨标准煤和0 1 6 吨粘土，照此计算，我国每年水泥 工业中标准煤的消耗超过8 0 0 0 万吨，粘土的消耗超过l 亿吨。因此，水泥工业如何降低 资源、能源消耗和减轻环境负荷同样是一个重大的课题。 国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出了“十一五”期间单位国内生产总 值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 的约束性指标。将有毒有害废物在 浙江大学硕士学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 水泥工业中作资源化利用，是实验这一指标的重要举措。实现水泥混凝土的生态化，即用 工业废弃物，生活垃圾等物质完全或部分代水泥生产中的原料来烧制水泥熟料或者作为水 泥的掺和料是实现这个举措的重要途径之一。虽然污泥成分复杂，含有大量的有害物质， 但是污泥具有比较高的烧失量和一定的热值，扣除烧失量后，其化学成分与粘土质原料比 较接近，污泥中的主要化学成分是c a o 、s i 0 2 、f e 2 0 3 和a 1 2 0 3 ，这和水泥原料的组成相 似。在水泥生产中，污泥不仅有可能部分替代部分原料用于配料，而且还能提供部分热值。 并且利用水泥窑来处理污泥有以下优点：水泥窑的煅烧温度高达1 4 0 0 以上，污泥中的 细菌、病菌等有害微生物全部被杀灭；重金属元素又几乎全部固溶在水泥熟料矿物的晶格 中。 1 2 污泥及其利用现状 1 2 1 污泥的概况与环境问题 城市污泥是城市污水处理厂经过各级处理、净化污水而产生的沉积物，城市污水厂污 泥的产生量一般约为所处理的污水量的4 一6 o ( 体积，污泥含水率为9 7 9 8 ) 。此外， 污泥的产生量还与城市污水的处理工艺和处理深度有关，一般而言，随着污水处理深度的 增大污泥的产生量也随之增加。随着污水处理设施的不断普及、污水处理量的提高和处理 程度的深化，污泥的产生量必将有较大幅度的增长。 污泥是污水处理后的产物，成分复杂，它包括混入生活污水或工业废水中的泥沙、纤 维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物、由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有 机物、重金属元素和盐类、少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质【4 】。污泥的主要 特性是含水率很高，有机物质含量高，容易腐化并发臭，并且比重较小，颗粒较细，呈胶 体液状。 大量未经处理的污泥任意堆放和投弃对生态环境造成了新的污染，如何妥善处理这些 污泥已成为全球共同关注的课题，当今的共识是在实现污泥无害化处理的前提下，将污泥 作为一种资源加以有效利用，在治理污染的同时变废为宝。我国的污泥处理处置及资源化 利用尚处于起步阶段，随着污泥产生量的不断增加，污泥的处理处置已成为我国环境保护 中面临的日益紧迫和严峻的问题，所以探讨适合我国国情的有效处理处置和资源化利用污 泥的技术具有十分重要的现实意义。 2 浙江大学硕十学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 1 2 2 污泥的分类 污泥按照其来源、处理工艺和处理过程中产生阶段的不同可分为不同的种类。 广义的讲，污泥( s l u d g e ) 从来源可以分为： ( 1 ) 给水厂污泥( 自来水厂污泥) ：目前绝大部分城市的给水水源，均需在进行必要 的净化处理后，才能达到给水水质要求，净化在专门的给水处理厂完成。给水厂污泥主要 来于自沉淀池排泥水和滤池反冲洗水，与污水处理厂的污泥存在着较大的不同。从其产生 的过程可知道，给水厂污泥主要由原水中的悬浮物、有机物、胶体物质、微生物以及生产 过程中加入的混凝药剂等组成。于污水污泥相比，其有机物和病原微生物等有害物质含量 较低，但含泥量比较耐5 1 。 ( 2 ) 污水厂污泥( 污水污泥，s e w a g es l u d g e ) 。污水厂在对污水处理过程中，污水中部 分污染物转化为可沉降物质排出，这股排出的物流以固液混合为特征的，即污水污泥。