顧 雍

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海200237）

1 引言

目前，上海市實(shí)現(xiàn)了“兩江并舉、集中取水、水源地供水、一網(wǎng)調(diào)度”的原水供應(yīng)格局，中心城區(qū)的水源地主要包括青草沙水庫(kù)、金澤水庫(kù)和陳行水庫(kù)，3 個(gè)水庫(kù)的取水位置各不相同。原水經(jīng)城鎮(zhèn)供水廠制備后會(huì)產(chǎn)生大量的脫水污泥，產(chǎn)生量逐年遞增，處置需求明確。截至2021 年，上海市每年產(chǎn)生約3.6×105t 給水污泥，平均含水率約69%。目前，給水污泥主要采用傳統(tǒng)的衛(wèi)生填埋或道路回填消納，均存在對(duì)周邊環(huán)境造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)［1-2］。因此，給水污泥的資源化利用勢(shì)在必行。

前人研究表明，給水污泥含有大量無(wú)機(jī)質(zhì)如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，其化學(xué)成分及物理性能與河砂極為類(lèi)似，能夠部分替代河砂制備建筑材料，節(jié)省自然資源［3］。在給水污泥建材資源化領(lǐng)域，目前的主流技術(shù)路線是將污泥與其他原料混合生產(chǎn)燒結(jié)制品、陶粒、水泥、生化纖維板等。利用污泥制造免燒磚的方式相比于燒結(jié)磚能源消耗低、經(jīng)濟(jì)效益好，且符合我國(guó)的“雙碳”計(jì)劃［4］。在采用北方某給水污泥制免燒磚的實(shí)例（65%膠凝材料、25%骨料和10%污泥）中，免燒磚的平均強(qiáng)度能達(dá)到8.8 MPa，有較強(qiáng)的應(yīng)用性和可行性［5］。

然而，給水污泥制免燒磚仍然存在以下問(wèn)題亟待研究：①傳統(tǒng)制磚所使用的天然/人工砂性質(zhì)穩(wěn)定，而給水污泥的泥質(zhì)受到水源地咸潮、水華等影響導(dǎo)致有機(jī)物含量等性質(zhì)變化顯著［6］。因此，需探明不同污泥對(duì)免燒磚性能的影響，從而優(yōu)化制磚工藝；②已有研究中添加了較高比例的膠凝材料與天然砂石料，經(jīng)濟(jì)效益較低［7-8］。建筑垃圾再生骨料的協(xié)同利用可提升效益，但尚未有研究涉及；③給水污泥中部分重金屬污染物超出GB 5085.3—2007 危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別中規(guī)定的限值，加入膠凝劑固化穩(wěn)定化后的重金屬浸出毒性有待探明。

圍繞固廢精細(xì)化管理要求，針對(duì)不同水源地水廠產(chǎn)生的給水污泥制磚特性及變化規(guī)律不明、天然粗骨料用量大等問(wèn)題，以上海市三大水庫(kù)的給水污泥作為研究對(duì)象，采用給水污泥協(xié)同建筑垃圾再生骨料制免燒磚，優(yōu)化級(jí)配，通過(guò)改變污泥-水泥-骨料的配比，研究污泥摻量、污泥含水率、水膠比、污泥來(lái)源、污泥成分等影響因素對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，并開(kāi)展免燒磚的重金屬浸出試驗(yàn)，評(píng)估其環(huán)境安全性。研究成果將為上海市給水污泥的多元利用及分類(lèi)利用模式構(gòu)建提供支撐。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

1）供試給水污泥取自上海市青草沙水庫(kù)給水廠（A 水廠）、金澤水庫(kù)給水廠（B 水廠）、陳行水庫(kù)給水廠（C 水廠），分季節(jié)采得夏季給水污泥和冬季給水污泥。

2）建筑垃圾再生骨料取自上海市嘉定區(qū)某建筑垃圾資源化公司，其中細(xì)骨料粒徑范圍為0～4.75 mm，粗骨料粒徑范圍為4.75～16.00 mm。

3）水泥選用PO.42.5 型普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗(yàn)儀器和測(cè)定方法

試驗(yàn)儀器：壓力試驗(yàn)機(jī)，無(wú)錫建儀TYE-300B；電動(dòng)脫模器，南京聯(lián)銳DLT-III；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，浙江中科SHBY-40B；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，珀金埃爾默NexION 300X。

