周仕祺，李广坤，周于翔，杨乐成

（北京交通大学威海校区，山东威海 264401）

城市污泥是由市政规划、工业生产等过程中产生的一种含有大量重金属元素、病原体以及病毒等物质的有害废弃物，如果处置不当，则会产生二次污染给环境造成重大危害。当前主要有3 种污泥处置方法：（1）污泥填埋，这是最廉价、也最普遍的处理方式，但重金属或一些有害的病原体、微生物有可能在土壤中扩散，影响周边生态环境；（2）农业堆肥，污泥当中的大量的氮磷等元素有助于农作物的生长，但污泥当中的重金属在土壤当中会逐步累积，并转移到农作物中；（3）污泥焚烧，污泥焚烧是目前比较有效的处理方式，它能将有机物碳化并杀死病原体，但缺点在于处理设施投资大、能耗高、成本高，并且焚烧过程产生大量温室气体[1－4]。我国目前主要采取的3 种污泥处置方式都有明显的弊端，寻找合适的污泥处置技术迫在眉睫。2017年《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》明确提出要由“重水轻泥”向“泥水并重”转变；2020年7月，发改委和住建委发布的《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》中强调要加快推进污泥无害化处置和资源化利用，要求在污泥浓缩、调理和脱水等减量化处理基础上，根据污泥产量和泥质，结合本地经济社会发展水平，选择适宜的处置技术路线。因此污泥的合理处置与资源化成为当下研究的热点。

1 污泥的特征

当前污泥的主体主要为城市生活污泥，按来源可分为自来水厂污泥、污水处理厂污泥、排水沟道污泥等[5，6]。城市生活污泥具有含水率高（最高可高达99%）、有机物含量高、重金属（Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg、Cd 等）含量高、病原体和微生物含量高、热值高等特点[7，8]。由于污泥中存在大量有机物、病原体和重金属，合理处置可以“变废为宝”，处理不当则很有可能造成二次污染，因此对于污泥采取资源化和无害化处理显得尤为重要。

当前对污泥处理主要是通过物理化学方法和机械手段相结合以降低污泥的含水率，进一步达到资源化利用的要求。一般的污泥处理工艺主要包括浓缩、硝化、调节、脱水等步骤，处理后污泥的含水率可以降到75%～80%。

2 污泥陶粒烧制的可行性分析

2.1 陶粒概述

陶粒是一种以各种粘土、泥岩、板岩、煤矸石、粉煤灰、页岩、淤污泥及工业固体废弃物等为主要原料，经加工成粒、焙烧而成的人造轻骨料。陶粒内部含有微孔结构，并且具有防火、抗冻、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好等特点，因此近年来受到了人们的广泛关注[9－11]。传统的粘土、页岩陶粒都是由不可再生资源制成，不利于经济社会的可持续发展。利用污泥烧制陶粒不仅是一种合理处置污泥的方式，而且具有可持续发展的特点，对于实现社会的绿色发展具有重要意义。

2.2 污泥陶粒烧制的可行性分析

污泥中大约含有50%的有机质可以为陶粒烧胀提供所需的热量，同时污泥中含有大量的SiO2、A12O33等成陶成分，能够在烧制过程中形成骨架结构，污泥中含有的Fe2O3、CaO 和MgO 等物质能够起到助熔作用，降低焙烧温度，因此污泥烧制陶粒在原料组成上来说是可行的。翁焕新等[12]对污泥干化及陶粒烧制工艺流程的研究结果表明，污水处理厂污泥中Al2O3、Na2O、K2O 的质量分数均在可用于烧制陶粒的化学组成范围内；SiO2和Fe2O3的质量分数接近于下限值，因此污泥具备烧制成陶粒的基本条件。岳敏等[13]根据Riley 三元相图研究得出结论：当SiO2在53%～79%，Al2O3在10%～25%，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O 和K2O 等熔剂之和在13%～26%时，陶粒烧胀效果最好。

城市污泥中虽然含有成陶的基本成分，具备烧制的基本条件,但是从表1[14]可知，城市污泥中SiO2的含量大多在20%～45%，含量明显低于成陶的条件，这样烧制的陶粒强度低，易破碎。因此需要添加一些额外的成陶物质以保证陶粒的烧制强度。

表1 不同城市污泥化学成分分析%

3 污泥陶粒的烧制

3.1 陶粒的烧制流程

当前，陶粒的制备主要由配料—混匀—造粒—干燥—预热与焙烧—冷却6 个步骤完成：按照满足烧制条件的成分要求进行原料配比；将原料混匀；利用造粒机将原料定型成球体或柱状；在自然条件下或在105 ℃左右范围内进行烘干；干燥后的陶粒在300～600 ℃进行10～30 min 的预热，预热后在1 000～1 200 ℃下焙烧10～30 min，具体的焙烧温度和时间根据原料的物质含量的不同有稍微变化；焙烧完毕后冷却一段时间便能得到烧制成型污泥陶粒。具体烧制流程如图1 所示。