城 市污水又可以分为工业污水和生活污水，工业污水是印染、皮革、电镀等工厂排出的污水， 生活污水是来自商业区和生活区产生的污水。城市污水厂处理的主要对象是城市生活污 水，在实行了城市排水合流制的城市或地区，降雨产生的径流也会进入城市污水厂进行处 理，部分工业污水在经过一定的预处理后如能接近城市污水厂进水的水质标准也可进入城 市污水厂进行处理。目前城市污水厂最普遍采用的二级处理工艺为活性污泥法( 其中包括 各种变形工艺) ，部分污水中的污染物质是通过转化成为污泥而进行去除的，因此城市污 水厂产生的污泥中含有覆盖面十分广的各种污染物1 6 。 工业污水处理产生的污泥的性质决定于工业污水的性质。例如处理皮革污水产生的皮 革污泥中含有很大量的三价铬，这是因为制革工艺中要用到的大量的铬靴剂，通过制革污 水进入到了制革污泥中；而电镀污泥中则含有很大量致癌的六价铬。工业污泥与普通的城 市污泥相比具有含水率高等共性，但是由于其含有很多重金属等特殊污染物，其对环境的 危害也更加高【7 1 。 ( 3 ) 城市水体疏浚污泥( u r b a nw a t e r b o d ys e d i m e n t ) ，湖泊、河道、池塘等自然或人工 水体，其水中夹带的颗粒物、胶体和一些可溶性物质在一定的物理、生物、化学作用下产 生的沉淀性物质被称作水体沉积物。这些水体沉积物的不断积累不仅会影响到城市水体的 正常功能，而且将水体中的很多污染物富集在其中，当水体的环境发生改变时，富集在其 中的污染物又会重新释放出来，成为水体的污染源，对水体和其中的食物链构成危害( 5 】。 因此在一定时期，对城市水体的底泥进行疏浚是十分必要的，同时受污染的水体产生的疏 浙江大学硕士学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 浚污泥的处理处置工作，特别是随其日益增长的产生量成为当前环境治理的一大难题。 ( 4 ) 通沟污泥( 城市排水沟道污泥，u r b a ns e w e rs e d i m e n t ，u r b a ns e w e rs l u d g e ) 。现代 城市的排水方式是以管道化为特征的。按排水对象和排水体系( 排水体制) 设置原则不同， 城市排水沟管道可分为雨水沟道、污水沟道和合流排水沟道三种。城市水流中的胶体和可 沉降颗粒物，同时在排水沟道内的环境条件以及生物作用下排水中的某些可溶性物质也有 产生可沉降物质的可能，这些沉降物质会沉积于沟道内形成沟道污泥，影响沟道的正常排 水功能【5 】o 如果按照污水厂处理工艺的不同污泥还可以分为： ( 1 ) 化学污泥。采用物理化学方法来处理污水时产生的污泥，比如混凝沉淀法。 ( 2 ) 生物污泥。利用微生物来吸附、分解、氧化污水中的有机物质，把不稳定的有 机物质降解为稳定无害的物质，从而净化污水。活性污泥法即是一种生物处理法。 按污泥在污水厂中产生阶段的不同，可以分为以下几种污泥( 给水排水设计基本术 语标准) ： ( 1 ) 原污泥( r a ws l u d g e ) 。未经过处理的初次沉淀污泥、二沉剩余污泥或两者的混合 污泥。 ( 2 ) 初沉污泥( p r i m a r ys l u d g e ) 。从初次沉淀池排出的沉淀物。 ( 3 ) 二沉污泥( s e c o n d a r ys l u d g e ) 。从二次沉淀池或沉淀区排出的沉淀物。 ( 4 ) 活性污泥( a c t i v a t e ds l u d g e ) 。曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群的絮状体。 ( 5 ) 消化污泥( d i g e s t e ds l u d g e ) 。经过好氧消化或厌氧消化的污泥，所含有机物质浓 度有一定程度的降低，并趋于稳定。 本论文中研究的污泥是指城市自来水厂和污水处理厂采用活性污泥法处理污水产生 的污泥。 1 2 3 污泥的特性 污泥不同于其它类型的固体废物具有以下几个主要特征【8 】： ( 1 ) 含水率高达7 0 8 0 ，这部分水分不易焚烧，运输成本较高，堆放时占地面积很 大，直接填埋会使填埋场提前报废。 ( 2 ) 微生物、病原体含量较高，若不加处理就直接施用或弃置，会对食物链造成污染。 ( 3 ) 气味恶臭、污染环境，堆放时还向大气排放温室气体。 4 浙江大学硕士学位论文利用污泥制各生态水泥的初步研究 ( 4 ) 超细粉末在热干化处理过程中存在一定的易爆危险性。 ( 5 ) 含有比较复杂的盐类、重金属等成分，如果不加以控制便施用，将会污染土地， 甚至可能会造成耕地的不可逆退化。目前污泥对环境和人类的危害还鲜为人知，如被非法 取用，造成重金属积累超标、土壤板结，人类的食物和居住环境会在无意中被污染和破坏。 ( 6 ) 含有大量n 、k 、p 和有机质等可利用成分，全面安全处理和资源化利用需要较高 的技术。 1 2 4 污泥处理的一般原则 污泥处理与其他固体废物的处理同样，都应该遵循减量化、稳定化、无害化及资源化 的原则【9 1 。 ( 1 ) 减量化。初沉污泥的含水率通常可高达9 5 ，因此体积大，不利于贮存、运送和 消纳，因此减量化处理是十分必要的。含水率7 0 一8 0 的脱水污泥一般呈柔软状，含水 率6 0 7 0 的脱水污泥基本成固体状态。污泥颗粒越小，含水率也越低。 ( 2 ) 稳定化。污泥中有机物质的含量一般高达6 0 7 0 ，会进行厌氧降解，发生腐烂 并恶臭，因此要采用消化工艺对污泥进行处理，使污泥中的有机物质转化成稳定的最终产 物：也可以向污泥中添加化学药剂，终止微生物的活性从而稳定污泥，如添加石灰提高碱 性等实现对微生物的抑制效果。 ( 3 ) 无害化。污泥中，特别是初沉污泥中，含有大量的寄生虫卵，病原菌及病毒，容 易造成传染病大面积传播。此外污泥中还含有很多种重金属离子和有毒有害的有机物质， 这些物质可能会从污泥中渗滤或者挥发出来，污染水体、土壤和空气，造成二次污染。因 此在处理处置污泥的过程中必须充分考虑到无害化原则。 ( 4 ) 资源化。污泥中含有大量的硅铝矿物质，经过适当处理可以应用与建材领域；污 泥中含有丰富的有机物质和n 、k 、p 等植物所需的营养元素以及各种植物生长所必须的 微量元素，比如c a 、m g 、z n 、f e 等；污泥还具有定量的热值可以加以利用。污泥的 资源化处理就是通过改善污泥的性质和某些成分，对污泥中所含的有用成分加以充分利 用，变废为宝。 1 2 5 污泥处理处置方法 目前，污泥主要的处理处置方法有：卫生填埋、污泥农用、污泥焚烧、干化和热处理、 浙江大学硕士学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 污泥堆肥、海洋倾倒、污泥发电及制造材料等。 ( 1 ) 卫生填埋 卫生填埋操作相对较简单，投资的费用较小，处理处置的费用也较低，适应性广，但 是填埋侵占土地严重，而且如果防渗技术不过关将导致潜在的土壤和地下水污染。污泥卫 生填埋开始于2 0 世纪6 0 年代，到目前为止已经发展成一种比较成熟的污泥处理处置技术。 污泥卫生填埋是欧洲特别是希腊、法国、德国在前几年应用最为广泛的处置工艺。但由于 渗滤液对地下水体的潜在污染和城市用地不断减少等原因，对处理技术的要求越来越高 ( 例如德国从2 0 0 0 年开始，要求填埋污泥中的有机物含量小于5 ) ，许多国家和地区甚至 坚决反对新建污泥填埋场。19 9 2 年欧盟大约有4 0 的污泥采用卫生填埋处置，近年来污 泥填埋处置所占比例则越来越小。 ( 2 ) 污泥农用 污泥农用的投资少、能耗低、运行费用低，其中的有机质部分可转化为土壤改良剂成 分，因此普遍认为污泥土地利用是最有发展潜力的一种污泥处置方式。这种处置方式是把 污泥应用于农田、果园、菜地、草地、林地、市政绿化、育苗基质以及严重扰动的土地修 复与重建等。将污泥科学合理地加以土地利用，可减少污泥所带来的负面效应。市政绿化 和林地利用是一条十分有发展前途的污泥利用方式，因为它不容易造成食物链的污染。此 外污泥还可以用于修复和重建严重扰动的土地，比如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、 建筑排废深坑、地表严重破坏区等需要复垦的土地。以上这些污泥的处理利用方式减少了 污泥对人类生活的潜在威害，处置了污泥的同时又恢复了生态环境。 