我国是全球最大的发展中国家，人口众多，由此带来的水环境污染问题日趋严重，水污染防治因此受到人们的广泛关注。根据中国水网年度系列报告之四预计到2010年底，我国至少将有近3000座污水处理厂达到运营状态，则到时会生产数量巨大的污泥；同时污泥成分复杂，其是多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，除含有大量的水分外(可高达99％以上)，还含有难降解的有机物、重金属、少量的致病微生物(致病细菌、病原体、寄生虫、有害昆虫卵等)，以及一般的耗氧性有机物和植物养分(N、P、K)等。污泥处理处置作为污水处理的后继工序，是污水处理过程中必备的重要环节，但我国污泥处理处置由于受到资金等方面因素的影响相对滞后，污泥稳定化率低，无害化处理率不高，处理处置技术单一，而且成本高昂，导致大部分污泥未经处理或仅简单处理后就直接农用、填埋或者是送垃圾场处理、焚烧、污泥土地利用等，甚至有随意堆放的现象。高昂的污泥处理成本严重影响污水处理厂的正常运行；污泥的填埋或随意堆放占用大量土地资源，而且污泥易腐变臭，其产生渗滤液易污染土壤、地下水及河流、湖泊、海洋等地表水体，给环境造成严重的二次污染，还会影响环境卫生状况，破坏城市景观，导致水体的加速淤积。另外，污泥中的重金属和毒性有机物可以通过生态系统中的食物链迁移富集，且焚烧产生有毒气体，对生态环境和人体健康产生长期潜在的危害。由此可见，如何降低污泥处理成本和提高污泥处理效果是众多污水处理厂和环保部门急需解决的当务之急。
我国在城市污泥的处理和处置上一般采用的方法有：
(1)填埋法：填埋法基本上类似于城市垃圾填埋；
(2)焚烧法；将含水率75％-80％的污泥采用温度高达1200度以上，杀死各种病菌，然后进行填埋或再处理；
(3)直接烘干法：将含水率75％-80％的污泥采用气流干燥烘干，温度高达100℃以上，能杀死各种病菌，然后进行填埋或再综合利用；
(4)厌氧消化法：80年代以前大多数的活性污泥采用厌氧消化法处理，杀灭微生物病菌并产生部分可利用的沼气；
(5)生物处理法：即生物堆肥法，它是引进好氧菌种和氧气，使污泥好氧高温发酵。堆肥化技术是国际上自60年代后期迅速发展起来的一项新的生物处理技术，它运用多学科技术，利用微生物群落在特定环境中对多相有机物分解，将污泥改良成稳定的腐殖质，用于肥田或土壤改良。
但是这些方法使城市污泥中的有害物质未得到完全有效的处理，存在如下问题：
填埋法：不易寻找合适的场地、污泥运输和填埋场地建设费用较高、填埋容量有限，有害成分的渗漏会对地下水造成污染，填埋场的卫生、臭气问题造成二次污染、污泥中含有的营养物质使大量病原菌繁衍，导致污泥霉变从而污染环境等的问题，另外污泥填埋费用昂贵，据有的污水处理厂的资料表明每填埋一吨污泥需要的成本达到120元。在发达国家这种方法过去采用较多，但由于填埋场地越来越少，因此该方法所占比例也越来越小。焚烧法：投资和操作费用较高，计划实施困难，焚烧过程中产生飞灰、炉渣、烟气，易产生二次污染。污泥农用法：由于污泥中含有很多盐分、重金属、病原菌、寄生虫、有机污染物等有害成分，直接施用会污染土壤、水体，危害农作物或通过食物链危害人体健康，因此必须经过无害化、稳定化达到一定要求后方能施用。
通过上述分析可知，目前的污泥处置方法均存在一些缺陷，与国家对污泥处理和处置的要求存在差距，从而影响污水处理厂的正常运行。而城市生活污泥中含有一定量的SiO2、Al2O3、CaO等无机成分。这些无机成分与制轻质砖的主要原材料——粉煤灰的无机成分相接近；污泥中有机物在制砖过程中挥发出来能够提高砖的孔隙率，改善砖体热工性能，符合墙体材料生产要求；污泥制作建材的过程中使有毒重金属固定在建筑材料内，防止环境生物中毒；污泥作为建材原材料还可节约粉煤灰、粘土等资源。

