市政污泥制備蓄水陶土工業(yè)化生產技術與工藝
污泥是在污水處理過程中產生的半固態(tài)或固態(tài)物質（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存在明顯的短板和弊端：（1）污泥堆肥已經明令禁止；（2）污泥制備免燒磚和建材在無害化處置和經濟成本方面得不到有效的技術解決；（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成為城市的難點、痛點，亟待有效的新技術給予解決。
相比傳統(tǒng)的污泥處置技術，污泥制備蓄水陶土生產技術和工藝將污泥無害化處置和資源化利用結合起來，在生產過程中，底泥中的有機物被充分轉化為熱值，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晶固化，由于采用專用技術，物料在爐膛內實現(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生，直接形成了高附加值的新型蓄水材料產品，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，經配料成型、高溫燒結制備的蓄水陶土，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
蓄水陶土制備的核心技術和工藝包括：（1）高含水狀態(tài)下直接成型技術，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計的組分調控技術，通過功能組分和燒結工藝控制，實現(xiàn)重金屬在蓄水材料中高效固化；（3）模塊化靜態(tài)燒結技術，有效保障蓄水材料孔隙連通；（4）系列化的應用技術，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區(qū)別于其它技術的特點是：（1）在工藝方面，區(qū)別于傳統(tǒng)污泥干化制備建材技術，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，不僅工藝流程簡單，而且成本低、能耗低；（2）在產品方面，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℃下有機質熱解氣化在材料內部形成大量內孔結構，隨著溫度的進一步升高，在高于900℃時，材料內專有配方的無機發(fā)泡劑開始反應，氣體溢出時形成大量的介孔，如圖2所示，內部孔隙結構進一步豐富，內部豐富的孔隙結構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。進入孔隙結構里面的水分，與晶格間的O原子相結合，產生不同的表面羥基吸附位點，再加上多孔材料內部不同金屬與氧原子的結合，使得多孔材料顯現(xiàn)為電負性，材料親水性能增強。
此外，蓄水陶土中介孔結構的存在，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晶率在99%以上。經檢測分析發(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生。
03 技術對比
目前國內外同類技術包括污泥焚燒發(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，經配料成型、高溫燒結生產，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%、燒制設備為可移動式一體化設備、建成和運轉投資低，且制備過程對環(huán)境無污染。
目前國內外同類技術包括污泥焚燒發(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，經配料成型、高溫燒結生產，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%、燒制設備為可移動式一體化設備、建成和運轉投資低，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相比，污泥摻量更大、產品制備過程更簡單、處理周期短、設備所占土地面積較小且為可移動式一體式設備、投資較低、產品使用范圍更廣，產品附加值更高；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、技術要求相對較低、建成和運營成本更低、本項目一體式燒成設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、設備靈活且占地面積小、制備過程簡單且易于控制、產品附加值更高。
04 結論
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鍵技術，得出以下結論：（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%，燒制設備為可移動式一體化設備，建成和運轉投資低，且制備過程對環(huán)境無污染。