城市污水廠污泥與海泥制備陶粒的試驗研究

劉洋洋　夏霆　王世祥

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院　南京 211816)

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城市污水廠污泥與海泥制備陶粒的試驗研究

劉洋洋夏霆王世祥

(南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院南京 211816)

摘要城市污水廠污泥與海泥是難以處理的固體廢棄物，處理不當(dāng)將會對環(huán)境造成二次污染。通過以污泥、海泥為主要原料，以碳酸鈣為發(fā)泡劑來制備陶粒，分析各工藝條件對陶?？箟簭?qiáng)度、吸水率、堆積密度等指標(biāo)的影響，試驗結(jié)果得出在海泥：污泥：碳酸鈣=5：4：1，預(yù)熱溫度350 ℃，預(yù)熱時間20 min，焙燒溫度1 120 ℃，焙燒時間10 min時，可以制備出性能良好的陶粒。

關(guān)鍵詞海泥城市污泥陶粒工藝條件

Study on Ceramsite Production with Sludge and Sea Mud in Municipal Sewage Plant

LIU YangyangXIA TingWANG Shixiang

(DepartmentofEnvironment,NanjingTechUniversityNanjing211816)

AbstractIt is difficult to treat the sea mud and sludge in municipal sewage plant and the secondary pollution will be brought about without suitable treatment. In the paper, sea mud and sludge are used as the main raw materials, calcium carbonate as the foaming agent, to produce ceramsite, in which the influences of process conditions on packing density, water absorption and compressive strength are analyzed. It can be found that the best ceramsite can be made under the following conditions, sea mud : sludge : calcium carbonate 5:4:1, the preheating temperature 350 ℃, preheating time 20 mins, calcination temperature 1 120 ℃ and calcination time 10 mins.

Key Wordssea mudmunicipal sludgeceramsiteprocess conditions

0引言

近年來，隨著我國污水處理能力的提高以及對環(huán)境公共基礎(chǔ)建設(shè)的重視，越來越多的污水處理廠不斷地興建起來，隨之污泥的產(chǎn)量也逐年增加。截止到2010年底，全國城鎮(zhèn)脫水污泥的產(chǎn)量近2 200萬t，在“十二五”期間污泥的年產(chǎn)量還將以246萬m3/a的速度遞增[1]。傳統(tǒng)的污泥處置技術(shù)包括：填埋、焚燒、農(nóng)用和投海等[2-3]，成本高且易造成二次污染，均不適宜用于處理日后如此大量的脫水污泥，因此如何有效地利用污泥，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化是應(yīng)對逐年增加污泥的主要方法[4]。除了城市污泥，我國包含七大水系、532條以上大河流以及海岸線的江河入?？冢@些江河湖海每年都會有大量的淤泥沉積，并且點(diǎn)多面廣，是一種可以替代粘土的新原料，有利于耕地的保護(hù)[5]。

利用污泥制備陶粒在國內(nèi)外已有相關(guān)研究[6]，國內(nèi)的王佳福等[7]利用城市污泥、煤矸石、赤泥等制備出600級高強(qiáng)輕集料的陶粒；崔清泉等[8]利用生活污泥、粘土等制備出不同級別，性能良好的陶粒；翁煥新等[9-10]研究利用城市污泥制備出滿足實(shí)際應(yīng)用的陶粒。目前研究主要集中在將污泥作為燒制工藝中的有機(jī)添加物，使用量較少，還需添加粘土、硅酸鈉等物質(zhì)作粘結(jié)劑，不利于耕地的保護(hù)，使用化學(xué)藥劑造價較高。本文利用污泥、海泥輔以碳酸鈣制備陶粒，不僅資源化利用了固體廢棄物，在保護(hù)耕地的同時還可滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)中對綠色輕質(zhì)陶粒日益增長的需求。

1試驗

1.1試驗原料

污泥：南京江心洲污水處理廠脫水機(jī)房污泥；海泥：連云港清海淤泥；碳酸鈣：作為發(fā)泡劑；水：自來水，加水使原料軟化以便成型。污泥與海泥化學(xué)成分見表1。