图1 陶粒的烧制流程

3.2 影响陶粒性质的因素

在污泥陶粒的烧制过程中，原料配比、预热温度和时间、焙烧温度和时间等都会对污泥陶粒的性质产生较大影响。

3.2.1 原料配比

在配料的过程中，大量的无机成陶物质可以提高陶粒的强度。杜欣等[15]在对比湿法和干法造粒的工艺中发现粘土、粉煤灰和污泥的配比对陶粒的抗压强度、吸水率、烧失率、密度等性质都有影响。另外，原料配比对陶粒的烧胀系数也有影响，随着污泥比例的减少，陶粒样品的烧胀系数逐渐降低，因为污泥中的有机质为陶粒烧胀提供了必要的碳元素, 使陶粒在烧制过程中能产生足够的CO2气体使之膨胀。但污泥掺入比例也不能过大，否则会导致陶粒发生炸裂[16]。许国仁等[17]探究得出，随着污泥用量的增加，陶粒孔隙率和吸水率均会降低，当污泥和辅料质量比接近1∶1 时，烧制的陶粒外表坚硬，强度达到最高。

3.2.2 预热温度及时间

预热温度和时间对陶粒的堆积密度、抗压强度和吸水率均具有影响，更长的预热时间有利于污泥中的有机物充分分解从而更有利于陶粒的膨胀[14]。随着预热温度的升高和时间的延长，陶粒的抗压强度增大，堆积密度和吸水率下降，但抗压强度和吸水率变化不大，因此预热的温度和时间主要对陶粒的堆积密度产生影响[18，19]。当然，陶粒的各项指标随预热温度的变化也不能一概而论，齐元峰等[20]通过单因素法研究预热温度对陶粒的堆积密度和吸水率的影响，并得出结论：当预热温度小于400 ℃时，堆积密度和吸水率随预热温度的升高而降低，与其他学者结论相同；但当温度大于400 ℃时，堆积密度和吸水率随预热温度的升高而增大。

3.2.3 焙烧温度和时间

陶粒的吸水率随烧结时间的延长而降低，当烧结时间小于5 min，陶粒吸水率会过高导致结构松散；当烧结时间大于30 min 时，陶粒会产生过多液相，也不利于成型。过长的烧结时间会使不联通的微孔互相连接形成大气孔从而降低强度，同时也导致能量消耗过大[21]。陶粒在烧结过程中，随着温度的升高，陶粒内部发生一系列变化。温度上升到800 ℃左右时，陶粒开始产生液相熔融态物质，液相物质含量随着温度的升高而增加[22，23]；温度低时陶粒表面会产生釉质层，导致陶粒外层紧密[24]。随着温度的上升，陶粒的烧胀系数先增大后减小，因为在烧结温度较低时，陶粒焙烧不充分，难以形成液相包裹内部气体使其膨胀。随着温度的上升，液相高逐渐增多，粘度减小，产生气体逐渐增多，在陶粒内部膨胀形成气孔；如果烧结温度继续上升，则有可能产生过多的液相，液相回填使得孔隙率下降，同时，过高的温度还可能导致陶粒表面破裂[25，26]。贺君等[27]在实验室测得污泥添加量为30%的条件下，在1 140 ℃焙烧5 min 可得到40 MPa 的高强度陶粒。金宜英等[28]研究污泥最大产量为80%时，在1 060 ℃烧结15 min 效果最好。由于原料的比例和预热的方式不同，因此，对于不同的陶粒，最适的焙烧温度和时间也不尽相同。但是在一定的焙烧温度区间范围内，陶粒内部的变化基本相同，如表2 所示。

表2 烧制过程中不同温度下陶粒的变化和状态

在上述3 种影响因素中，污泥和辅料的合适比例是陶粒烧制的先决条件，它从根本上决定了陶粒的烧制强度；在原料比例合适的情况下，烧结温度和时间的影响最大，它决定了陶粒能否烧制成型，并且在很大程度上影响了陶粒烧制后的物理性质；其次为预热温度和时间，它也会通过影响有机物的碳化从而影响陶粒的强度。这三种因素均对陶粒的性能有一定影响，因此在实际生产中应当根据污泥成分的不同选择合适的辅料种类和配比，通过正交实验确定最佳的烧制方案，以保证最佳的烧制效果。

