淤泥資源化利用研究進展

【摘? ? 要】：針對我國疏浚淤泥產量大且難以處理的問題，結合國內外淤泥的研究現狀，對淤泥處理方式和活化技術進行總結和整理?；诖?，指出淤泥資源化利用在實際應用中存在的問題及未來需要繼續深入研究的方向。

【關鍵詞】：淤泥；資源化利用；火山灰活性；活化技術

【中圖分類號】：X705【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-64-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.018

收稿日期：2023-02-24

作者簡介：吳文鑫（1982 - ）， 男， 高級工程師， 從事水務工程設計及檢測工作。

水污染防治和疏浚工程產生的淤泥如何處理是一個難題。淤泥主要以細顆粒土為主，富含有機質和各類污染物，含水率高，強度低，滲透性差，壓縮性大，同時伴有刺激性氣味[1]，對河道交通和生態環境的影響不容忽視。淤泥沉積會導致河道變淺，影響船只通行；還會增加耗氧量，容易造成河道水體缺氧，由于底部缺氧，進一步導致有機質進行厭氧分解產生大量有害物質；同時淤泥中存在的微生物、病原體和重金屬等都會對生態環境造成嚴重破壞，不利于可持續發展。傳統的淤泥處理方式由于二次污染嚴重、處理成本高等原因逐漸不適應社會發展的要求，對淤泥的無害化處理和資源化利用受到越來越多的關注。淤泥固化是實現淤泥無害化處理和資源化利用的重要手段；但淤泥本身活性較低，需要配合相關的活化處理技術才能取得較好的固化效果。

本文對國內外淤泥處理方式和活化技術進行總結和整理，介紹了各種方法的原理、研究現狀與成果，指出了淤泥資源化利用在實際應用中存在的問題，在此基礎上，展望了淤泥資源化利用的發展方向，以期為淤泥資源化利用提供理論參考。

1 淤泥處理方式現狀

1.1 傳統處理方式

傳統的淤泥處理方式有投海、填埋、焚燒、堆肥、吹填造陸等。淤泥投海對海洋環境的污染破壞非常嚴重，目前已基本廢止。由于各個國家基本情況的不同，填埋、焚燒、堆肥、吹填造陸等處理方式，在各國采用的比例也各不相同。

1.1.1 淤泥衛生填埋

衛生填埋法是為了替代淤泥堆放處理方法發展起來的，具有操作簡單、成本較低、處理量大、適應性強等優點。但衛生填埋占用大量土地資源，如果處理不當，可能導致附近土壤和地下水污染，是一項比較落后的技術，加之淤泥滲漏帶來的污染風險，許多國家已經禁止新建淤泥的填埋場，未來淤泥填埋的可行性越來越小。

1.1.2 淤泥焚燒

淤泥焚燒是一種高溫熱處理技術，利用高溫使淤泥中的有機物全部碳化，轉化為二氧化碳、水等氣相物質，是最徹底的處理方法且減量性顯著，可大幅度減小淤泥體積。但淤泥焚燒處理成本高，焚燒過程中還會產生二噁英、二氧化硫等有害氣體，對空氣造成十分嚴重的污染。由于成本和環保的制約，淤泥焚燒一直未得到廣泛應用。

1.1.3 淤泥堆肥

淤泥中含有豐富的氮、磷、鉀及有機質等營養元素，在堆肥過程中，不穩定狀態的有機物轉變為穩定的腐殖質，最終產物可作為有機肥料和土壤改良劑。淤泥堆肥分為好氧堆肥和厭氧堆肥：好氧堆肥是指在有氧條件下進行有機物分解，產物主要是二氧化碳、水和熱；厭氧堆肥是指在無氧情況下進行有機物分解，產物主要是二氧化碳、甲烷和許多低分子量的中間產物。淤泥堆肥處理量大，能有效利用淤泥產生的腐殖質；但淤泥中含有的重金屬和其他有害物質，使其在農業中的應用受到制約，國際上已有相關法案對農用淤泥各成分做出了限制。

