污泥陶粒的制备及应用研究现状

钟嘉利 罗居海 陈孝娥

（攀枝花学院生物与化学工程学院，四川 攀枝花 617000）

0 引言

时代高速发展，城市化进程愈发完备，随之而来的是日渐增多的生活污水处理问题，到2010年底，全国城镇污水处理量为343亿m3，每年产出的脱水污泥接近2200万t，其中有80%未得到处理[1]。而如今我国的城镇污水处理规模达到了2.2亿吨每天，每天产生的含水率在80%的污泥超过了6000万吨。污泥具有含水率高和强度低的特性，且往往伴随着一些病原体、重金属和有机物。在我国，目前有关于污泥的处置方式主要有卫生填埋、热化学处理后建筑材料利用、生物稳定化处理后土地利用。其中卫生填埋对场地需求较大；污泥含水率较高，焚烧所需能耗较大；土地利用需要对污泥进行稳定化处理否则会造成二次污染，污泥资源化处理迫在眉睫[2]。

污泥陶粒是一种良好的污泥资源化的产品，具有一定的机械强度，表面粗糙且有一定的比表面积，有一定的吸附能力，再生性能较好，经济实惠，可以作为滤料及微生物附着的载体，在水处理中的应用较为广泛[3-5]。

1 污泥制陶粒的类型

1.1 烧结型陶粒

烧结型陶粒在焙烧的过程中，不会发生较大的体积膨胀，导致烧结陶粒内部只有少量连通或开放性的气孔，从而影响陶粒烧结性能的因素主要有焙烧温度，焙烧时间，污泥状态参比等。刘亚东等[6]发现影响陶粒结构特征的主要因素是烧结温度，烧结温度过低，陶粒未成瓷，过高可能会使陶粒内部的孔隙坍塌，适当地提高烧结温度，可以使陶粒具有较好的内部结构，孔隙分布均匀。杜欣[7]等发现对脱水污泥“干化烧结”比“湿法造粒烧结”得到的陶粒效果要更好，“干化烧结”辅以粉煤灰、粘土和少量沸石粉制成的陶粒能进一步提高产品强度。朱思铭[8]发现将从污水处理厂取回的脱水污泥直接与其他原料按一定的配比制成陶粒，形成的陶粒堆积密度更低，吸水率与单颗抗压强度等性能与传统工艺一致。

1.2 烧胀型陶粒

烧胀型陶粒在烧制中会发生较大的体积膨胀，导致烧胀陶粒内部会有大量密闭的互不相通的气孔，开放性气孔极少。当煅烧温度高于1200℃时，陶粒膨胀性能随着煅烧温度的提高明显改善。曲烈等[9]发现陶粒烧胀的原因是在还原气氛下发生铁碳反应。在高温条件下，陶粒会部分液相化，随着温度的升高，内部结构分解，产生气体，使液相重新塑型，发生膨胀。升温增加了陶粒体积收缩率，使得陶粒表面和内部的密度增大，吸水率降低。在赵传文[10]的研究中，烧胀型粉煤灰污泥陶粒比粘土污泥陶粒更利废、节能、节土，能带来更大的经济效益。

1.3 免烧型陶粒

免烧型陶粒投资小，容易实施，技术难度小，成本低，但成品密度较大，易受养护方式影响，配比严格。粉煤灰中的活性SiO2和Al（OH）3在碱性介质条件下，受激发而水化、硬化具有胶凝性能。周靖淳[11]发现在蒸汽养护之前先用纱布养护可以加速粉煤灰内部的玻璃体与Ca（OH）2之间聚合形成胶凝物，还能降低陶粒的破碎率和磨损率。刘丹妮[12]发现，蒸养时间适当增加会促进原料的水热合成和水化反应，增加陶粒强度，降低解体率。

2 污泥陶粒的应用

2.1 用于建筑材料

污泥陶粒作为骨料被用于建筑领域，它具有质轻，机械强度高，耐腐蚀的特点，作为建材更有防渗漏防震和保温隔热等特点。以污泥陶粒和黏土陶粒混合胶凝材料（水泥）制备陶粒混凝土，混凝土的抗压强度随陶粒粒径的增大而减小，粒径为12mm时，抗压强度最大（28MPa）[13]。在混凝土里加入25%的污泥陶粒可以提高混凝土的保温隔热性能[14]。蒋文婷等[15]用工业污泥陶粒配制的轻骨料混凝土，在800℃高温作用后，轻骨料混凝土有47%左右的抗压强度残余，和大约40%的劈裂抗拉强度残余，其强度高于普通混凝土材料。添加污泥陶粒所制的空心砌块现如今被广泛使用，其保温，隔热以及节能效果显著，被夏热冬冷的地区欢迎。