本发明的目的是，提供一种利用污水处理厂经过脱水后含水率≤85％的污泥作为原料之一，通过蒸压加气制备混凝土砌块的工艺方法。
本发明的方法是，是将污水处理厂含水率≤85％的污泥经脱水、干化磨碎后，投加到其它原料中，制备污泥轻质砖，具体包括如下步骤：
(1)污泥脱水干化、磨碎步骤，将污泥、生石灰、氯化铁溶液、高锰酸钾混合均匀，进入干燥机干化，然后经过球磨机粉碎，筛分机筛分，得到备用干化污泥；
(2)混合搅拌步骤，将包括干化污泥、水以及物理化学性能符合制砖要求的石灰、粉煤灰、水泥、石膏、铝粉的原料搅拌混合，其投加顺序是：干化污泥-水-生石灰-粉煤灰-水泥-石膏-铝粉；质量百分比分别是：0.0％～8.0％干化污泥，5.0％～10.0％水泥，62.5％～67.5％粉煤灰，17.5％～23％生石灰，1.5％～2.5％石膏；铝粉为以上物料干重的0.1％；水料比为0.4～0.55；干化污泥细度≤0.63mm；搅拌速度为1400r/min，搅拌时间为3min或4min；
(3)发泡养护步骤，将第(1)步所得的混合物入模，入模温度控制在40℃左右，装料量控制在模具的三分之二高度处；将模放入恒温养护箱发泡养护，恒温养护箱养护条件为温度40℃或60℃，湿度95％左右，养护时间为4小时；
(4)蒸压养护步骤，将第(2)步发泡养护后所得的坯体放入蒸压釜，采用阶梯升降压养护方式，最高压力水平是1.0MPa或1.1Mpa，温度为179℃～183℃，阶梯升降压养护方式采取的步骤是：在升压过程中0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa各保持1h，达到设定压强后保持8h，降压时在0.4MPa静停0.5h；
(5)自然堆放步骤，将出釜的产品在室外堆放2天以上。
上述工艺条件中的优选方案是：步骤(1)中所述原料质量百分比分别是：89.68％污泥、10％生石灰、0.2％氯化铁溶液、0.12％高锰酸钾，均匀混合物好氧消化8小时，干燥机干化温度120℃～160℃，0.63mm筛分机；步骤(2)中所述原料质量百分比优选为：5％干化污泥，7.5水泥％，62.5％粉煤灰，23％生石灰，2％石膏；水料比为0.492；搅拌速度为1400r/min、搅拌时间为4min；步骤(3)中所述将模放入恒温养护箱发泡养护，恒温养护箱养护条件为温度40℃，湿度95％左右，养护时间为4小时。
在所述干化、蒸压养护步骤中，将干化、蒸压养护降压过程的气体分别经管道输送到颗粒活性炭或硅藻土溶液的处理器中，进行废气处理。
本发明对污泥的处置方法符合《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策》和污泥资源化的要求；本发明的城市污泥制加气混凝土砌块方法符合国家建筑材料制造中节土利废的政策。本发明的工艺可大量消化利用污泥，同时，能够提高砖的孔隙率，改善砖体热工性能，符合墙体材料生产要求，满足《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)各种性能和环保要求；本发明能够有效地消化大量的污泥，从而解决污水处理厂正常运行的后顾之忧。总之，本发明能使城市污泥达到无害化、资源化处置；该方法不使用粘土，利于保护耕地资源；可消除以污泥为载体的流行性疾病传播；节约制砖成本，符合国家对“生态建材”的需求，具有显著的经济、社会和环境效益。
附图说明
图1是本发明实施例中水料比与成品密度的关系曲线图。
图2是本发明实施例中水料比与成品抗压强度的关系曲线图。
图3是本发明实施例中水料比与成品冻后抗压强度的关系曲线图。
图4是本发明实施例中水料比与成品抗压强度/密度的关系曲线图。
图5是本发明实施例中蒸压时间与成品抗压强度的关系曲线图。