1.1.4 淤泥吹填造陸

淤泥中的泥土成分可用作填土材料，將淤泥吹填在需要填土的區域，通過真空預壓或者堆載的方法提高地基強度，經固結沉降形成的土地作為地基土來使用。這種方法在國內外都已發展成熟，有許多成功案例，具有處理量大、施工方便等優點；但也存在許多問題，如早期吹填處理后的地基強度低，施工機械長時間無法進入，施工周期較長，淤泥轉運成本高。一般沿海地區采用該方法較多。

1.2 淤泥資源化利用

傳統的處理方法沒有很好地解決淤泥問題，有時還會出現污染問題；因此淤泥資源化利用受到越來越多人的關注。

1.2.1 淤泥固化

淤泥固化處理方法較為先進，是如今應用最廣泛的淤泥資源化利用途徑之一。通過向淤泥中添加固化劑（水泥、粉煤灰、石膏、水玻璃等），經充分攪拌混合后，淤泥中的孔隙水與固化劑發生水化反應進而實現固化處理，改善淤泥的力學性能的同時穩定污染物及有害物質，使得含水率高而無強度的淤泥成為具備一定工程特征、能夠應用在工程中的固化土。

1.2.2 淤泥燒制陶粒

陶粒是一種輕骨料，因重度小、孔隙率高、耐火性強，廣泛應用于建筑行業，是一種重要的建筑材料。陶粒的主要生產原料黏土和頁巖是不可再生資源；而淤泥的主要化學成分與黏土相近，因此可采用淤泥取代部分黏土來燒制陶粒。

淤泥燒制陶粒最早由Nakouzi S等[2]提出，以淤泥為主料加入輔料，經成球處理和高溫焙燒后制出淤泥陶粒。雖然淤泥燒制陶?？梢怨澕s資源，但也存在能耗高、淤泥利用率低等缺點。

1.2.3 淤泥制磚

淤泥制磚主要有燒結制磚和免燒制磚：燒結制磚是向淤泥焚燒灰加輔料成型；免燒制磚是向干化淤泥中加輔料成型。與燒結制磚相比，免燒制磚可以充分利用淤泥資源，節約成本。

淤泥制磚最早由Tay J H[3]提出，將淤泥干燥后和黏土混合磨成細顆粒制成磚胚，待干燥后在1 080 ℃的磚窯中焙燒24 h，得到免燒淤泥黏土磚，將50%淤泥焚燒灰與黏土混合制成燒結淤泥黏土磚。目前，淤泥制磚還有諸多問題，比如：制成的磚強度較低、外觀欠佳、缺乏相關的性能評價方法等。

1.2.4 淤泥制水泥

淤泥焚燒后無機組分主要是CaO、 SiO2和 Al2O3等氧化物，與生產水泥所需原料組分相近，從成分上看，可以用淤泥替代部分原料生產水泥。此外，淤泥焚燒過程中有機質還會釋放出部分熱量，減少能源消耗。

在日本，有研究人員以淤泥和工業垃圾為原料生產出了生態水泥，對于節約資源和環境保護有重要意義。2001年，日本千葉縣建造了世界上第一條生態水泥生產線，設計產量11×104 t/a，淤泥消耗量相當可觀[4]。燒制過程經濟成本較高，淤泥中的氯元素還會加快鋼筋銹蝕，這些都限制了生態水泥的發展。

2 活化技術研究

礦物摻合料是指在配制混凝土時加入的，能改善新拌混凝土性能的無機礦物細粉。通常礦物摻合料摻量大于水泥用量的5%，細度與水泥細度相同或比水泥更細。在生產高性能混凝土過程中，使用的礦物摻合料主要包括礦渣、粉煤灰、硅灰、石英粉、石灰石粉等。