表1　污泥及海泥的化學(xué)成分　%

1.2試驗儀器

分析研磨機(jī)：型號A11(德國IKA集團(tuán))；電子天平：型號BS224S(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司)；干燥箱：型號DHG-9033BS-III(上海新苗醫(yī)療機(jī)械制造有限公司)；馬弗爐：型號KSL-1200X(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)；萬能試驗壓力機(jī)：型號WDW-100(長春科新試驗儀器有限公司)。

1.3試驗方法

將脫水污泥、海泥放入105 ℃干燥箱內(nèi)烘干，粉碎并過100目篩，與碳酸鈣按試驗比例均勻混合，加適量水成球，然后放置于干燥箱中烘干3 h，目的是脫去顆粒中多余的附著水，防止燒制階段出現(xiàn)裂紋或炸裂，再將烘干的顆粒放置于馬弗爐進(jìn)行預(yù)熱、焙燒、冷卻，最后取出，進(jìn)行陶粒性能的測定。陶粒制備工藝見圖1。

圖1　陶粒生產(chǎn)工藝流程圖

2結(jié)果與討論

2.1物料配比的影響

在預(yù)熱溫度為400 ℃，預(yù)熱時間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時間為12 min的工藝條件下進(jìn)行了一系列不同物料配比的試驗，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗結(jié)果見圖2、圖3(A，B，C，D，E，F(xiàn)分別表示污泥、海泥、碳酸鈣的質(zhì)量比為30:60:10，35:55:10，40:50:10，45:45:10，50:40:10，55:35:10)。

圖2　物料配比對堆積密度的影響

圖3　物料配比對吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

在污泥含量較大時，物料之間的粘結(jié)性會非常的小，不易陶粒的成型，同時會降低陶粒的抗壓強(qiáng)度；在海泥含量較大時，陶粒在高溫時會發(fā)生爆炸，純海泥生料球在200 ℃下即發(fā)生炸裂現(xiàn)象。由圖2和圖3可知，隨著污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大(海泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小)，陶粒的顏色由黃變黑，堆積密度和抗壓強(qiáng)度都隨之減小，而吸水率則相反。這是由于SiO2和Al2O3是陶粒形成結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)升至一定的溫度時，生料球中的石英成分和各種分解物不斷地溶解，當(dāng)Al2O3，SiO2溶解達(dá)到飽和時則會析出穩(wěn)定的莫來石晶體，晶體析出后，溶液相對Al2O3，SiO2來說又處于不飽和狀態(tài)，因此溶解過程和晶體析出過程的不斷進(jìn)行促使了晶體尺寸的不斷增長，其在生料球中的交錯貫穿形成陶粒中的“骨架”，使得陶粒的強(qiáng)度不斷增大?？紤]滿足工程應(yīng)用中陶粒強(qiáng)度的要求，以及盡量多添加城市污泥，選取海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10的比例。

2.2預(yù)熱制度的影響

陶粒制備工藝中預(yù)熱的作用：①使生料球中大部分有機(jī)質(zhì)熱解為氣體后去除，使陶粒輕質(zhì)化；②去除生料球中的水分，避免在升溫過程中由于水分蒸發(fā)速度過快而致使陶粒球炸裂，影響陶粒的強(qiáng)度性能。在預(yù)熱過程中，生料球內(nèi)部顆粒間的間隙與孔隙率變大，生料球密度減小，達(dá)到了超輕的效果。采用合適的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間不僅有利于制定適宜的燒制制度，同時也有利于降低能耗，提高陶粒的生產(chǎn)效率。

2.2.1預(yù)熱時間的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時間為12 min的工藝條件下，預(yù)熱時間選取10，15，20，25 min，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗結(jié)果見圖4、圖5。

圖4　預(yù)熱時間對堆積密度的影響

圖5　預(yù)熱時間對吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2預(yù)熱溫度的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱時間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃，焙燒時間為12 min的工藝條件下，預(yù)熱溫度選取300，350，400 ℃，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗結(jié)果見表2。