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
首先污水处理厂含水率≤85％的污泥与生石灰、氯化铁溶液、高锰酸钾混合均匀，进入干燥机干化，然后经过球磨机粉碎，筛分机筛分后备用。其中，原料质量百分比分别是：89.68％污泥、10％生石灰、0.2％氯化铁溶液、0.12％高锰酸钾，均匀混合物好氧消化8小时，干燥机干化温度是120℃～160℃，用0.63mm筛分机筛分后，得到备用的干化污泥。
根据试验配方，称取一定量的上述干化污泥粉、水以及物理化学性能符合制砖要求的粉煤灰、生石灰、水泥、石膏、铝粉，按相关顺序搅拌混合均匀，入模，然后在恒温箱中养护成型，最后进入蒸压釜蒸压，出釜堆放2天后对其进行各种性能检测。
本实验采用机械混合搅拌。根据方案称取相应重量的各种原料，按照一定的加料顺序在NJ-160A电动搅拌机灌中搅拌混合均匀，然后装入自制的模具。
根据实验发现，在搅拌过程中应该着重注意以下几个方面：第一，加料的顺序；第二，在搅拌过程中要求严格的控制混合料的含水率，含水率太小搅拌不均匀，含水率过大会影响发泡效果；第三，控制入模温度，入模温度一般控制在40℃左右；第四，装料量控制在模具的三分之二高度处。
污泥加气混凝土砌块在蒸压养护前，需要发泡养护，同时提高砖坯的强度便于切割和搬运；并且砖坯的质量直接关系着成品的质量。本发明采用恒温养护箱养护方式，恒温养护温度分为40℃和60℃。本发明着重研究不同养护温度和养护时间对砖坯的质量影响。
坯体经过初步养护后，具有一定的强度，可以根据尺寸要求对胚体进行切割，然后放入TKL型蒸压釜蒸压养护。
最后，将出釜的产品在室外堆放2天后进行各种检测试验。
原料中干化污泥、粉煤灰、水泥、生石灰、石膏和铝粉6个因素均会影响污泥加气混凝土砌块的力学性能。为了减少分析的影响因素，同时结合有关的资料及实验流程分析确定粉煤灰、石膏、生石灰和水泥作为污泥轻质砖力学性能的主要影响因素，确定铝粉按照物料干重的0.1％投加。
本发明实施例具体试验方案是：
按照正交试验方式选用L9(34)正交表对各原料因素进行分析，确定干化污泥制轻质砖性能的主要影响因素，最佳水平，最终找到最优配比方案。
本发明试验的正交试验因素水平表见表1，正交试验表见表2，其中百分比为质量百分比。
表1  因素水平设计表