淤泥的化學成分主要包括 SiO2、Al2O3等，其火山灰活性較低，同時富含有機質和各類污染物，含水率高、強度低、滲透性差、壓縮性大，對混凝土性能極為不利。但淤泥經過活化處理后，不僅能改善這些缺陷，還能提高其火山灰活性；因此，活化處理使淤泥作為礦物摻合料替代部分水泥應用于混凝土中成為一種可能。

2.1 機械活化

機械活化是一種通過對固體物質施加剪切、壓縮、彎曲、沖擊等機械力的作用，誘發固體物質物理化學性質變化的活化方式，通過使固體物質更易發生化學反應來提高活性，在礦物摻合料中的應用較為廣泛。固體物質受機械力作用初期發生脆性破壞，如顆粒的細化、裂紋和比表面積的變化等；大量的新鮮表面形成會伴隨晶粒細化、晶體缺陷和結晶度的變化，造成固體物質表面活性增加；下一階段固體顆粒主要以塑性變形為主，在這一過程中，微粉細化導致團聚，比表面積減小，釋放表面能，物質可能會再結晶，自由能降低；塑性變形過程中，由于位錯的增殖和移動，使得位錯之處儲能，形成活化點?；罨c可認為是機械力化學的誘發源，在成為粉末過程中經歷產生-聚集-分散的過程，使物料的化學反應活性提高，降低與其他物質反應的難度，甚至在機械活化過程中直接發生某種化學變化[5]。機械活化從物理變化來看，可以看作礦物摻合料逐漸變細、粒徑降低、比表面積增大，物料與周圍水分的接觸面積增大，水化速度加快，從而提高礦物摻合料的活性；從能量轉換來看，可以看作機械能轉化為化學能的過程。

魏博[5]分別采用了振動磨、行星磨和攪拌磨對釩尾渣進行機械活化，結果表明：經行星磨和攪拌磨粉磨后，釩尾渣的比表面積和活性組分含量均有大幅度提高；振動磨對釩尾渣的活化效果僅表現在粒度的優化，尾渣的比表面積和活性組分含量變化不大。

馬軍濤等[6]使用SM-500球磨機對粉煤灰進行不同時間的粉磨，并通過激光粒度分析和掃描電鏡分析粉磨時間對其粒度和形貌的影響，通過鹽酸滴定法、TG-DSC 分析和粉煤灰活性指數的測試，綜合分析粉煤灰粉磨工藝和粉磨效果與其活性的關系，結果表明：粉煤灰在經過球磨機粉磨后平均粒徑顯著減小，在水泥基材料中各齡期活性均有不同程度的提升，粉磨過程可顯著加快粉煤灰在水泥水化體系中的反應速度；將粉煤灰粉磨30 min可使平均粒徑達到原灰的40%左右，粉磨后粉煤灰活性指數達到77%，超過30 min后粉磨時間對活性的改善效果有所降低；當磨細后粉煤灰摻量達到50%時，由于水泥水化產物中 Ca（OH）2含量不足，其活性有降低趨勢。

張金龍[7]將煤矸石粉磨成不同細度的煅燒矸，與硅酸鹽水泥熟料和二水石膏和標準砂按比例混合制得砂漿，測其28 d力學性能，借助XRD光譜衍射和SEM掃描電鏡手段，對不同細度的煤矸石進行微觀分析研究，結果表明：機械粉磨可以減小煤矸石顆粒的細度，使煤矸石中非活性石英的結晶度降低，活性物質數量增加，提高煤矸石的膠凝活性。

Yang Y等[8]對比了濕磨和干磨對鐵礦尾礦活化的不同影響，結果表明：濕磨相比干磨在產生更細的顆粒方面表現出更高的效率，尾礦晶格缺陷變化更明顯，能更有效地誘導活性產生。

