淤泥资源化利用研究进展

【摘    要】：针对我国疏浚淤泥产量大且难以处理的问题，结合国内外淤泥的研究现状，对淤泥处理方式和活化技术进行总结和整理。基于此，指出淤泥资源化利用在实际应用中存在的问题及未来需要继续深入研究的方向。

【关键词】：淤泥；资源化利用；火山灰活性；活化技术

【中图分类号】：X705【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-64-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.018

收稿日期：2023-02-24

作者简介：吴文鑫（1982 - ）， 男， 高级工程师， 从事水务工程设计及检测工作。

水污染防治和疏浚工程产生的淤泥如何处理是一个难题。淤泥主要以细颗粒土为主，富含有机质和各类污染物，含水率高，强度低，渗透性差，压缩性大，同时伴有刺激性气味[1]，对河道交通和生态环境的影响不容忽视。淤泥沉积会导致河道变浅，影响船只通行；还会增加耗氧量，容易造成河道水体缺氧，由于底部缺氧，进一步导致有机质进行厌氧分解产生大量有害物质；同时淤泥中存在的微生物、病原体和重金属等都会对生态环境造成严重破坏，不利于可持续发展。传统的淤泥处理方式由于二次污染严重、处理成本高等原因逐渐不适应社会发展的要求，对淤泥的无害化处理和资源化利用受到越来越多的关注。淤泥固化是实现淤泥无害化处理和资源化利用的重要手段；但淤泥本身活性较低，需要配合相关的活化处理技术才能取得较好的固化效果。

本文对国内外淤泥处理方式和活化技术进行总结和整理，介绍了各种方法的原理、研究現状与成果，指出了淤泥资源化利用在实际应用中存在的问题，在此基础上，展望了淤泥资源化利用的发展方向，以期为淤泥资源化利用提供理论参考。

1 淤泥处理方式现状

1.1 传统处理方式

传统的淤泥处理方式有投海、填埋、焚烧、堆肥、吹填造陆等。淤泥投海对海洋环境的污染破坏非常严重，目前已基本废止。由于各个国家基本情况的不同，填埋、焚烧、堆肥、吹填造陆等处理方式，在各国采用的比例也各不相同。

1.1.1 淤泥卫生填埋

卫生填埋法是为了替代淤泥堆放处理方法发展起来的，具有操作简单、成本较低、处理量大、适应性强等优点。但卫生填埋占用大量土地资源，如果处理不当，可能导致附近土壤和地下水污染，是一项比较落后的技术，加之淤泥渗漏带来的污染风险，许多国家已经禁止新建淤泥的填埋场，未来淤泥填埋的可行性越来越小。

1.1.2 淤泥焚烧

淤泥焚烧是一种高温热处理技术，利用高温使淤泥中的有机物全部碳化，转化为二氧化碳、水等气相物质，是最彻底的处理方法且减量性显著，可大幅度减小淤泥体积。但淤泥焚烧处理成本高，焚烧过程中还会产生二噁英、二氧化硫等有害气体，对空气造成十分严重的污染。由于成本和环保的制约，淤泥焚烧一直未得到广泛应用。

1.1.3 淤泥堆肥

淤泥中含有丰富的氮、磷、钾及有机质等营养元素，在堆肥过程中，不稳定状态的有机物转变为稳定的腐殖质，最终产物可作为有机肥料和土壤改良剂。淤泥堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥：好氧堆肥是指在有氧条件下进行有机物分解，产物主要是二氧化碳、水和热；厌氧堆肥是指在无氧情况下进行有机物分解，产物主要是二氧化碳、甲烷和许多低分子量的中间产物。淤泥堆肥处理量大，能有效利用淤泥产生的腐殖质；但淤泥中含有的重金属和其他有害物质，使其在农业中的应用受到制约，国际上已有相关法案对农用淤泥各成分做出了限制。

1.1.4 淤泥吹填造陆

淤泥中的泥土成分可用作填土材料，将淤泥吹填在需要填土的区域，通过真空预压或者堆载的方法提高地基强度，经固结沉降形成的土地作为地基土来使用。这种方法在国内外都已发展成熟，有许多成功案例，具有处理量大、施工方便等优点；但也存在许多问题，如早期吹填处理后的地基强度低，施工机械长时间无法进入，施工周期较长，淤泥转运成本高。一般沿海地区采用该方法较多。

1.2 淤泥资源化利用

传统的处理方法没有很好地解决淤泥问题，有时还会出现污染问题；因此淤泥资源化利用受到越来越多人的关注。

1.2.1 淤泥固化

淤泥固化处理方法较为先进，是如今应用最广泛的淤泥资源化利用途径之一。通过向淤泥中添加固化剂（水泥、粉煤灰、石膏、水玻璃等），经充分搅拌混合后，淤泥中的孔隙水与固化剂发生水化反应进而实现固化处理，改善淤泥的力学性能的同时稳定污染物及有害物质，使得含水率高而无强度的淤泥成为具备一定工程特征、能够应用在工程中的固化土。