表2  正交试验表

由于受到试验条件的限制(特别是蒸压釜尺寸的限制)，本实验试件的尺寸均采用为70.7mm×70.7mm×70.7mm。
本发明试验中采用NJ-160A型电动搅拌机搅拌，搅拌强度分为快速搅拌(1400r/min)和慢速搅拌(700r/min)，总搅拌时间分别控制为4min、3min和2min(不包括加料混合时间)。
本发明试验中采用恒温养护箱(养护时间4小时)养护方式，其中恒温养护温度分为40℃和60℃。本发明着重研究不同养护温度和养护时间对砖坯的质量影响。
根据机理分析可知，粉煤灰和其他原料反应最关键的因素是反应温度，考虑到坯体初期的强度较低，直接升压养护坯体可能会坍塌。因此采用直接升压降压方式和阶梯式升降压方式两种方式进行蒸压养护。直接升压降压方式即是将反应压力直接升到最高反应水平，养护8小时后立即降压到大气压强；阶梯式升降压方式：在升压过程中0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa各保持1h，最高压力水平保持8h，降压时在0.4MPa静停0.5h。
根据国家标准《蒸压加气混凝土砌块》(GB11968-2006)中对砖的形状和外观质量所作的具体规定。本发明中，首先将表2中所列的6至14号试验制品外观与国家标准进行对比分析，由实验观测可知，所有试件无明显裂缝，无缺棱掉角现象，也未见平面弯曲、表面疏松、层裂现象，表面未见油污。试块尺寸偏差和外观均能满足优等品的要求。
蒸压加气混凝土砌块的力学性能是一个非常重要的指标，是建筑材料极为重要的性质。蒸压加气混凝土砌块的物理力学性能包括干密度、抗压强度、干燥收缩、抗冻性和导热系数等。国家标准《蒸压加气混凝土砌块》(GB11968-2006)中，对加气混凝土砌块的干密度、抗压强度、干燥收缩、抗冻性和导热系数等也作了具体规定。轻质节能砌块的力学性能指标主要包括干密度、立方体抗压强度、抗冻性能、干燥收缩系数和导热系数五个指标，其中干密度、立方体抗压强度、抗冻性能是最主要物理力学指标，因此本发明以这三个指标作为主要的考核指标来分析原料配比对加气混凝土砌块的物理力学性能的影响，从而确定原料最佳配比。然后再利用五个指标对最佳配比制作的试件进行检测，以检验试件是否满足《蒸压加气混凝土砌块》(GB11968-2006)的各项物理力学指标要求。
根据实验方案，在铝粉、水量、养护条件相同的情况下，得到表2中所列不同原料配比的实验试件，每个试验号选取外观尺寸偏差合格试件9块作抗压强度测试，取平均值作为计算值。抗压强度和干密度结果见表3。试验所做成品的力学性能检测与《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品对比评价情况见表4。
由于《蒸压加气混凝土砌块》(GB11968-2006)是从干密度和抗压强度两个方面结合起来判断砌块的等级强度，基于此本发明以抗压强度与干密度比值作为主要的计算依据。
表3 干密度和抗压强度正交试验结果表


表4 试验结果与《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品对比表

由表3可知，14号试验号(未添加干化污泥)所得成品抗压强度最高，达到了8.0Mpa；10号试验号(干化污泥含量为5.5％)所得成品抗压强度达到6.2Mpa；8号试验号(干化污泥含量为12.5％)以及9号试验号(干化污泥含量为8.5％)所得成品抗压强度较低，只有1.8Mpa和3.4Mpa，未达到5.0Mpa的要求，因此为不合格试件。
同样，根据实验方案，在铝粉、水量、养护条件相同的情况下，得到表2中所列不同原料配比的实验试件，每个试验号选取外观尺寸偏差合格试件9块作抗冻性能测试，取平均值作为计算值。冻后抗压强度结果见表5。试验所做成品的力学性能检测与《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品对比评价情况也见表4。
表5 抗冻性能正交试验结果表


由表3和表5可知，以及通过抗压和抗冻性能试验结果分析得出：干化污泥含量越高试件的物理力学性能越差。其中14号试件的力学性能最好，但是该配方的未添加污泥。6号试件的干化污泥含量为3.5％，其抗压强度为6.8Mpa，10号试件的干化污泥含量为5.5％，其抗压强度为6.2Mpa。10号试件抗压强度比6号试件的抗压强度低0.6Mpa，但是干化污泥利用量高2.0％，因此10号试件为最优试验方案。在10号基础上将干化污泥的含量降低0.5％，增加石灰掺量，得到优化配方，即表6中所列质量配比。试验所做成品的力学性能检测与《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品对比评价情况也见表4，其中，15号试验号为最佳配比所得试件。
表6 最佳配比