需測(cè)定的指標(biāo)及其分析方法見(jiàn)表1。

表1 理化指標(biāo)及分析方法Table 1 Physical and chemical indicators and analysis methods

2.3 試驗(yàn)方法

依次按不同物料配比稱量污泥、水泥、建筑垃圾再生骨料和水，將污泥加部分水拌勻成泥漿，然后將再生骨料和水泥加入泥漿拌勻，最后將剩余的水倒入容器中采用機(jī)械攪拌器進(jìn)行混合，以120 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌直至肉眼可見(jiàn)均勻、不結(jié)塊。將完全混合的物料裝入圓柱形模具（高×直徑=100 mm×100 mm）中壓制成型，成型壓力為20 MPa，然后將得到的免燒磚放入恒溫（20±1）℃、恒濕≥90%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d，最后根據(jù)GB/T 4111—2013 混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法檢測(cè)相應(yīng)免燒磚的抗壓強(qiáng)度。具體試驗(yàn)流程如圖1 所示。

圖1 污泥免燒磚試驗(yàn)流程Figure 1 Experimental process of sludge unburned brick

本研究保持骨料最優(yōu)級(jí)配不變，選擇含水率、粒徑為4.75～16.00 mm 和0～4.75 mm 的兩種骨料摻量（骨料與干物質(zhì)總量的比）、給水污泥摻量（給水廠污泥添加量與干物質(zhì)總量的比）作為研究對(duì)象，探索制備給水污泥免燒磚的最優(yōu)配比以及最佳性能。

為達(dá)到合理級(jí)配范圍的要求，在實(shí)際使用礦料時(shí)通常需要采用兩種或兩種以上的集料進(jìn)行組成搭配。目前實(shí)際使用的礦料級(jí)配類(lèi)型主要為連續(xù)級(jí)配，筆者查閱大量文獻(xiàn)得知，泰波理論在散體顆粒級(jí)配優(yōu)化方面應(yīng)用較為廣泛。泰波理論即最大密度曲線理論，認(rèn)為固體顆粒按照粒度大小、有規(guī)則地排列、粗細(xì)搭配，可以得到密度最大、孔隙最小的混合料，其表達(dá)式為：

式中：P 為散體各粒徑的通過(guò)百分率，%；d為散體中的各粒徑，mm；D 為散體的最大粒徑，mm；n 為級(jí)配系數(shù)。

據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，n 約為0.45 時(shí)，礦質(zhì)混合料具有較大密實(shí)度。根據(jù)JTG E42—2005 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程：粗集料是指粒徑大于4.75 mm 的碎石、礫石和破碎礫石；細(xì)集料是指粒徑小于4.75 mm 的天然砂、人工砂。粒徑級(jí)配優(yōu)化方案為細(xì)集料57.9%、粗集料42.1%。

因此，將試驗(yàn)用粗骨料和細(xì)骨料的配比分別確定為25%和35%。給水污泥摻量設(shè)置為20%、水泥摻量為20%。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)5 組給水污泥含水率，分別為20%、40%、50%、60%、70%；同時(shí)給水污泥設(shè)置5 個(gè)不同摻量，分別為0、5%、10%、15%、20%，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)物料配比見(jiàn)表2，共12 組，每組9 塊免燒磚。

表2 配比設(shè)計(jì)Table 2 Proportioning design

3 結(jié)果與討論

3.1 理化性質(zhì)分析

A 水廠、B 水廠和C 水廠冬季和夏季的給水污泥理化性質(zhì)如表3 所示。由表3 可知，給水污泥性質(zhì)呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：①污泥主要由SiO2、Al2O3等礦物組成，具有建材利用的潛力；②污泥成分呈現(xiàn)季節(jié)性差異，夏季污泥有機(jī)質(zhì)含量高于冬季污泥，有機(jī)質(zhì)含量與污泥pH 呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。鑒于一定范圍內(nèi)pH 越高，水泥的水化反應(yīng)越有利［9］，因此C 水廠冬季污泥較優(yōu)。

表3 給水污泥理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical properties of water supply sludge

X 射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）結(jié)果如圖2 所示，其主要礦物組成為石英SiO2、白云母KAl2Si3AlO10（OH）2、伊利石KAl2[（OH）2AlSi3O10]、高嶺土Al2O3·2SiO2·2H2O，這表明給水污泥無(wú)機(jī)成分具有建材資源化的潛質(zhì)；白云母為造巖礦物，伊利石、高嶺土為黏土礦物，均具有巨大的工業(yè)價(jià)值，這些無(wú)機(jī)成分能夠在建筑業(yè)中提高制品強(qiáng)度［10］。

圖2 給水污泥XRD 分析結(jié)果Figure 2 Analysis result of water supply sludge by XRD

采用激光粒度儀對(duì)烘干后3 個(gè)水廠夏季和冬季的污泥樣品進(jìn)行粒徑分析后，黏粒（＜2 μm）、粉粒（2～20 μm）和砂粒（20～2 000 μm）占比如表4 所示。A 水廠和B 水廠污泥以粗顆粒為主，砂粒含量高。相較于A 水廠和B 水廠，C 水廠污泥粉粒含量占比增高，制磚時(shí)細(xì)集料與膠凝材料之間的界面面積越大，磚的抗壓強(qiáng)度越大。