4 污泥陶粒的改性与应用

污泥陶粒与活性炭类似凭借其多孔的特点具有吸附性质，可应用于吸附水中的氮、磷以及重金属离子等污染物，但其吸附效果有限，因此可以通过对陶粒改性来提高其吸附性，进而提高污泥陶粒除去污染物的能力。

4.1 改变内部结构

污泥陶粒内部结构对其自身的吸附性有着很大影响。因此，可以通过改变污泥陶粒的孔径大小、提高孔隙率或增大比表面积来增强污泥陶粒吸附性。控制温度、加入高温分解产生气体的物质和沸石化改性是三种有效措施。温度升高，污泥中有机物分解的速率加快，导致CO2和CO 快速产生，进而使污泥陶粒的表面孔径增大；掺入高温分解产生气体或高温气化挥发的物质，例如CaCO3、Fe2O3等，利用产生的气体来增大烧制后陶粒的孔径，进而提高孔隙率；在碱水热条件下控制碱浓度为3～4 mol/L，反应温度为160 ℃，陶粒中的石英、钠长石等物质转变为方沸石和钙十字沸石，使内部形成复孔和双相的沸石结构，进而增大比表面积[29]。

4.2 酸碱改性

将烧制后的污泥陶粒浸泡在酸性或碱性溶液中24 h 以上进行酸碱改性。酸碱改性主要通过浸泡增加陶粒表面酸性或碱性基团的数量，从而提高吸附性。李佳丽[30]以Pb2+为目标吸附物，分别用HCl、HNO3和柠檬酸对污泥陶粒进行浸泡，实验得出当盐酸的浓度为1 mol/L 时或柠檬酸的浓度为0.5 mol/L 时，对于酸性基团数量的增加贡献最大。盐酸浓度为1 mol/L 时，改性后的陶粒对Pb2+的吸附达到最大值，原因是大量羧基和羟基参与了Pb2+的吸附反应。彭小乐[31]研究了使用硫酸或磷酸改性的污泥陶粒对室内甲醛吸附的影响，实验结果表明，在当硫酸或磷酸的浓度在0.1～1 mol/L 时，酸的浓度越高，改性污泥陶粒对于甲醛的吸附效果越好。李一兵等[32，33]用氢氧化钠进行碱改性，得到表面呈蜂窝状结构的改性陶粒，对Ni2+的吸附量明显增加。

4.3 引入其他离子

根据去除污染物的不同引入不同的离子，如：Ba2+、Al3+、Fe3+、Na+等对污泥陶粒进行改性[34-36]。污泥陶粒中引入其他离子的去除原理可大致分为3 种：（1）利用絮凝机理达到去除水中有机物或胶体等物质的目的，将碱式聚合氯化铝胶体与粉煤灰混合，烧结固化后可以使陶粒同时具有絮凝和吸附的效果，由于陶粒本身具有吸附性质，使得Al3+、Fe3+在污泥陶粒上的缓慢释放比单纯使用絮凝剂有更好的去除污染物效果[37]。（2）利用离子交换原理进行污染物的置换，将污泥粉末浸泡在柠檬酸钠溶液中，Na+能够置换出污泥当中半径较大的Ca2+、Mg2+等，从而增大了陶粒的离子交换容量，进而能够增强污水中的氨氮的去除效果。另外，由于低价的Na+与结构单元之间的作用较弱，能够分散形成更薄的单晶片，从而使陶粒拥有更大的内表面积，进一步增大污泥陶粒对污染物的吸附效率[38]。（3）利用化学反应进行污染物质的去除，将烧好的污泥陶粒用氯化钡浸泡，Ba2+可以通过离子交换固定在陶粒表面，氯化钡改性后的陶粒对于污水中重金属铬有很好的去除效果，当陶粒与废水中的Cr6+接触时，发生化学反应，形成铬酸钡沉淀在陶粒表面，去除效果远超普通污泥陶粒[39]。

5 总结

当前我国常用的污泥处置方法存在着一定的弊端，寻找合适的污泥处置方法迫在眉睫。城市污泥中不仅含有丰富的有机质，同时也含有一定量的成陶成分，具备烧制成陶粒的条件。为保证陶粒烧制的效果，需要适当添加一些辅料。污泥陶粒的原料配比、预热方法和烧结方法都会对污泥陶粒的性能产生影响，因此在烧制陶粒的应用中，应根据污泥的成分含量通过正交实验来确定合适的辅料配比、预热方法和烧结方法，从而保证最佳的烧制效果。污泥陶粒具有一定的吸附性，可以作为一种吸附剂应用到污水处理中，针对污水中不同的污染物采用不同的改性方法，从而充分发挥污泥陶粒的吸附性。将城市污泥烧制成陶粒，不仅可以解决污泥处置的社会性难题，同时还能够将其应用到污水处理中，真正做到以废治废，实现绿色可持续发展。