根据表6得到的最佳配方，即在干化污泥、水泥、生石灰、粉煤灰、铝粉和石膏等原料相同的情况下，分析不同水量所得到制品的力学性能。所制试件的有关指标均满足《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品的密度及强度要求，制品密度随水料比的变化规律见图1，试件抗压强度随水料比的变化规律见图2，试件冻后抗压强度随水料比的变化规律见图3。
从图1至图3可知，随着水料比的增加，试件的干密度、抗压强度和冻后抗压强度均逐渐减小。从图4可知，水料比在0.4～0.55之间时，随着水料比的增加试件的抗压强度和干密度比值先减小后增加，根据趋势线预测当水料比为0.492，抗压强度和干密度比值达到最小值，可作为最佳水料比的选择依据。
本发明通过两种水平的干化污泥颗粒大小(细度)的试验对砌块力学性能的影响。将干化污泥颗粒分两个水平，I水平是，干化污泥细度≤0.63mm，II水平是，干化污泥细度≤1.26mm；将粉碎后的污泥分别通过0.63mm、1.26mm圆孔筛分别进行筛分。在最佳配比的基础上，保证水料比、养护条件、蒸压养护条件等因素相同的情况下，做了两批试件并进行对比分析，试验结果见表7。
表7 不同颗粒大小的污泥对砌块力学性能的影响

通过表7对比可知，在最佳配比的条件下，干化污泥颗粒大小对所做试件的干密度影响较小，污泥颗粒大小对污泥力学性能影响较大(干化污泥颗粒越小试件的抗压强度及抗冻性能越好)。此外观察试件抗压断裂面发现：干化污泥颗粒为I水平的试件断裂面上未见明显污泥颗粒，且断裂面的形状比较规则；干化污泥颗粒为II水平的试件断裂面上可见细小的干化污泥颗粒，断裂面主要是从干化污泥颗粒与其它材料的结合处开裂。分析其原因可能是：大颗粒的干化污泥在混合物中被料浆所包裹，污泥与料浆中的水泥总接触面积较小，水泥水化产物与粉煤灰的二次水化反应受阻，另外干化污泥颗粒与周围的粉煤灰及石灰接触不均匀，导致粉煤灰与石灰反应的产物与干化污泥颗粒表面结合力较小，故试件在较低的压力下就会破坏；而粒径较小的干化污泥能均匀的分散到浆料中，且基本上是以粉末状分散料浆中，与石灰、粉煤灰及水泥浆的总接触面积较大，水泥能充分水化及石灰与粉煤灰反应完全，所以试件能承受较大的压力。
本发明对比了两种加料顺序对试件物理力学性能的影响。顺序一：干化污泥-粉煤灰-水-水泥-石膏-生石灰-铝粉；顺序二：干化污泥-水-生石灰-粉煤灰-水泥-石膏-铝粉。用顺序一做成的坯体，早期强度较低，坯体结构基本上不能成型，即使能成型坯体较软，切割出现粘连，且出现大的裂纹，甚至坍塌，主要是因为干化污泥直接与水泥接触，干污泥中的有机质抑制了水泥的水化、硬化速度，从而导致试件早期强度较低，同时在蒸压过程中出现坍塌现象。而在顺序二的试验中，生石灰与干化污泥先混合，生石灰与水反应产生碱度，破坏干化污泥的结构，同时放出大量的热量，能够提高水泥的水化、硬化速度，从而提高试件的早期强度，形成稳定的坯体。
搅拌强度直接影响各原料混合的均匀性，最终影响轻质砖制品的质量。当生石灰和水泥在加入料浆中搅拌时，会因大量吸水而结团影响原料的充分混合，因此必须加大搅拌强度。本发明在前面得到最佳配方的基础上，用确定的搅拌工艺试验方案，对不同的搅拌强度和搅拌时间对试件性能的影响做了试验，从而得到最佳搅拌工艺，在实验中快速搅拌采用1400r/min，慢速搅拌采用700r/min。搅拌强度和搅拌时间对试件质量的影响结果见表8。
表8 不同搅拌强度制品的对比


