摘要：以污水處理廠脫水污泥和廢塑料為主要原料，通過(guò)污泥處理、聚合物改性，采用熱塑復(fù)合法可以制備出聚合物復(fù)合材料及對(duì)應(yīng)的微孔材料， 影響 材料性能的主要因素有污泥形態(tài)、廢塑料種類以及它們之間的質(zhì)量比等參數(shù)。最終材料表現(xiàn)出木材的很多性能，是一種使污泥高附加值利用的有效 方法 。

關(guān)鍵詞：污泥 廢塑料 復(fù)合材料

據(jù)有關(guān)資料顯示， 目前 我國(guó)有大中型污水處理廠300多座，日污水處理能力達(dá)1千萬(wàn)m3，日排污泥38萬(wàn)m3;十五期間，國(guó)家將投資500億元，在全國(guó)新建443座污水處理廠，屆時(shí)污水處理能力將達(dá)到排水量的80%左右，大量污水處理設(shè)施的運(yùn)行將有效地改善水質(zhì)環(huán)境狀況。可伴隨污水處理產(chǎn)生的脫水污泥又成為新的環(huán)境 問(wèn)題 ，污泥不同于一般 工業(yè) 固體廢物，其物理、化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定，在堆存、運(yùn)輸和處理過(guò)程中不斷發(fā)生變化，若處理處置不當(dāng)，污泥中的病菌、重金屬以及腐化過(guò)程中的廢氣可通過(guò)多種途徑對(duì)人畜和環(huán)境造成危害。

20世紀(jì)80年代，在 經(jīng)濟(jì) 技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、德國(guó)、丹麥，已開始重視污泥處理和資源化問(wèn)題，并努力將其培育成一種新興產(chǎn)業(yè)，目前，全世界已有70多個(gè)國(guó)家，150多個(gè)城市擁有污泥專門開發(fā)機(jī)構(gòu)和收集處理工廠，年收集污泥6500萬(wàn)噸(干基)，年創(chuàng)收達(dá)40億美元。我國(guó)是世界上的污泥資源大國(guó)，僅污水處理廠每年可收集2500萬(wàn)噸(干基)以上，但是，我國(guó)在污泥處理和利用方面的總體水平很低，由于認(rèn)識(shí)不充分， 研究 不系統(tǒng)，管理不健全，還談不上污泥產(chǎn)業(yè)體系的形成。

脫水污泥處理是世界上很多國(guó)家共同面臨的環(huán)境問(wèn)題。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家采用焚燒、發(fā)酵制氣，在 發(fā)展 中國(guó) 家一般以填埋和農(nóng)用(包括肥料、燃料)為主，污泥建材利用主要是作為輔料制造水泥、陶粒、建筑磚。近年來(lái)日本成功地開發(fā)了用污泥焚化渣制造結(jié)晶石材，是一種污泥高度減容、無(wú)害和資源化的代表性技術(shù)。

傳統(tǒng)的污泥建材利用技術(shù)具有投資大，成本高，產(chǎn)品附加值低的問(wèn)題。如果不經(jīng)過(guò)高溫處理，污泥特有的臭味難以消除，衛(wèi)生指標(biāo)不能滿足 應(yīng)用 要求?？朔@些不足，采用新工藝，開發(fā)低成本和具有廣泛用途的新材料，是污泥資源化的發(fā)展方向。

1　污泥的基本性質(zhì) 分析

1.1污泥化學(xué)組成

脫水污泥的宏觀形態(tài)是水、有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)物組成的復(fù)雜混合物，含水率為80%左右時(shí)呈粘滯態(tài)，顆粒細(xì)小均勻;干燥污泥是有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)物組成的混合物;焚化污泥是普通的硅酸鹽化合物。物理狀態(tài)不同，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)：脫水污泥易酸敗發(fā)臭，干燥污泥可以燃燒，焚化污泥相對(duì)較為穩(wěn)定。污泥的組成還與處理工藝、季節(jié)氣候和污水的變動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。此外污泥農(nóng)用必須考慮病菌、病毒、寄生蟲卵和重金屬含量。表1，表2是我公司第三污水處理廠脫水污泥在不同狀態(tài)下的化學(xué)組成。