影响污泥农用的主要因素是污泥中的病原体、难降解有机物、重金属及n 、p 的流失 对地表水体和地下水体的污染。目前针对重金属污染的研究较多，主要集中在污泥农用后 土壤耕作层的变红、作物各个部位重金属富积量、存在形态及其影响等。大量研究表明： 近十几年来，城市污泥中重金属的含量呈不断下降的趋势，只要严格控制污泥堆肥的质量， 合理加以施用，一般不会造成重金属污染。 ( 3 ) 污泥焚烧 污泥焚烧是利用污泥中有机物成分比较高、具有定量的热值等特点来处置污泥的一 种方式。以污泥焚烧为核心的处理方法是最彻底的处理方法，它能使有机物质全部碳化， 杀灭病原体，可最大限度的减少污泥的体积和重量，且其处理速度较快，无需长期贮存， 没有恶臭问题：但是其缺点是处理设施投资较大，处理费用高，焚烧烟气需处理。 为防止污泥焚烧产生的二噫英等有害物质排入大气，要求焚烧快速升温并且焚烧温度 6 浙江大学硕士学位论文利用污泥制箭生态水泥的初步研究 高于8 5 0 。焚烧后产生的焚烧渣可以改良土壤、筑路、制陶瓷、砖瓦、混凝土填加料等。 ( 4 ) 污泥干化和热处理 污泥干化能使污泥显著减容减重，体积可以减少为原来的1 6 1 5 ，干化后污泥稳定， 无恶臭并且无病原生物：干化处理后的污泥产品用途多，可以用作土壤改良剂、肥料、替 代能源和替代材料等。早在2 0 世纪4 0 年代，欧美和日本就已经用直接加热鼓式干燥器来 对污泥进行干燥，经过几十年的不断发展，污泥干化技术不断完善，其优点正在不断显现 出来。污泥的低温热处理技术无害化和减量化比较彻底，其地位已经在逐渐增强。研究表 明：低温热解是能量的净输出过程，处理成本低于直接焚烧污泥。 ( 5 ) 污泥堆肥 污泥堆肥是使污泥中好氧微生物进行发酵，将污泥转化成类腐殖质的过程。堆肥化技 术是国际上2 0 世纪6 0 年代以来迅速发展起来的一项新兴的生物处理技术。上世纪8 0 年 代后，日本、韩国以及欧美的一些国家相继开发出污泥封闭式发酵系统设备，以机械自动 化方式进料、通风和排料，虽然设备投资较大，但由于此系统自动化程度比较高、周期短、 日处理污泥量大、污泥处理后质量稳定并且容易进行有效利用，并且可以很有效地控制臭 气和其他环境污染因素，所以综合效应比较好。 污泥堆肥的几种工艺各有其优点和缺点，都在不断地完善和发展。2 0 世纪8 0 年代初 美国开发了比较完善的b e l t s v i l l e 好氧堆肥法。污泥连续发酵工艺是目前国际上较为先进 较为完善也是较为普遍使用的处理方法，已在美国、欧洲、日本广泛应用。虽然国外将污 泥堆肥处理后制成复合肥使用已经相当普遍，但是国内污泥堆肥的商品化生产正在不断发 展中。我国的深圳、西安、石家庄、太原等地己经出现了污泥堆肥产品。 污泥循坏资源化利用作为肥料用于农业或林业，但是，对食品清洁生产和人类无污染 食品消费的关注可能会增加对污泥堆肥处理问题的争论：从环境保护方面考虑，公众将鼓 励污泥的循环利用计划；而从人类食品安全方面考虑，对洁净、健康食品的需求将会限制 污泥在某些领域的利用。 ( 6 ) 海洋倾倒 将污泥倾倒如海洋是利用海洋巨大的稀释和容纳能力来对污泥进行处理，但是，随着 生态环境意识的加强，人们越来越多地关注向海洋中倾倒污泥对海洋生态环境可能存在的 不利影响。美国于1 9 8 8 年便己禁止向海洋中倾倒污泥，并于1 9 9 1 年全面加以禁止；日本 对污泥的海洋倾弃做了严格的规定；我国政府于1 9 9 4 年初接受了3 项有关的国际协议，承 诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上进行工业废物和污水污泥的处置。海洋倾倒曾在英国尤 7 浙江大学硕士学位论文 利用污泥制各生态水泥的初步研究 其流行，因为与其他方法相比，其费用十分低，但是从1 9 9 8 年底，欧共体城市废水处理 法令已经禁止其成员国通过海洋倾倒来处置污泥。 ( 7 ) 污泥发电 污泥中含有近4 0 的有机生物质，蕴藏着一定的能量。污泥发电不但可以实现污泥 的安全处理，同时还可以利用污泥中的能量，替代部分燃料，节约资源和能源的同时又保护 环境。污泥发电主要有两种方式：污泥燃料燃烧发电和污泥厌氧消化产生沼气发电。污泥 燃料燃烧发电包括单独的污泥作为燃料燃烧发电和污泥掺煤或者油渣等燃料燃烧发电。