表4 夏季、冬季給水污泥粒徑分布Table 4 Particle size distribution of water supply sludge in summer and winter

綜合分析污泥組成及粒徑分布，C 水廠冬季污泥pH 最高，其粉粒含量占比相對(duì)較高，最適合制作免燒磚，故選用C 水廠冬季給水污泥作為主要研究對(duì)象。

3.2 免燒磚抗壓強(qiáng)度單因素影響試驗(yàn)

3.2.1 污泥摻量

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細(xì)骨料摻量35%，C 水廠給水污泥摻量分別為0、5%、10%、15%、20%（總量不變，缺少的摻量用細(xì)骨料代替），分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 的條件下，考察污泥摻量對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 污泥摻量對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Figure 3 Effects of sludge dosage on compressive strength of unburned brick

從圖3 可以看出，隨著給水污泥摻量增加，免燒磚強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。但在污泥摻量為0 時(shí)，28 d 齡期免燒磚的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了9.17 MPa，摻入量上升到5%時(shí)，免燒磚抗壓強(qiáng)度上升到10.54 MPa，上升了14.9%。該現(xiàn)象主要原因在于給水污泥中有機(jī)物含量對(duì)磚強(qiáng)度的負(fù)效應(yīng)小于其填充作用對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的正效應(yīng)，整體表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度上升。在污泥摻量為15%時(shí)，28 d 齡期免燒磚的抗壓強(qiáng)度為6.59 MPa，摻入量上升到20%時(shí)，免燒磚抗壓強(qiáng)度下降到6.10 MPa，僅降低了7.4%，且當(dāng)污泥摻量繼續(xù)增大，免燒磚強(qiáng)度過(guò)低難以作為建筑材料使用［11］。考慮到污泥資源化率最大、經(jīng)濟(jì)成本最低和符合免燒磚抗壓強(qiáng)度要求等因素，污泥摻量選取20%。

3.2.2 污泥含水率

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細(xì)骨料摻量35%，C 水廠給水污泥含水率分別為20%、40%、50%、60%，分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 的條件下，考察污泥含水率對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 污泥含水率對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Figure 4 Effects of sludge moisture content on compressive strength of unburned brick

從圖4 可以看出，隨著污泥含水率增加，免燒磚強(qiáng)度總體呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。污泥初始含水率對(duì)免燒磚的強(qiáng)度有顯著影響，污泥、水泥和再生骨料的加入均會(huì)降低拌合料的含水率，引起需水量的增加，在固化過(guò)程中，應(yīng)在滿足攪拌和流動(dòng)性的要求時(shí)選擇含水率較高的污泥進(jìn)行固化處理，污泥含水率越高，拌合料的流動(dòng)性、均勻性越好，同時(shí)為水化反應(yīng)提供更多水分［11］，從而有利于強(qiáng)度形成。

3.2.3 水膠比

在水泥摻量20%，再生粗骨料摻量25%，再生細(xì)骨料摻量35%，選取C 水廠給水污泥，水膠比分別為0.50、0.75，分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 的條件下，考察水膠比對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水膠比對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Figure 5 Effects of water-binder ratio on compressive strength of unburned brick

從圖5 可以看出，隨著水膠比增加，免燒磚強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)水膠比為0.75 時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d 的免燒磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到了15 MPa。因?yàn)橹拼u所用的污泥、水泥、再生骨料都是吸水性強(qiáng)的材料，水膠比的改變極大程度影響了免燒磚整體的強(qiáng)度［12］。

3.2.4 污泥來(lái)源

不同因素對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖6所示。從3 d 和7 d 磚塊的早期強(qiáng)度形成來(lái)看，由圖6（a）可知，3 家水廠冬季污泥固化塊強(qiáng)度依次為C 水廠＞B 水廠＞A 水廠；由圖6（b）可知，夏季污泥固化強(qiáng)度低于冬季污泥固化強(qiáng)度。結(jié)合有機(jī)質(zhì)含量，夏季給水污泥有機(jī)質(zhì)含量整體高于冬季給水污泥（表3），3 家給水污泥有機(jī)質(zhì)含量為A水廠＞B 水廠＞C 水廠，隨有機(jī)質(zhì)含量的提高，免燒磚的抗壓強(qiáng)度變低。有機(jī)質(zhì)延緩了水泥水化的進(jìn)程，同時(shí)會(huì)分解一部分水化產(chǎn)物，阻礙水泥的硬化，進(jìn)而影響免燒磚強(qiáng)度［13］。為進(jìn)一步探究體系pH 對(duì)磚強(qiáng)度的影響，開(kāi)展了3%CaO 添加試驗(yàn)，結(jié)果如圖6（c）所示。結(jié)果表明，添加3%CaO 的免燒磚抗壓強(qiáng)度明顯高于不投加的試驗(yàn)組，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)較高的pH 有利于水化反應(yīng)進(jìn)行，隨pH 的增大，水泥的水化速率加快，免燒磚強(qiáng)度增加［9］。