1.2.2 淤泥烧制陶粒

陶粒是一种轻骨料，因重度小、孔隙率高、耐火性强，广泛应用于建筑行业，是一种重要的建筑材料。陶粒的主要生产原料黏土和页岩是不可再生资源；而淤泥的主要化学成分与黏土相近，因此可采用淤泥取代部分黏土来烧制陶粒。

淤泥烧制陶粒最早由Nakouzi S等[2]提出，以淤泥为主料加入辅料，经成球处理和高温焙烧后制出淤泥陶粒。虽然淤泥烧制陶粒可以节约资源，但也存在能耗高、淤泥利用率低等缺点。

1.2.3 淤泥制砖

淤泥制砖主要有烧结制砖和免烧制砖：烧结制砖是向淤泥焚烧灰加辅料成型；免烧制砖是向干化淤泥中加辅料成型。与烧结制砖相比，免烧制砖可以充分利用淤泥资源，节约成本。

淤泥制砖最早由Tay J H[3]提出，将淤泥干燥后和黏土混合磨成细颗粒制成砖胚，待干燥后在1 080 ℃的砖窑中焙烧24 h，得到免烧淤泥黏土砖，将50%淤泥焚烧灰与黏土混合制成烧结淤泥黏土砖。目前，淤泥制砖还有诸多问题，比如：制成的砖强度较低、外观欠佳、缺乏相关的性能评价方法等。

1.2.4 淤泥制水泥

淤泥焚烧后无机组分主要是CaO、 SiO2和 Al2O3等氧化物，与生产水泥所需原料组分相近，从成分上看，可以用淤泥替代部分原料生产水泥。此外，淤泥焚烧过程中有机质还会释放出部分热量，减少能源消耗。

在日本，有研究人员以淤泥和工业垃圾为原料生产出了生态水泥，对于节约资源和环境保护有重要意义。2001年，日本千叶县建造了世界上第一条生态水泥生产线，设计产量11×104 t/a，淤泥消耗量相当可观[4]。烧制过程经济成本较高，淤泥中的氯元素还会加快钢筋锈蚀，这些都限制了生态水泥的发展。

2 活化技术研究

矿物掺合料是指在配制混凝土時加入的，能改善新拌混凝土性能的无机矿物细粉。通常矿物掺合料掺量大于水泥用量的5%，细度与水泥细度相同或比水泥更细。在生产高性能混凝土过程中，使用的矿物掺合料主要包括矿渣、粉煤灰、硅灰、石英粉、石灰石粉等。

淤泥的化学成分主要包括 SiO2、Al2O3等，其火山灰活性较低，同时富含有机质和各类污染物，含水率高、强度低、渗透性差、压缩性大，对混凝土性能极为不利。但淤泥经过活化处理后，不仅能改善这些缺陷，还能提高其火山灰活性；因此，活化处理使淤泥作为矿物掺合料替代部分水泥应用于混凝土中成为一种可能。

2.1 机械活化

机械活化是一种通过对固体物质施加剪切、压缩、弯曲、冲击等机械力的作用，诱发固体物质物理化学性质变化的活化方式，通过使固体物质更易发生化学反应来提高活性，在矿物掺合料中的应用较为广泛。固体物质受机械力作用初期发生脆性破坏，如颗粒的细化、裂纹和比表面积的变化等；大量的新鲜表面形成会伴随晶粒细化、晶体缺陷和结晶度的变化，造成固体物质表面活性增加；下一阶段固体颗粒主要以塑性变形为主，在这一过程中，微粉细化导致团聚，比表面积减小，释放表面能，物质可能会再结晶，自由能降低；塑性变形过程中，由于位错的增殖和移动，使得位错之处储能，形成活化点。活化点可认为是机械力化学的诱发源，在成为粉末过程中经历产生-聚集-分散的过程，使物料的化学反应活性提高，降低与其他物质反应的难度，甚至在机械活化过程中直接发生某种化学变化[5]。机械活化从物理变化来看，可以看作矿物掺合料逐渐变细、粒径降低、比表面积增大，物料与周围水分的接触面积增大，水化速度加快，从而提高矿物掺合料的活性；从能量转换来看，可以看作机械能转化为化学能的过程。

魏博[5]分别采用了振动磨、行星磨和搅拌磨对钒尾渣进行机械活化，结果表明：经行星磨和搅拌磨粉磨后，钒尾渣的比表面积和活性组分含量均有大幅度提高；振动磨对钒尾渣的活化效果仅表现在粒度的优化，尾渣的比表面积和活性组分含量变化不大。