污 泥厌氧消化产生沼气发电包括沼气通过燃气机组发电和沼气改质制造氢气经燃料电池发 电。污泥发电在国内外都有很多的应用实例。虽然利用污泥发电的基本建设总投资比烧油 和燃煤发电高，但如果将环境成本内化，并合理实施鼓励可再生能源及新型能源的财政、信 贷、税收政策，向发达国家看齐，鼓励全社会积极参与固体废弃物利用事业，污泥发电技术将 具有非常大的优势。 ( 8 ) 制造材料 经处理后的城市污泥可作为原料和其他材料经过烧结制成各种功能的建筑材料，如混 凝土、城市污泥砖、地砖等材料，还可以制成活性炭、生化纤维板等。此外污泥焚烧后的 焚烧灰和用于污泥燃烧发电的燃烧渣可以制成砖瓦、陶瓷、混凝土填加料等。 目前我国污泥处理处置方法以农用、简易填埋为主。 1 3 硅酸盐水泥的生产 硅酸盐水泥的生产大体可分为三个阶段，即为“两磨一烧”：首先，石灰质原料、粘 土质原料与少量的校正原料等经过破碎后按照一定比例配合、磨细，并配比为成分合适、 质量均匀的生料，此过程称为生料制备；然后，生料在水泥窑内煅烧至部分熔融得到以硅 酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，此过程称为熟料煅烧；最后，熟料中加入适量石膏， 有时加适量混合材或夕b ；o n 剂共同磨细成为水泥，此过程称为水泥粉磨。 1 3 1 硅酸盐水泥矿物的组成 硅酸盐水泥熟料主要由四种矿物组成，即硅酸三钙c 3 s 、硅酸二钙c 2 s 、铝酸三钙 c 3 a 、铁相固溶体c 4 a f 以及少量的游离氧化钙f - c a o 。 硅酸三钙c 3 s 是硅酸盐水泥中的重要组成部分，约占熟料总量的5 0 6 0 ，它关系 浙江大学硕士学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 着硅酸盐水泥浆体、砂浆和混凝土的正常凝结以及早期强度的发展。一般认为硅酸三钙 c 3 s 水化速度较快，在水化过程中会产生层状和胶凝状的c a ( o h ) 2 ，对水泥水化初期所形 成的纤维状和片状骨架空隙起到填充密实作用。硅酸三钙是水泥的强度骨干，而且干缩性 小，耐磨性好。 硅酸二钙c 2 s 由氧化钙与氧化硅反应所生成。其在熟料矿物中的含量一般为2 0 左 右，是硅酸盐水泥熟料的主要矿物之一。硅酸二钙c 2 s 的水化热比较小，而且抗水性较 好，因而对大体积工程或侵蚀性大的工程，应该适当提高水泥孰料中硅酸二钙c 2 s 的含 量。 在熟料的各种矿物中，铝酸三钙c 3 a 是一个特例，它没有多晶型转化，但是n a 和k 可置换其中的c a ，从而使纯铝酸三钙c 3 a 结晶格子的对称性发生变化。它在熟料烧制过 程中和铁铝酸四钙c 私f 一起起到了矿物助熔剂的作用，促进了硅酸二钙c 2 s 吸收氧化钙 c a o 形成硅酸三钙c 3 s 。铝酸三钙c 3 a 在四种主要矿物中水化速度最快，凝结时间最短， 其强度3 天基本可以发挥出来，但是它的绝对强度不高，并且会出现后期倒缩现象。此外， 铝酸三钙c 3 a 水化需水量大，抗硫酸盐腐蚀性能差。 熟料中含铁相的组成则比较复杂，其化学组成为一系列的连续固溶体。在一般的硅 酸盐水泥中，其成分比较接近于铁铝酸四钙c 4 a f ，所以常用c 4 a f 来代表水泥熟料中的 铁相固溶体。铁铝酸四钙c 4 a f 的水化速率介于铝酸三钙c 3 a 和硅酸三钙c 3 s 之间，但 随后的发展不如硅酸三钙c 3 s ，其早期强度类似于铝酸三钙c 3 a ，而后期还能不断增长， 类似于硅酸二钙c 2 s 。 1 3 2 硅酸盐水泥水化 水化是水泥中各矿物组分和水之间发生化学反应的复杂过程。水化具有物理和机械 作用，从而影响水泥基材料的工程性能。 硅酸盐水泥的水化包括以下几个阶段： ( 1 ) 钙矾石形成期，即铝酸三钙c 3 a 率先水化，在石膏存在的条件下，迅速形成钙 矾石，此阶段表现为激烈的放热反应。 ( 2 ) 水化放热速度微弱，在此看似静止的反映阶段，c h 和c s h 开始生成，最终 c a 2 + 的浓度达到过饱和状态，水泥浆体开始逐渐变稠。 0 浙江大学硕士学位论文利用污泥制备生态水泥的初步研究 ( 3 ) 硅酸三钙c 3 s 水化期，即硅酸三钙c 3 s 开始迅速地水化，c s h 凝胶