圖6 不同因素對(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響Figure 6 Effects of different factors on compressive strength of unburned brick

3.3 重金屬浸出試驗(yàn)

C 水廠冬季污泥的重金屬元素含量如表5 所示。由表5 可知，C 水廠冬季污泥中Pb、Cr、Ni、Zn、Cu含量均低于GB/T 25031—2010 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)中規(guī)定的限值，而As 本體值含量84.1 mg/kg 高于限值75 mg/kg，同時(shí)在堿性環(huán)境下As 的遷移風(fēng)險(xiǎn)增大，為探究給水污泥的安全性，As 浸出的數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 As 浸出濃度Figure 7 As leaching concentration

表5 C 水廠冬季污泥重金屬含量Table 5 Heavy metal contents in winter sludge of water plant C

由圖7 可知，隨著固化齡期的延長(zhǎng)，As 的浸出濃度上下波動(dòng)并無(wú)明顯變化趨勢(shì)。給水污泥加水泥及建筑碎渣固化時(shí)，反應(yīng)環(huán)境為堿性，過(guò)剩的OH-與陰離子砷酸鹽和亞砷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)土壤吸附點(diǎn)位，發(fā)生排斥作用，導(dǎo)致土壤各礦物組分吸附砷的能力下降；同時(shí)Ca2+與HAsO42-形成較難溶的CaHAsO4，當(dāng)HAsO42-解離后，能形成較多的CaHAsO4和Ca3（AsO4）2，另外Ca2+在堿性條件下形成無(wú)定形CaCO3，As 通過(guò)與無(wú)定形CaCO3共沉淀或吸附在其上；兩種拮抗作用同時(shí)發(fā)生，表現(xiàn)為固化對(duì)污泥As 的浸出無(wú)明顯影響。固化后As 浸出濃度遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007 中規(guī)定的限值。故給水污泥免燒磚無(wú)明顯環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 微觀機(jī)理分析

為更深層次地揭示免燒磚微結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，本研究采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 免燒磚的截面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 免燒磚截面掃描電鏡照片F(xiàn)igure 8 Scanning electron microscope photos of unburned brick section

由圖8 可知，免燒磚試樣水化后產(chǎn)生的網(wǎng)狀交錯(cuò)密布結(jié)構(gòu)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)愈發(fā)致密，并與再生骨料緊密結(jié)合。這是因?yàn)楣杷猁}水泥中的鋁酸三鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等礦物水化成水化硅酸鈣，并在晶體間不斷相互穿插、黏結(jié)、聚結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將污泥和骨料等包裹在內(nèi)，從而使整個(gè)配合料凝結(jié)成一個(gè)整體，最后經(jīng)干燥硬化形成了具有一定強(qiáng)度的聚合結(jié)構(gòu)［14］。通過(guò)圖8 可以看出，養(yǎng)護(hù)3 d的微孔最多，界面相對(duì)松散，因此強(qiáng)度低；養(yǎng)護(hù)28 d的微孔最少，界面相對(duì)致密，因此強(qiáng)度高。

4 結(jié)論

1）本研究免燒磚的最優(yōu)配方為水泥20%、污泥20%、再生粗骨料25%、再生細(xì)骨料35%、污泥含水率70%，28 d 抗壓強(qiáng)度高達(dá)15 MPa，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到GB/T 8239—2014 中的MU15。

2）污泥的有機(jī)物含量越高、pH 越低，免燒磚的強(qiáng)度越低，整體表現(xiàn)為冬季優(yōu)于夏季。通過(guò)加入CaO 可顯著提升免燒磚強(qiáng)度。

3）重金屬浸出試驗(yàn)證明As 的遷移性并不會(huì)在制磚過(guò)程中增加，污泥免燒磚無(wú)明顯環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。

4）隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，28 d 時(shí)各材料結(jié)合良好，混合均勻，界面相對(duì)致密，在機(jī)械強(qiáng)度方面有更好的性能。

致謝：感謝上海理工大學(xué)高慧敏和康愷同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供的測(cè)試幫助。