綜上所述，機械活化可以有效提高礦物慘合料的活性，研磨器械、研磨時間、研磨方式和研磨后的細度等都對礦物摻合料的活性有著不同程度的影響。

2.2 化學活化

化學活化是將適量的有機或者無機化學激發劑摻入不具備反應活性的尾礦中來激發尾礦潛在的火山灰活性。尾礦在活化劑誘導下會發生化學反應，釋放出硅、鋁以及其他離子，可以將無定形結構轉化為具有膠凝性質的骨架結構，以此來提高尾礦的膠凝性質。常見的化學激發劑以堿性激發劑為主。堿活化是指用氫氧化鈣、氫氧化鈉或其他堿鹽等堿性激發劑進行活化，在尾礦的堿活化過程中，活化劑通常采用水玻璃和氫氧化鈉。

Ahmari S等[9]研究了活化劑類型/濃度和固化溫度對銅礦尾礦堿活化黏結劑的影響，使用不同成分和濃度的氫氧化鈉、硅酸鈉和鋁酸鈉等堿性活化劑，考慮60、75、90、120 ℃4種不同的固化溫度，采用SEM和XRD等手段分析這些因素對黏結劑無側限抗壓強度、微觀結構和相組成的影響，結果表明：氫氧化鈉濃度和固化溫度是影響堿活化銅尾礦黏結劑抗壓強度和微觀結構性能的兩個重要因素。

Cheah C B等[10]研究了堿激活高爐礦渣的情況，結果表明：氫氧化物、硅酸鹽、碳酸鹽、堿金屬氧化物及硫酸鋁等都可以作為堿激發活化劑使用，只是單獨使用某一種活化劑時效果一般，而兩種活化劑復合使用時能獲得更好效果。

李靜[11]對比研究了氫氧化鈉-礦渣和改性水玻璃-礦渣膠凝材料的微觀結構，結果表明：礦渣化學組成、激發劑種類與含量對堿礦渣膠凝材料硬化體組成與結構影響較大；因此，可通過改變原材料、激發劑等化學組成來調控堿礦渣膠凝材料硬化體的組成與結構，從而調控其性能。

綜上所述，目前化學活化主要采用堿性激發劑，以氫氧化鈉和水玻璃為主。激發劑的種類、濃度和固化溫度都對最終產物的性能有直接影響，同時復合使用兩種激發劑可以取得更好的效果。

2.3 熱活化

熱活化是通過高溫煅燒來激活礦物摻合料的火山灰活性。熱活化的作用主要有兩方面：一方面是通過煅燒的方式在高溫的環境下使微粒發生劇烈的熱運動，使礦物中的結合水脫去，使硅氧四面體和鋁氧三面體不能聚合成長鏈，從而形成熱力學不穩定的玻璃相結構，提高其活性；另一方面是經過高溫煅燒使其中所含的黏土類物質（綠泥石、伊利石等）發生分解，生成活性的氧化硅與氧化鋁，從而提高活性[12]。

孫小巍等[13]研究了煅燒制度對頁巖火山灰活性的影響，找尋煅燒頁巖作為活性摻合料在水泥基材料中的合理摻量，結果表明：頁巖的火山灰活性隨升溫速度、煅燒時間、煅燒溫度的提高呈先增大后減小的變化趨勢。水泥膠砂抗壓強度隨煅燒頁巖摻量的增加而降低。頁巖的最佳煅燒制度為10 ℃/min升溫速度、40 min煅燒時間、750 ℃煅燒溫度，作為活性摻合料，煅燒頁巖在水泥基材料中合理摻量不應超過30%。

曹永丹等[14]通過化學吸鈣量和水泥膠砂力學強度測試，研究了煅燒溫度及細度對煅燒煤矸石火山灰活性的影響，并結合X射線衍射、紅外光譜、掃描電鏡和熱重測試，研究了煤矸石不同煅燒溫度下礦物組成、化學結構及表面形貌發生的變化，結果表明：細度和煅燒溫度都會對煅燒煤矸石火山灰活性產生影響，粒度越細煅燒煤矸石的火山灰活性越大，最佳煅燒溫度為800 ℃左右；500 ℃煅燒時煤矸石中高嶺石開始發生脫羥基反應，其層狀結構逐漸被破壞；600～800 ℃煅燒時高嶺石完全轉變為多孔無序、非晶結構的偏高嶺石；煅燒至1 000 ℃時偏高嶺石轉化為晶態的莫來石和方石英，使煅燒煤矸石無序度變差、火山灰活性變弱。

