污泥是在污水處理過(guò)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。據統計，我國每日總污水處理規模超過(guò)兩億立方米，污泥年排放量已達6000萬(wàn)噸，約占全球總污水處理規模的1/5，預計2025年我國市政污泥年產(chǎn)量將突破9000萬(wàn)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(jìn)行減量化、穩定化、無(wú)害化、資源化處理處置，是開(kāi)展污染防治攻堅戰的重要任務(wù)，也是未來(lái)污水處理行業(yè)減污降碳的發(fā)展方向。而現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(wú)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(shí)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(diǎn)、痛點(diǎn)，亟待有效的新技術(shù)給予解決。

相比傳統的污泥處置技術(shù)，污泥制備蓄水陶土生產(chǎn)技術(shù)和工藝將污泥無(wú)害化處置和資源化利用結合起來(lái)，在生產(chǎn)過(guò)程中，底泥中的有機物被充分轉化為熱值，煙氣通過(guò)循環(huán)熱量也得到有效回收，充分節能降耗。在整個(gè)處理過(guò)程中重金屬得到有效物理結晶固化，由于采用專(zhuān)用技術(shù)，物料在爐膛內實(shí)現穩態(tài)燃燒，溫度場(chǎng)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(wú)害化處置和污泥資源化出路問(wèn)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(shí)現污泥含水率達60%時(shí)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(shù)，通過(guò)功能組分和燒結工藝控制，實(shí)現重金屬在蓄水材料中高效固化；（3）模塊化靜態(tài)燒結技術(shù)，有效保障蓄水材料孔隙連通；（4）系列化的應用技術(shù)，實(shí)現蓄水材料的長(cháng)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)區別于其它技術(shù)的特點(diǎn)是：（1）在工藝方面，區別于傳統污泥干化制備建材技術(shù)，該項目無(wú)需對污泥進(jìn)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(jiǎn)單，而且成本低、能耗低；（2）在產(chǎn)品方面，區別于傳統建材，蓄水材料具有快速吸水、高效凈水、大量?jì)λ?、緩慢釋水等特點(diǎn)。

02 蓄水陶土性能分析

蓄水陶土的制備采用專(zhuān)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(zhì)熱解氣化在材料內部形成大量?jì)瓤捉Y構，隨著(zhù)溫度的進(jìn)一步升高，在高于900℃時(shí)，材料內專(zhuān)有配方的無(wú)機發(fā)泡劑開(kāi)始反應，氣體溢出時(shí)形成大量的介孔，如圖2所示，內部孔隙結構進(jìn)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(jìn)入提供了橋梁，水分子通過(guò)連通孔進(jìn)入大孔后，通過(guò)毛細孔向介孔及微孔滲透。進(jìn)入孔隙結構里面的水分，與晶格間的O原子相結合，產(chǎn)生不同的表面羥基吸附位點(diǎn)，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(diǎn)增多，表面羥基與水分子間易形成氫鍵，氫鍵具有可逆性，進(jìn)而使得蓄水陶土具備更好的吸、釋水能力。在對材料進(jìn)行晶相分析時(shí)發(fā)現，材料中的主要晶相為石英、莫來(lái)石、鈣長(cháng)石、赤鐵礦和尖晶石相。通過(guò)金屬與鐵原子結合的尖晶石相，實(shí)現可以重金屬固化，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(guò)程中污泥原料中所含的重金屬結晶率在99%以上。經(jīng)檢測分析發(fā)現，蓄水陶土無(wú)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(méi)有任何重金屬溶出物產(chǎn)生。

03 技術(shù)對比

目前國內外同類(lèi)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。從對比結果來(lái)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、高溫燒結生產(chǎn)，制備過(guò)程簡(jiǎn)單、制備周期短、制備過(guò)程耗能低且污泥含水率達60%時(shí)摻量達到70%、燒制設備為可移動(dòng)式一體化設備、建成和運轉投資低，且制備過(guò)程對環(huán)境無(wú)污染。

目前國內外同類(lèi)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。從對比結果來(lái)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、高溫燒結生產(chǎn)，制備過(guò)程簡(jiǎn)單、制備周期短、制備過(guò)程耗能低且污泥含水率達60%時(shí)摻量達到70%、燒制設備為可移動(dòng)式一體化設備、建成和運轉投資低，且制備過(guò)程對環(huán)境無(wú)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(guò)程更簡(jiǎn)單、處理周期短、設備所占土地面積較小且為可移動(dòng)式一體式設備、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(guò)程簡(jiǎn)單、制備周期短、制備系統簡(jiǎn)單、技術(shù)要求相對較低、建成和運營(yíng)成本更低、本項目一體式燒成設備占地面積小且可移動(dòng)，且耗能較低；相比于污泥堆肥，制備過(guò)程無(wú)污染、設備靈活且占地面積小、制備過(guò)程簡(jiǎn)單且易于控制、產(chǎn)品附加值更高。

04 結論

為高效實(shí)現市政污泥處理處置的無(wú)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(guò)金屬與鐵原子結合的尖晶石相可以實(shí)現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(guò)程簡(jiǎn)單、制備周期短、制備過(guò)程耗能低且污泥含水率達60%時(shí)摻量達到70%，燒制設備為可移動(dòng)式一體化設備，建成和運轉投資低，且制備過(guò)程對環(huán)境無(wú)污染。