马军涛等[6]使用SM-500球磨机对粉煤灰进行不同时间的粉磨，并通过激光粒度分析和扫描电镜分析粉磨时间对其粒度和形貌的影响，通过盐酸滴定法、TG-DSC 分析和粉煤灰活性指数的测试，综合分析粉煤灰粉磨工艺和粉磨效果与其活性的关系，结果表明：粉煤灰在经过球磨机粉磨后平均粒径显著减小，在水泥基材料中各龄期活性均有不同程度的提升，粉磨过程可显著加快粉煤灰在水泥水化体系中的反应速度；将粉煤灰粉磨30 min可使平均粒径达到原灰的40%左右，粉磨后粉煤灰活性指数达到77%，超过30 min后粉磨时间对活性的改善效果有所降低；当磨细后粉煤灰掺量达到50%时，由于水泥水化产物中 Ca（OH）2含量不足，其活性有降低趋势。

张金龙[7]将煤矸石粉磨成不同细度的煅烧矸，与硅酸盐水泥熟料和二水石膏和标准砂按比例混合制得砂浆，测其28 d力学性能，借助XRD光谱衍射和SEM扫描电镜手段，对不同细度的煤矸石进行微观分析研究，结果表明：机械粉磨可以减小煤矸石颗粒的细度，使煤矸石中非活性石英的结晶度降低，活性物质数量增加，提高煤矸石的胶凝活性。

Yang Y等[8]对比了湿磨和干磨对铁矿尾矿活化的不同影响，结果表明：湿磨相比干磨在产生更细的颗粒方面表现出更高的效率，尾矿晶格缺陷变化更明显，能更有效地诱导活性产生。

综上所述，机械活化可以有效提高矿物惨合料的活性，研磨器械、研磨时间、研磨方式和研磨后的细度等都对矿物掺合料的活性有着不同程度的影响。

2.2 化学活化

化学活化是将适量的有机或者无机化学激发剂掺入不具备反应活性的尾矿中来激发尾矿潜在的火山灰活性。尾矿在活化剂诱导下会发生化学反应，释放出硅、铝以及其他离子，可以将无定形结构转化为具有胶凝性质的骨架结构，以此来提高尾矿的胶凝性质。常见的化学激发剂以碱性激发剂为主。碱活化是指用氢氧化钙、氢氧化钠或其他碱盐等碱性激发剂进行活化，在尾矿的碱活化过程中，活化剂通常采用水玻璃和氢氧化钠。

Ahmari S等[9]研究了活化剂类型/浓度和固化温度对铜矿尾矿碱活化黏结剂的影响，使用不同成分和浓度的氢氧化钠、硅酸钠和铝酸钠等碱性活化剂，考虑60、75、90、120 ℃4种不同的固化温度，采用SEM和XRD等手段分析这些因素对黏结剂无侧限抗压强度、微观结构和相组成的影响，结果表明：氢氧化钠浓度和固化温度是影响碱活化铜尾矿黏结剂抗压强度和微观结构性能的两个重要因素。

Cheah C B等[10]研究了碱激活高炉矿渣的情况，结果表明：氢氧化物、硅酸盐、碳酸盐、碱金属氧化物及硫酸铝等都可以作为碱激发活化剂使用，只是单独使用某一种活化剂时效果一般，而两种活化剂复合使用时能获得更好效果。

李静[11]对比研究了氢氧化钠-矿渣和改性水玻璃-矿渣胶凝材料的微观结构，结果表明：矿渣化学组成、激发剂种类与含量对碱矿渣胶凝材料硬化体组成与结构影响较大；因此，可通过改变原材料、激发剂等化学组成来调控碱矿渣胶凝材料硬化体的组成与结构，从而调控其性能。

综上所述，目前化学活化主要采用碱性激发剂，以氢氧化钠和水玻璃为主。激发剂的种类、浓度和固化温度都对最终产物的性能有直接影响，同时复合使用两种激发剂可以取得更好的效果。

2.3 热活化

热活化是通过高温煅烧来激活矿物掺合料的火山灰活性。热活化的作用主要有两方面：一方面是通过煅烧的方式在高温的环境下使微粒发生剧烈的热运动，使矿物中的结合水脱去，使硅氧四面体和铝氧三面体不能聚合成长链，从而形成热力学不稳定的玻璃相结构，提高其活性；另一方面是经过高温煅烧使其中所含的黏土类物质（绿泥石、伊利石等）发生分解，生成活性的氧化硅与氧化铝，从而提高活性[12]。