2.2 用于农业生产种植

污泥陶粒含有N、P等植物所必须的营养元素及有利于植物生长的Ca、Mg、K等微量元素，作为栽培基质时主要有增加植物产量、利于植物存活与生长、促进干物质积累等作用。但被用作无土栽培基质必须满足低浸出毒性的特性，有较好的透水透气功能，同时对pH在一定范围内有缓冲作用。罗沛聪等人[16]发现，当陶粒施用量为20%时小白菜种子发芽率最高，萌发较快；且随陶粒施用量增加，小白菜产量呈增加趋势。污水处理后的污泥陶粒含有大量碱性物质如磷酸钙水合物、磷酸氢钙钠等，可有效中和土壤中的酸性物质，提高土壤的pH。在土壤表层添加陶粒不仅能有效提高基质中的水分，而且可以使不同土层、不同月份之间含水量的变幅降低，从而使植物的生长环境处于稳定状态[17]。在土壤表面覆盖陶粒不仅对植物的光合作用影响显著，而且可提高植物的存活率与生长速率[18]。

2.3 用于污水处理

污泥陶粒可作为微生物生长繁殖的载体，有利于细菌生物膜的形成和附着，捕捉水中的有机物，从而实现有机物的分解和消化吸收，起到水体净化的作用。根据其物理和物理化学作用分为过滤材料和吸附生物作为生物载体。作为过滤材料，污泥陶粒具有吸水不吸油的特点，被广泛用于油田污水的处理；作为生物载体，污泥陶粒具有机械强度高、比表面积大、化学性质稳定难于被分解、微生物亲和力强等特点，且能截留少部分的悬浮物等颗粒物，降低污水的浊度和色度，平衡污水水流，使水流平稳，主要运用于生物膜法污水处理[19]，以及湿地浮床绿植种植技术。

2.4 用于海绵城市建设

改变污泥陶粒特性生产出适宜于渗水储水的陶粒，这种陶粒可被用于海绵城市渗水混凝土路的铺设，雨水花园的滤料以及地下渗透过滤材料等。陶粒用于渗水混凝土路的铺设，水通过陶粒吸收可逐渐保留在绿化带中。用于混合混凝土设置明沟，可促进雨水的沉淀，避免造成路面积水。这种模式的陶粒已投入生产线并被多个城市采用和实施。

2.5 用于吸声材料

污泥陶粒内部有大量的孔隙，声波通过连通的孔隙中时因空气的粘滞摩擦和陶粒自身的热传导性，能量大大削弱，从而起到吸声的作用。以污泥陶粒为骨料，水泥为胶凝材料，添加外加剂，通过混合、搅拌、压制、养护等工艺可以制备成一种多孔吸声材料。骆翔宇等人[20]研究表明陶粒生产过程中可以形成不同的粒级，通过采用不同粒级的陶粒，调整陶粒和胶凝材料的比例，可以形成不同孔隙率的吸声材料，从而制备满足吸声、隔声要求的吸声材料。周红梅等[21,22]用陶粒在实验室内制备了小型吸声样件，通过驻波管法进行了吸声系数测试，并针对轨道交通吸声板应用进行了许多相关研究。但目前国内对这方面的研究欠缺，工艺生产也相较于国外落后许多。

此外，污泥陶粒具有较好的保温隔热效果，在工业生产中常被用于冶金方面回转窑保温隔热层的制备。

3 结语

目前污泥处理处置技术路线各有利弊，尚无一种成本低、速度快、占地面积小，在减量化、无害化、资源化方面都具有优势的处置技术。污泥制成陶粒，在焙烧过程中，污泥中含有的大量病原菌会被杀死，重金属会固化在陶粒中，不仅可以达到资源化的要求，还可以减少污染，降低污泥的处理成本。将污泥制作成陶粒，可以大量的消耗污泥，且制成的陶粒可广泛地应用于建筑、水处理等领域。但污泥制备陶粒，还需要提升产业规模和产业环保、节能以及生产工艺方面的技术水平，做到规模化、稳定化处置。此外，污泥制陶粒烧制温度要求过高，在高温条件下有部分重金属会被挥发出来，所以在高温烧制陶粒过程中还要注意对产生的尾气进行严格把控。污泥陶粒性能也需要通过配料比的优选，污泥的改性，焙烧条件的控制，进一步得到改善。