市政污泥制備蓄水陶土工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)與工藝
污泥是在污水處理過程中產(chǎn)生的半固態(tài)或固態(tài)物質(zhì)（不包括柵渣、浮渣和沉砂），濃縮并匯集了污水中30%～50%的污染物及有機物，具有“污染”“資源”雙重屬性。據(jù)統(tǒng)計，我國每日總污水處理規(guī)模超過兩億立方米，污泥年排放量已達6000萬噸，約占全球總污水處理規(guī)模的1/5，預計2025年我國市政污泥年產(chǎn)量將突破9000萬噸。污泥具有含水率高（可高達99%以上），有機物含量高的特性，對污泥進行減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化處理處置，是開展污染防治攻堅戰(zhàn)的重要任務，也是未來污水處理行業(yè)減污降碳的發(fā)展方向。而現(xiàn)有的主流污泥處理處置技術(shù)存在明顯的短板和弊端：（1）污泥堆肥已經(jīng)明令禁止；（2）污泥制備免燒磚和建材在無害化處置和經(jīng)濟成本方面得不到有效的技術(shù)解決；（3）干化焚燒成為目前常用的方法，但干化焚燒能耗高、投資大、資源化低，同時溫度難以控制，容易產(chǎn)生二噁英，且重金屬得不到控制，剩余灰燼還需要填埋。因此市政污泥處理處置已經(jīng)成為城市的難點、痛點，亟待有效的新技術(shù)給予解決。
相比傳統(tǒng)的污泥處置技術(shù)，污泥制備蓄水陶土生產(chǎn)技術(shù)和工藝將污泥無害化處置和資源化利用結(jié)合起來，在生產(chǎn)過程中，底泥中的有機物被充分轉(zhuǎn)化為熱值，煙氣通過循環(huán)熱量也得到有效回收，充分節(jié)能降耗。在整個處理過程中重金屬得到有效物理結(jié)晶固化，由于采用專用技術(shù)，物料在爐膛內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)燃燒，溫度場均勻，避免了二噁英等大氣污染物的產(chǎn)生，直接形成了高附加值的新型蓄水材料產(chǎn)品，有效解決了污泥的無害化處置和污泥資源化出路問題。本研究以污泥、秸稈為主要原料，添加少量功能性外加劑，經(jīng)配料成型、高溫燒結(jié)制備的蓄水陶土，可廣泛應用于海綿城市、水環(huán)境治理、生態(tài)綠化等行業(yè)。
01 制備技術(shù)
蓄水陶土制備的核心技術(shù)和工藝包括：（1）高含水狀態(tài)下直接成型技術(shù)，實現(xiàn)污泥含水率達60%時摻量達到70%；（2）基于重金屬高效固化與功能設(shè)計的組分調(diào)控技術(shù)，通過功能組分和燒結(jié)工藝控制，實現(xiàn)重金屬在蓄水材料中高效固化；（3）模塊化靜態(tài)燒結(jié)技術(shù)，有效保障蓄水材料孔隙連通；（4）系列化的應用技術(shù)，實現(xiàn)蓄水材料的長效、功能化應用。具體的工藝流程如圖1所示。
本文所述蓄水陶土制備技術(shù)區(qū)別于其它技術(shù)的特點是：（1）在工藝方面，區(qū)別于傳統(tǒng)污泥干化制備建材技術(shù)，該項目無需對污泥進行干燥，而是直接成型、余熱干燥、靜態(tài)燒結(jié)，不僅工藝流程簡單，而且成本低、能耗低；（2）在產(chǎn)品方面，區(qū)別于傳統(tǒng)建材，蓄水材料具有快速吸水、高效凈水、大量儲水、緩慢釋水等特點。
02 蓄水陶土性能分析
蓄水陶土的制備采用專用網(wǎng)袋窯設(shè)計與工況原理，利用污泥中含有大量的有機物，其中SiO2和Al2O3等成陶的組分含量較高的特性，采用兩段式加溫，400-500℃下有機質(zhì)熱解氣化在材料內(nèi)部形成大量內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，隨著溫度的進一步升高，在高于900℃時，材料內(nèi)專有配方的無機發(fā)泡劑開始反應，氣體溢出時形成大量的介孔，如圖2所示，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進一步豐富，內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)使其具備良好的吸水性能。