表1 污泥的化學(xué)成分

表2 污泥重金屬含量

1.2　污泥干燥與焚化

對(duì)污泥進(jìn)行干燥是為進(jìn)一步利用提供條件，圖1干燥曲線表明：溫度越高，干燥速度越快，達(dá)到相同脫水效果所需要的時(shí)間越短。用干燥曲線圖還可 計(jì)算 出在污泥含水率為81.8~40%，處于衡速干燥;然后處于減速干燥，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，如果溫度的推動(dòng)力高，可以使結(jié)晶水進(jìn)一步脫出。

焚化的目的是為了進(jìn)行最終處理。污泥的熱值可以通過(guò)實(shí)際測(cè)試，也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)干燥污泥中的灰份為31.05%時(shí)，發(fā)熱量為1194.98 kcal/kg。并可進(jìn)一步計(jì)算出含水率為82%時(shí)脫水污泥的熱值為215.1 kcal/kg。通過(guò)熱量衡算，污泥自身的發(fā)熱值不能滿足干燥脫水需要的能量，因此污泥的干燥必須外加能源。

含水污泥維持自燃的基本條件是含水率與揮發(fā)固體之比應(yīng)小于3.5，而脫水污泥中含水率與揮發(fā)固體之比為7.1，因此，脫水污泥不能自燃。通過(guò)物料衡算可以得出可維持自燃的污泥含水率需小于69%。要達(dá)到該條件，必須首先脫出總水量的51%。因此污泥的焚燒必須外加燃料。

無(wú)論是干燥或焚化污泥，當(dāng)溫度在200～900C0之間，在處理過(guò)程中都不可避免地產(chǎn)生惡臭氣體和廢水，煙氣需進(jìn)行吸收洗滌，廢水需氧化、脫色、脫臭和過(guò)濾后才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。污泥處理過(guò)程中的環(huán)保技術(shù)是污泥處理方案必須考慮的前提條件。

2　實(shí)驗(yàn)原理、過(guò)程與 研究 方法

2.1　原理

熱塑性聚合物如廢塑料在熔化溫度下，具有流動(dòng)性和粘結(jié)性，在較大范圍內(nèi)可以和其它顆粒材料(如污泥)進(jìn)行共混獲得聚合物復(fù)合材料;在復(fù)合過(guò)程中，對(duì)聚合物材料進(jìn)行交聯(lián)改性和發(fā)泡，抑制氣體不能逸出則可使復(fù)合材料微孔化;由于聚合物材料的包覆，污泥得以固化;由于污泥顆粒的強(qiáng)化，使所得到的微孔聚合物材料在保持輕質(zhì)的前提下仍具有較好的剛度和強(qiáng)度。最終材料表現(xiàn)出混凝土的剛度和聚合物的韌性，具有木材的性質(zhì)，可鋸、可釘、可切割、可裝飾。經(jīng)過(guò)聚合物固化和表面處理，污泥中的重金屬不會(huì)滲出，污泥特有的氣味可以消除，從而可以使這種材料在 工業(yè) 及民用建筑領(lǐng)域得到 應(yīng)用 。

2.2　工藝過(guò)程

以經(jīng)過(guò)脫水處理、表面處理、穩(wěn)定處理后的污泥為填充材料，以經(jīng)過(guò)清潔處理、接枝改性后的廢塑料為基體材料，在少量功能性添加劑(偶聯(lián)劑、發(fā)泡劑、潤(rùn)滑劑、防老劑、交聯(lián)劑)的配合下，通過(guò)計(jì)量、混合、擠出、成型、冷卻成為聚合物復(fù)合材料及多孔材料。

2.3　研究方法

(1)首先用不同形態(tài)的污泥與廢塑料共混制備出聚合物復(fù)合材料，分別考察不同配方、工藝參數(shù)對(duì)性能的 影響 ;