微波加熱是一種新型的熱活化方式，具有時間短、加熱均勻、無污染等優點。Zhou T T等[15]用微波激發銅尾礦的火山灰活性，通過強度測試、XRD、TG-DTA和SEM等方法研究了激勵銅尾礦水泥對水泥力學性能和晶體結構的影響，結果表明：硅酸鹽水泥摻入銅尾礦在700～900 W功率下微波活化后的抗壓強度增強，水化產物結晶度好，結構致密，當銅尾礦在功率800 W下活化時，抗壓強度最高，水化程度最好。

熱活化一般適用于黏土類礦物，煅燒溫度、時間、礦物摻合料的細度和摻量等都對熱活化的效果有影響。微波加熱作為一種新型的熱活化方式，具有時間短、加熱均勻、無污染等優點。

2.4 復合活化

為了更好地提高活化效果，可以將上述幾種活化方式復合使用，比如復合熱活化、機械-化學耦合活化、機械-化學-熱耦合活化等。

張娜等[16]研究了600 ℃簡單熱活化和復合熱活化對赤泥-煤矸石膠凝性能的影響，結果表明：復合熱活化之后的赤泥-煤矸石體系的膠凝性能明顯提高；復合熱活化過程中，赤泥的適量加入有助于房山煤矸石中綠泥石礦物的分解使石英的結晶度明顯降低；當赤泥與煤矸石的比例為3∶2，摻量為50%時，復合體系所制備的膠砂試塊28 d強度達到37.3 MPa。

樸春愛[17]對鐵尾礦粉的機械活化和機械-化學耦合活化工藝活化效應進行分析與探討，結果表明：鐵尾礦粉顆粒在化學-機械耦合活化作用下，發生了很明顯的化學-機械耦合效應。與機械活化相比，化學-機械耦合活化作用激發鐵尾礦粉顆粒潛在活性的效果更佳。

陳炳江[18]采用機械-化學-熱耦合活化方法激發金尾礦潛在的火山灰活性，結果表明：水泥尾礦膠砂試塊的抗壓強度比（28 d）達到95.60%；在火山灰測試試驗中，摻加耦合活化金尾礦粉的水泥漿體溶液中[CaO]的消耗比例在15 d時為60.76%，證明耦合活化后的金尾礦粉在水化后期具有較高的火山灰活性。

復合活化與單一的活化方式相比可以取得更好的效果。

3 實際應用中存在的問題

傳統的淤泥處理方式不僅成本高，而且有二次污染的風險，資源化利用研究不足，無法滿足淤泥大量產生、亟需處理的現狀；作為資源化利用的重要手段，淤泥直接進行固化效果較差，主要是由于淤泥本身活性較低導致的，而目前關于淤泥活化的研究還比較少。

4 結論與展望

淤泥作為一種具有污染性的工程廢棄物，其處理一直是人們關注的問題。但從當前研究成果來看，傳統的淤泥處理方式存在諸多缺陷；因此現階段，按照固體廢棄物處理的減量化、無害化、資源化原則，應盡可能對淤泥考慮資源化利用。淤泥固化作為資源化利用的重要手段成為當前淤泥研究領域需要關注的關鍵問題；但淤泥直接進行固化固化效果不理想，建議對淤泥的活化方式進行研究；此外，關于淤泥的資源化利用，目前還缺乏相關的規范標準文件，未來可針對這方面進行系統研究，對不同類型的淤泥進行劃分，為今后淤泥資源化利用的發展提供重要的理論指導和技術支持。

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