磷酸镁钾水泥对生活污泥固化减量效果的研究

张京波，陈延昌，宋 鹏，付兴华，王 琦

(济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022)

近几年来，城市污水处理率逐年提高，其污泥的产量急剧增加，导致污泥的处理成为一个急需解决的难题[1-2]。生活污泥作为城市污水处理的副产物，其产量大、成分复杂和高含水率的特点，难以进行废弃资源二次利用[3]。目前受到我国污泥处理技术的限制，大约70%的污泥不能得到有效处理，随意的堆置，对环境危害很大。

磷酸镁钾水泥(MKPC)具有早期水化速度快、强度高的特点，主要应用在快速修补材料、油井固化及固化放射性核废料等方面[4-5]。利用其快凝的特性，可以在短时间内固化污泥，并且降低污泥的含水率。MKPC虽然作为一种水泥，但本质其不吸附重金属离子，含磷元素高，可将固化后污泥作为二次资源利用施入农田，不会造成环境污染[6]。硅灰可以改良土壤，能钝化土壤中的金属，与MKPC混合使用可以改良土壤增加肥力。硅灰在固化污泥体系中起到骨架作用，降低污泥的流动性，提高强度。

1 实验

1.1 试剂、材料与仪器设备

表1 生活污泥主要氧化物组成

轻烧MgO(活性大于68)；磷酸二氢钾(KH2PO4，99.50%)；硅灰(均粒径10.48μm)。

实验污泥来自济南大学污水处理厂，其主要指标如下：含水率为94.15%；pH值为7.05；烧失量为26.77。其生活污泥主要氧化物组成见表1。

采用MTS CMT5504电子万能试验机测试抗压强度，美国 FEI 公司的 Quanta 250 FEG型场发射扫描电子显微镜观察固化污泥的微观形貌。

1.2 方法

MKPC为轻烧MgO与KH2PO4物质的量比(M∶P)4∶1配制而成。污泥含水率比较高，因此设定MKPC掺量为污泥质量的20%、30%、40%、50%和60%，污泥含水率设定94%、90%和85%，硅灰的掺量设定为MKPC质量的10%～50%。MKPC和硅灰与污泥混合搅拌2min，然后将混合好的浆体制备成立方体试件(2 cm×2 cm×2 cm)，在常温环境下养护直至测试。

2 结果与分析

2.1 MKPC固化生活污泥

图1是MKPC水泥固化不同含水率污泥3、7和27天的抗压强度图，可以发现污泥含水率越低，其固化体的抗压强度越大，MKPC掺量越多其抗压强度越大，特别的污泥含水率85%时，仅掺MKPC 20%其固化体3天强度就达0.65MPa。

(a) 3d; (b) 7d; (c) 28d

图1 MKPC水泥对不同含水率污泥固化抗压强度图

2.2 MKPC与硅灰复掺固化污泥

(a) 3d; (b) 7d; (b) 28d

图2是在MKPC掺量30%条件下，复掺不同含量硅灰的固化体抗压强度图，可以发现随着硅灰掺加量的增加其固化体强度增加明显。特别的当硅灰加入50%时28天强度为2.5MPa，比未加硅灰的大1.5 MPa。硅灰在固化体中起到了骨架作用，提高了抗压强度，掺量30%就已经满足3天350kPa填埋材料的要求。

2.3 固化污泥体积收缩

图3是MKPC固化污泥与MKPC和硅灰共同固化污泥在不同龄期内的体积收缩率图。图3a显示MKPC掺加量从 20%增到40%，其固化体的体积收缩率由40%增加到62%，因此MKPC增加掺量会加大固化体的体积收缩率。而图3b图显示复掺硅灰后会降低固化体的体积收缩。因此掺加适当的硅灰可以改善固化体的收缩也可以增加固化体的强度。所有固化体在固化6天后体积收缩趋于稳定，可以对固化污泥进行填埋处置。

(a) MKPC; (b) 30 wt%MKPC+硅灰

图3 体积收缩率

2.4固化污泥SEM形貌分析

图4为MKPC和硅灰固化污泥体系的微观形貌图。MKPC加入到污泥中磷酸二氢钾会溶解于污泥的水中，轻烧氧化镁接着溶解, 两者迅速反应形成磷酸盐水化物，使浆体迅速硬化。MKPC生成棒状晶体，内部含有为水化的氧化镁颗粒，后期成型养护后水分蒸发，导致空隙增加。加入硅灰提供骨架，可以填充更小的孔，促进MKPC水化产物结晶，提高固化体的强度。

(a) 7d; (b) 28d: 30 wt% MKPC; (c) 7d ; (d) 28d :30 wt%MKPC复掺30 wt% 硅灰

图4 SEM形貌图

3 结论

MKPC富含磷元素，硅灰可改良土壤，两者共同固化污泥的固化体可作为肥料二次利用，促进了资源的循环利用。掺加不同含量的MKPC和硅灰对生活污泥固化减量处理，随着MKPC掺入量增加，固化污泥体的强度也逐渐增加。单掺MKPC 60wt%时3天强度可达1.2MPa，28天强度为2.7 MPa。复掺硅灰30 wt%时，3天强度350kPa完全达到填埋标准。加入硅灰一方面提高固化体的强度，另一方面可以减少固化体的体积收缩，30%MKPC复掺30%硅灰可降低40%的收缩，这在工程中有很强的资源利用价值。