(2)對(duì)聚合物復(fù)合材料進(jìn)行微孔化處理，重點(diǎn)考察聚合物復(fù)合材料的性能、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑對(duì)材料的強(qiáng)度、密度、吸水率的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 分析

作為材料中的重要組成部分，聚合物微孔材料的強(qiáng)度、密度、吸水率、顆粒形態(tài)都直接影響最終材料的性能。而影響聚合物微孔材料性能的主要因素有廢塑料的性能和質(zhì)量比，污泥種類、質(zhì)量比，添加劑種類和比例，以及制備工藝參數(shù)。

3.1　聚合物復(fù)合材料性能的影響分析

圖2說(shuō)明，廢塑料的種類不同，所制備的聚合物材料性能有所差異，但都在理想范圍之內(nèi)，由于這幾種廢塑料都是形成白色污染的主要組成部分，原料廉價(jià)易得，而且共混改性容易，所以，只要老化不嚴(yán)重，雜質(zhì)含量低，均可作為理想原材料使用。

圖3說(shuō)明，在工藝條件相同的情況下，隨著聚合物材料質(zhì)量比例的提高，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，材料的抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，而抗壓強(qiáng)度則下降。其原因是在顆粒增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料中，應(yīng)對(duì)拉伸和彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生貢獻(xiàn)的強(qiáng)化材料(污泥)本身強(qiáng)度可以視為零，因此復(fù)合材料的強(qiáng)度主要取決于基體材料本身的性能和質(zhì)量比。而抗壓強(qiáng)度則不同，由于顆粒材料的體積強(qiáng)化，減少了空隙，提高了抵抗外力形變的能力，所以表現(xiàn)出隨著污泥用量增加，抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)平穩(wěn)提高的現(xiàn)象。而當(dāng)污泥用量超過(guò)一臨界值時(shí)，由于顆粒材料周圍沒有足夠的樹脂，造成填充材料的過(guò)剩和堆積，并導(dǎo)致性能急劇惡化。

圖4表明，污泥的表面狀況對(duì)材料性能也有較大影響，在相同狀態(tài)下，干燥污泥的抗彎強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度比焚化污泥好;經(jīng)過(guò)表面處理后，性能有所改善提高。其原因是：干燥污泥在加工溫度下，因干餾而產(chǎn)生低分子樹脂狀物，提高了與聚合物材料的相容性，從而強(qiáng)化了復(fù)合效果;對(duì)污泥進(jìn)行表面處理的目的是增加聚合物對(duì)顆粒材料的浸潤(rùn)，降低相界面張力，使明顯的界面變成具有亞層結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)域。本研究中使用的復(fù)合添加劑是偶聯(lián)劑、潤(rùn)滑劑、增塑劑和抗熱氧分解劑的共混物，它們的協(xié)同作用不僅使材料的力學(xué)性能有所提高，而且使加工性能得以有效改善。

3.2 聚合物微孔材料性能的影響分析

研究表明：在工藝一定的條件下，直接影響材料性能的主要因素有LDPE/HDPE、聚合物/污泥、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑等，實(shí)驗(yàn)過(guò)程選取了L9(43)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 L9(43)正交實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果

在正交方案中，A和B因素所代表的是本體復(fù)合材料的性能，從級(jí)差之和可以看出：它們對(duì)材料的密度、強(qiáng)度、吸水率具有決定性影響。通過(guò)適度交聯(lián)，提高了本體材料的剛度和強(qiáng)度，可以消除因發(fā)泡而產(chǎn)生的強(qiáng)度下降，使最終材料在保持輕質(zhì)的情況下仍然具有理想的強(qiáng)度。