孙小巍等[13]研究了煅燒制度对页岩火山灰活性的影响，找寻煅烧页岩作为活性掺合料在水泥基材料中的合理掺量，结果表明：页岩的火山灰活性随升温速度、煅烧时间、煅烧温度的提高呈先增大后减小的变化趋势。水泥胶砂抗压强度随煅烧页岩掺量的增加而降低。页岩的最佳煅烧制度为10 ℃/min升温速度、40 min煅烧时间、750 ℃煅烧温度，作为活性掺合料，煅烧页岩在水泥基材料中合理掺量不应超过30%。

曹永丹等[14]通过化学吸钙量和水泥胶砂力学强度测试，研究了煅烧温度及细度对煅烧煤矸石火山灰活性的影响，并结合X射线衍射、红外光谱、扫描电镜和热重测试，研究了煤矸石不同煅烧温度下矿物组成、化学结构及表面形貌发生的变化，结果表明：细度和煅烧温度都会对煅烧煤矸石火山灰活性产生影响，粒度越细煅烧煤矸石的火山灰活性越大，最佳煅烧温度为800 ℃左右；500 ℃煅烧时煤矸石中高岭石开始发生脱羟基反应，其层状结构逐渐被破坏；600～800 ℃煅烧时高岭石完全转变为多孔无序、非晶结构的偏高岭石；煅烧至1 000 ℃时偏高岭石转化为晶态的莫来石和方石英，使煅烧煤矸石无序度变差、火山灰活性变弱。

微波加热是一种新型的热活化方式，具有时间短、加热均匀、无污染等优点。Zhou T T等[15]用微波激发铜尾矿的火山灰活性，通过强度测试、XRD、TG-DTA和SEM等方法研究了激励铜尾矿水泥对水泥力学性能和晶体结构的影响，结果表明：硅酸盐水泥掺入铜尾矿在700～900 W功率下微波活化后的抗压强度增强，水化产物结晶度好，结构致密，当铜尾矿在功率800 W下活化时，抗压强度最高，水化程度最好。

热活化一般适用于黏土类矿物，煅烧温度、时间、矿物掺合料的细度和掺量等都对热活化的效果有影响。微波加热作为一种新型的热活化方式，具有时间短、加热均匀、无污染等优点。

2.4 复合活化

为了更好地提高活化效果，可以将上述几种活化方式复合使用，比如复合热活化、机械-化学耦合活化、机械-化学-热耦合活化等。

张娜等[16]研究了600 ℃简单热活化和复合热活化对赤泥-煤矸石胶凝性能的影响，结果表明：复合热活化之后的赤泥-煤矸石体系的胶凝性能明显提高；复合热活化过程中，赤泥的适量加入有助于房山煤矸石中绿泥石矿物的分解使石英的结晶度明显降低；当赤泥与煤矸石的比例为3∶2，掺量为50%时，复合体系所制备的胶砂试块28 d强度达到37.3 MPa。

朴春爱[17]对铁尾矿粉的机械活化和机械-化学耦合活化工艺活化效应进行分析与探讨，结果表明：铁尾矿粉颗粒在化学-机械耦合活化作用下，发生了很明显的化学-机械耦合效应。与机械活化相比，化学-机械耦合活化作用激发铁尾矿粉颗粒潜在活性的效果更佳。

陈炳江[18]采用机械-化学-热耦合活化方法激发金尾矿潜在的火山灰活性，结果表明：水泥尾矿胶砂试块的抗压强度比（28 d）达到95.60%；在火山灰测试试验中，掺加耦合活化金尾矿粉的水泥浆体溶液中[CaO]的消耗比例在15 d时为60.76%，证明耦合活化后的金尾矿粉在水化后期具有较高的火山灰活性。

复合活化与单一的活化方式相比可以取得更好的效果。

3 实际应用中存在的问题

传统的淤泥处理方式不仅成本高，而且有二次污染的风险，资源化利用研究不足，无法满足淤泥大量产生、亟需处理的现状；作为资源化利用的重要手段，淤泥直接进行固化效果较差，主要是由于淤泥本身活性较低导致的，而目前关于淤泥活化的研究还比较少。

4 结论与展望

淤泥作为一种具有污染性的工程废弃物，其处理一直是人们关注的问题。但从当前研究成果来看，传统的淤泥处理方式存在诸多缺陷；因此现阶段，按照固体废弃物处理的减量化、无害化、资源化原则，应尽可能对淤泥考虑资源化利用。淤泥固化作为资源化利用的重要手段成为当前淤泥研究领域需要关注的关键问题；但淤泥直接进行固化固化效果不理想，建议对淤泥的活化方式进行研究；此外，关于淤泥的资源化利用，目前还缺乏相关的规范标准文件，未来可针对这方面进行系统研究，对不同类型的淤泥进行划分，为今后淤泥资源化利用的发展提供重要的理论指导和技术支持。

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