如圖3所示，蓄水陶土的吸水率達93.2%，每立方米可吸水400～500kg，綜合蓄水率最高可達110%。主要是因為連通孔為水分子的進入提供了橋梁，水分子通過連通孔進入大孔后，通過毛細孔向介孔及微孔滲透。進入孔隙結(jié)構(gòu)里面的水分，與晶格間的O原子相結(jié)合，產(chǎn)生不同的表面羥基吸附位點，再加上多孔材料內(nèi)部不同金屬與氧原子的結(jié)合，使得多孔材料顯現(xiàn)為電負性，材料親水性能增強。
此外，蓄水陶土中介孔結(jié)構(gòu)的存在，使得表面羥基吸附位點增多，表面羥基與水分子間易形成氫鍵，氫鍵具有可逆性，進而使得蓄水陶土具備更好的吸、釋水能力。在對材料進行晶相分析時發(fā)現(xiàn)，材料中的主要晶相為石英、莫來石、鈣長石、赤鐵礦和尖晶石相。通過金屬與鐵原子結(jié)合的尖晶石相，實現(xiàn)可以重金屬固化，達到重金屬溶出率幾乎為零的效果。如圖4所示，蓄水陶土制備過程中污泥原料中所含的重金屬結(jié)晶率在99%以上。經(jīng)檢測分析發(fā)現(xiàn)，蓄水陶土無論使用在酸性還是堿性土壤中，又或是不同溫度條件下，幾乎沒有任何重金屬溶出物產(chǎn)生。
03 技術(shù)對比
目前國內(nèi)外同類技術(shù)包括污泥焚燒發(fā)電、污泥制陶粒、污泥制磚等，具體對比如表1所示。從對比結(jié)果來看，本文以污泥、秸稈為主要原料，添加少量功能性外加劑，經(jīng)配料成型、高溫燒結(jié)生產(chǎn)，制備過程簡單、制備周期短、制備過程耗能低且污泥含水率達60%時摻量達到70%、燒制設(shè)備為可移動式一體化設(shè)備、建成和運轉(zhuǎn)投資低，且制備過程對環(huán)境無污染。
目前國內(nèi)外同類技術(shù)包括污泥焚燒發(fā)電、污泥制陶粒、污泥制磚等，具體對比如表1所示。從對比結(jié)果來看，本文以污泥、秸稈為主要原料，添加少量功能性外加劑，經(jīng)配料成型、高溫燒結(jié)生產(chǎn)，制備過程簡單、制備周期短、制備過程耗能低且污泥含水率達60%時摻量達到70%、燒制設(shè)備為可移動式一體化設(shè)備、建成和運轉(zhuǎn)投資低，且制備過程對環(huán)境無污染。
本文采用的污泥處置方式與污泥制磚技術(shù)相比，污泥摻量更大、產(chǎn)品制備過程更簡單、處理周期短、設(shè)備所占土地面積較小且為可移動式一體式設(shè)備、投資較低、產(chǎn)品使用范圍更廣，產(chǎn)品附加值更高；相比于焚燒發(fā)電，處理和制備過程簡單、制備周期短、制備系統(tǒng)簡單、技術(shù)要求相對較低、建成和運營成本更低、本項目一體式燒成設(shè)備占地面積小且可移動，且耗能較低；相比于污泥堆肥，制備過程無污染、設(shè)備靈活且占地面積小、制備過程簡單且易于控制、產(chǎn)品附加值更高。
04 結(jié)論
為高效實現(xiàn)市政污泥處理處置的無害化、資源化安全利用，本文研究了以污泥、秸稈為主要原料制備蓄水陶土的關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：（1）污泥制備的蓄水陶土體積孔隙率可以達到80%，吸水率達93.2%，每立方米可吸水400～500kg，綜合蓄水率最高可達110%。（2）通過金屬與鐵原子結(jié)合的尖晶石相可以實現(xiàn)蓄水陶土的污泥原料中重金屬的固化，所含的重金屬結(jié)晶率在99%以上。（3）本文所述蓄水陶土的制備過程簡單、制備周期短、制備過程耗能低且污泥含水率達60%時摻量達到70%，燒制設(shè)備為可移動式一體化設(shè)備，建成和運轉(zhuǎn)投資低，且制備過程對環(huán)境無污染。