表2　預(yù)熱溫度對堆積密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4，5和表2可知，隨著預(yù)熱溫度與預(yù)熱時間的增加，堆積密度逐漸減小，達(dá)到陶粒的輕質(zhì)化，而其對吸水率與抗壓強(qiáng)度的有一定的影響但并不是十分明顯，根據(jù)試驗結(jié)果選擇預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時間為20 min。

2.3焙燒制度的影響

預(yù)熱階段后進(jìn)入焙燒階段，焙燒階段使全部有機(jī)物得到充分燃燒，自由水和結(jié)合水得到充分揮發(fā)，形成莫來石“骨架”。在焙燒階段，溫度和時間要適宜，溫度過高或者時間過長，產(chǎn)生的液相過多，過燒會使封閉的氣孔破裂，降低陶粒的抗壓強(qiáng)度，反之焙燒不完全，不能引起顆粒之間的壓力，顆粒間的滑動減少，固相反應(yīng)不完全，抗壓強(qiáng)度降低，堆積密度較大。

2.3.1焙燒時間的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時間為15 min，焙燒溫度為1 120 ℃的工藝條件下，焙燒時間選取6，9，12，15，18 min，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗結(jié)果見圖6、圖7。

由圖6、圖7可知，隨著焙燒時間的增加，陶粒的堆積密度逐漸降低，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，吸水率先減小后增大。這是因為隨著焙燒時間的增加，焙燒越充分，陶粒逐漸達(dá)到完全膨脹，陶粒表面的釉狀物質(zhì)以及莫來石“骨架”逐漸形成，而在焙燒時間達(dá)到一定程度后，陶粒表面會燒出裂縫從而影響陶粒的性能。根據(jù)試驗結(jié)果，在滿足陶粒性能的同時達(dá)到節(jié)能的目的，選取焙燒時間為12 min。

圖6　焙燒時間對堆積密度的影響

圖7　焙燒時間對吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

2.3.2焙燒溫度的影響

在物料配比為海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10，預(yù)熱溫度為350 ℃，預(yù)熱時間為15 min，焙燒時間為12 min的工藝條件下，焙燒溫度選取1 050，1 080，1 100，1 120，1 140 ℃，升溫速率控制在8 ℃/min，然后在馬弗爐內(nèi)冷卻，試驗結(jié)果見圖8、圖9。

圖8　焙燒溫度對堆積密度的影響

圖9　焙燒溫度對吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8、圖9可知，隨著焙燒溫度的升高，陶粒的堆積密度先減小后增大，抗壓強(qiáng)度逐步升高，陶粒的吸水率逐漸降低而在1 120 ℃后又有一定的升高，這是由于溫度在達(dá)到1 120 ℃前，隨著溫度的升高，陶粒表面形成的釉層不斷增多，封閉了陶粒表面的裂隙和孔隙，從而降低了吸水率，增加了強(qiáng)度，而溫度過高陶粒發(fā)生炸裂現(xiàn)象，吸水率又有一定的上升。根據(jù)試驗結(jié)果，選取焙燒溫度為1 120 ℃。

3結(jié)論

(1)單獨(dú)使用污泥或者海泥難以燒制出陶粒。

(2)當(dāng)海泥∶污泥∶碳酸鈣=50∶40∶10、預(yù)熱溫度350 ℃、預(yù)熱時間20 min、焙燒溫度1 120 ℃、焙燒時間12 min時，陶粒的抗壓強(qiáng)度為5.35 MPa，吸水率為15.62%，堆積密度為563 kg/m3，符合GB/T 17431—2010中600級高強(qiáng)輕集料的要求，脫水污泥利用率達(dá)到最大，以海泥替代污泥，保護(hù)了耕地，同時適量加入碳酸鈣既可做發(fā)泡劑降低陶粒的堆積密度，又可增大陶粒的孔隙率與吸水率。

(3)利用海泥與城市污水廠污泥燒制陶粒有效地減少了資源浪費(fèi)，為兩大廢棄物的處理提供了一條合理的途徑，有利于可持續(xù)發(fā)展，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展理念。

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(收稿日期：2015-01-29)

作者簡介劉洋洋，男，1990年生，碩士，研究方向為污泥資源化。