作為泡沫材料的制備，在工藝參數(shù)和成型機(jī)理方面與本體材料具有顯著不同，傳統(tǒng)的熱壓化學(xué)發(fā)泡雖然能夠得到具有理想氣孔形態(tài)的泡沫材料，但由于污泥中的雜質(zhì)異常復(fù)雜，可能會(huì)抑制各種添加劑效能的發(fā)揮。而污泥中含有大量難以脫出的水本身就是發(fā)泡劑。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用輥煉混料，熱壓成型的工藝并不合適，因?yàn)樵谳仧掃^(guò)程中，一方面要讓聚合物熔化，但又要限制發(fā)泡劑分解和逸出，而在聚合物熔化溫度下，水已經(jīng)汽化，再由于尚未達(dá)到交聯(lián)溫度，材料無(wú)法提供足夠的粘彈性保持氣體的存在。所以在表3中，發(fā)泡劑水(代表了污泥的不同含水率)雖然都有一定的作用，但是從測(cè)試的密度值看出，沒有明顯差別。

吸水率與孔的結(jié)構(gòu)有關(guān)，實(shí)際上作為聚合物材料本身的吸水率是比較低的，如果有連通孔，水進(jìn)入后裝滿孔洞，短時(shí)間內(nèi)不能流出，則引起吸水率增大的假現(xiàn)象。此外，吸水率與材料的表面加工有關(guān)，光滑而未加工過(guò)的樣品吸水率低，機(jī)械切割后引起吸水率增大。

通過(guò)提高交聯(lián)度，改變成型方式，并對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定處理，可以得到孔徑1mm以下均勻閉孔結(jié)構(gòu)，密度小于0.4 g/cm3的微孔材料。

。

4　技術(shù) 經(jīng)濟(jì) 分析

4.1 材料的技術(shù)指標(biāo)和 應(yīng)用 途徑(見表4)

表4　材料的技術(shù)性能和應(yīng)用途徑

4.2 社會(huì) 及經(jīng)濟(jì)效益分析

昆明市每年排放脫水污泥10萬(wàn)噸，廢塑料7萬(wàn)噸以上， 目前 均以填埋為主，僅處置費(fèi)就達(dá)850萬(wàn)元以上，占用填埋空間近20萬(wàn)m3，還存在潛在的二次污染和爆炸危險(xiǎn)性。日積月累，必將產(chǎn)生嚴(yán)重的生態(tài) 問(wèn)題 。

本項(xiàng)目所采用的原料是以污泥、廢塑料為主的固體廢物，廢物綜合利用率達(dá)到95%以上。生產(chǎn)聚合物材料的成本一般為1500元/噸，而銷售價(jià)格可達(dá)2400元/噸左右。工藝具有很好的柔性化功能，材料用途廣泛，附加值高。技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面具有積極意義。

5　結(jié)論

(1)污水處理廠脫水污泥含水率高達(dá)80%左右，在利用前都必須進(jìn)行處理，干燥和焚化都必須外加能量，而且在處理過(guò)程中需要配置廢水、廢氣處理設(shè)備;

(2)用經(jīng)過(guò)處理后的污泥與廢塑料共用，可以制備出具有較好物理力學(xué)性能的新材料，在很多方面表現(xiàn)出木材的性能，可以在 工業(yè) 與民用領(lǐng)域獲得應(yīng)用;

(3) 影響 材料性能的因素主要有污泥的形態(tài)、廢塑料種類，以及它們之間的比例，在制備材料過(guò)程中，在一定工藝條件下，抑制氣體不能逸出，并采取穩(wěn)泡措施，就可以得到另類輕質(zhì)高強(qiáng)的微孔材料;

(4)以污泥自含水作為發(fā)泡劑制備微孔材料是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的技術(shù)路線，但有很多技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步 研究 解決。

參考 文獻(xiàn)

[1] 蔣成愛等，城市污水污泥處理利用研究進(jìn)展，農(nóng)業(yè)環(huán)境與 發(fā)展 ，99(16)，(3)-13-17;

[2] 王偉東，日本下水污泥處理概況，石油化工環(huán)境保護(hù)，98.2;

[3] 劉林森，淤泥開發(fā)大有所為，經(jīng)濟(jì)參考，2000.1.20

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