固化法制作生态水泥

生态水泥就是利用重金属污泥等作为主要原料，经过一定的生产工艺制成无公害水泥，同时将重金属等有害物质包裹在水泥中。利用污泥制作生态水泥的原料有三种：一是脱水污泥；二是干燥污泥；三是污泥焚烧灰。利用污泥生产生态水泥关键是生态水泥中所含无机成分必须符合生产水泥的要求。因此生料的调配比例很关键，一般污泥含量不超过5%。生产原料的配比最好通过试验决定，才能确保生产出符合国家标准的水泥熟料。

生态水泥的化学组成，因污泥种类的不同而有所不同，但基本组成都在水泥允许范围内。生态水泥的化学组成和普通水泥有所不同，从表1可看出，生态水泥中的Al2O3、SO3、Cl的含量比普通水泥高，但SiO2含量较低。

近年来，日本利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为原料生产水泥获得成功，2001年在千叶县建成世界上第一条生态水泥生产线，设计年生产能力为11万吨，可年生产200万吨的生态水泥。可见利用生产水泥消纳污泥废物的潜力很大。我国的科研工作者在利用各种污泥制作生态水泥方面也做了不少工作，但多数是以城市生活污水处理厂的污泥作为水泥熟料煅烧过程中的原料或添加剂制备水泥。

01制作生态水泥工艺

早在20世纪70年代发达国家就已开始采用水泥窑处置危险废弃物，如美国、德国、加拿大、日本、丹麦、奥地利、瑞士等。以美国为例，已有几十家水泥厂将危险废弃物作为替代燃料在水泥窑上进行焚烧处置，其替代量一般为20%～60%。目前欧洲的个别水泥厂替代率可达80%以上。韩国、巴西、墨西哥及我国的台湾省等国家和地区，利用水泥回转窑处理可燃工业垃圾，替代传统化石燃料的比例也相当高。甚至在一些发展中国家，如印度尼西亚、泰国、摩洛哥、巴基斯坦及印度等国家也有相当数量的处理包括各种危险废弃物的水泥厂在运转。随着生态水泥的开发和应用，各国都相继展开了大量的研究工作，其中德国在这方面的研究较为突出。

在国外有研究者对熟料中含有Cr、Ni、Zn等微量元素的水泥水化问题（包括细度、水化放热、初凝时间、浆体强度）进行了一定的研究。结果表明，熟料中的重金属元素Cr、Ni、Zn不会影响水泥浆体的强度和初凝时间，当Cr、Ni、Zn的含量过高时会引起水化性能的改变。Cr含量较高时可以加速水泥的水化和初凝，但强度有所降低。Ni含量即使很高，对水泥的水化速率和初凝也只是有一个很小的影响。Zn对水泥的水化起到一定的延缓作用，但强度会有所提高。

生产水泥技术路线是采用水泥窑头窑尾污泥双掺组合生产工艺，也就是“石灰稳定半干化-生料-烧制水泥”和“污泥直接掺烧-熟料-水泥掺和材料”组合处理模式。其工艺流程如图1所示。

流程说明如下：用石灰对污泥进行半干化预处理后，以适当的比率替代部分页岩（黄砂、黏土等硅质材料）与石灰石作为水泥原材料，进行煅烧成为熟料；另一部分污泥不经干化预处理以适当比率直接喷入窑头部位，烧掉污泥中所含有机物，污泥中无机物作为水泥混合材料掺入水泥熟料，与石膏研磨后成为双掺水泥。流程图中水泥原材料是指石灰石、黄砂、辅助材料等，经破碎机破碎后进入原料配料站进行配料，按要求比率在生料系统中混合粉磨后送至生料均化库均化。生料均化后进入预热分解炉，生料分解后从回转窑窑尾进入回转窑煅烧，同时污泥经泥浆泵直接抽至回转窑窑头，喷入回转窑煅烧，煅烧后的水泥熟料经冷却与石膏等混合材料配料、粉磨后成为水泥成品。

02制作生态水泥存在的问题

① 由于原料中Cl元素含量较多，易在窑尾、排风机和风管等地方生成低温共熔物而堵塞通道，影响水泥生产的整体性和连续性。

② 引入的污泥使窑内气体中硫、氯、碱含量增多，其中硫和氯能侵蚀耐火砖中的游离氧化钙或者烧结菱镁矿，也能与耐火砖中的硅酸盐相发生反应，同时碱同硫、氯元素反应形成膨胀性的硫酸盐和氯化物，引起耐火砖的破裂，从而降低保温效果，导致生产不能稳定；另外，熟料中熔融的组分侵蚀能力强，能不断地从耐火砖的表面往更深层侵蚀。

③ 生态水泥含氯盐较高，会使钢筋锈蚀，因此目前主要作为地基的增强固化材料、素混凝土、道路铺装混凝土等，较普通水泥使用程度受限。不过水泥原料的脱氯技术已经开发成功，生态水泥的质量有望提高，其应用范围必将不断扩大。

利用工业污泥作为生产水泥的原料，需要解决污泥贮存、生料调配等问题，这给生产管理必将带来很大的困难。更为严重的是，工业污泥含有大量有毒有害的重金属，直接导致烟气净化难度大，要达标排放，必须投入大量的资金以防止二次污染。