从表8对比看出：快速搅拌的混合方式制作的试件抗压强度要高于慢速搅拌的混合方式，主要原因是在慢速搅拌混合时干化污泥、石灰、粉煤灰、水泥等原料搅拌不均匀，容易结团，试件成型后粉煤灰与石灰反应不完全，且粉煤灰与水泥的水化产物之间的二次水化反应也不充分，因此很容易从结团处开裂，从而导致试件的抗压强度较低；快速搅拌的混合方式有效改善了干化污泥与其他材料的混合状态，干化污泥与其他材料混合均匀。
此外从表8也可看出：搅拌时间对试件的物理力学性能也有影响，当搅拌速度为1400r/min、搅拌时间为4min的试件抗压强度比搅拌速度为1400r/min、搅拌时间为3min的试件抗压强度要高。
半成品(未蒸压养护前的试件)的质量直接关系着成品的质量，而养护条件是影响半成品质量的最主要因素。本发明在前面得到最佳配方的基础上，利用确定的发泡养护工艺试验方案，对坯体在室温和恒温养护箱两种养护条件下进行了试验，从而得到最佳发泡养护工艺。表观现象对比结果见表9，物理力学性能对比结果见表10。
表9 不同养护方式的半成品质量对比分析


表10 不同养护方式的试件强度对比表

从表9和表10可知，当发泡养护条件为20℃、湿度为80％时，试件发泡不明显，体积膨胀率小，30号试件抗压强度大(达到12.5Mpa)，但试件的密度也较大，已不能满足《蒸压轻质砖砌块》(GB11968-2006)合格品的密度要求；当发泡养护条件为40℃、湿度为95％时，31号试件发泡明显，体积膨胀率较大，强度也较高；当发泡养护条件为60℃、湿度为95％时，32号试件发泡明显，体积膨胀率大，密度比较小，但强度偏低。由此可见第2种养护方式得到试件的物理力学性能最好，因此试件的最佳养护温度为40℃，湿度为95％左右。
温度、压力是料浆充分反应的前提条件。本发明在前面得到最佳配方的基础上，利用确定的蒸压养护工艺试验方案，对坯体在不同反应温度、反应时间和升降压方式下进行了试验，从而得到最佳蒸压养护条件。试验结果见表11。
表11 不同蒸压温度的成品质量对比分析


从表11可知，在0.9MPa、1.0MPa、1.1MPa直接升压降压方式蒸压养护试件均未得到合格试件，这说明升压降压对试件的性能有直接影响。阶梯升降压养护方式采取的步骤是：在升压过程中0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa各保持1h，达到设定压强后保持8h；降压时在0.4MPa静停0.5h，能得到物理力学性能较好的试件。
通过资料分析和试验发现蒸压时间与抗压强度也有直接关系，其关系见图5。
从图5可以看出，随着蒸压时间的延长，制品抗压强度增大，在蒸压时间小于7h时，抗压强度随蒸压时间的增加变化较显著，在蒸压时间在7～9h情况下，抗压强度随时间的延长增加的比较缓慢，曲线基本上水平。主要原因是，蒸压时间较短时，石灰和粉煤灰的反应不完全，只在坯体表层生产水化产物，而坯体内部还没来得及反应，因此制品强度较低。相反，当时间延长后，制品有充足的时间发生反应，坯体整体形成密实的水化产物，因而制品的强度较高。
在所述干化、蒸压养护步骤中，将干化、蒸压养护降压过程的气体分别经管道输送到颗粒活性炭或硅藻土溶液的处理器中，合理处理尾气，确保排放达标。
因此，本发明通过以上的实施例，得到本发明要求保护的技术方案。