本文關(guān)鍵詞：污泥、底泥與粉煤灰燒結(jié)陶粒的工藝研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第12卷第4期安全與環(huán)境學(xué)報(bào)Vol.12　No.4

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2012年8月JournalofSafetyandEnvironmentAug.,2012

文章編號(hào):1009-6094(2012)04-0021-06

究主要是在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)上開(kāi)展的,對(duì)于擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)中相關(guān)

-18]

的工藝參數(shù)探討明顯不足[17,不利于此技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文將污泥與當(dāng)?shù)睾拥狼逵龠^(guò)程中產(chǎn)生的底泥按一定比例混

污泥、底泥與粉煤灰燒結(jié)陶粒的工藝研究＊

徐振華,劉建國(guó),宋敏英,張志飛

(清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京100084)

摘　要:研究了污泥、底泥與粉煤灰燒結(jié)陶粒的配方、預(yù)熱溫度、物料含水率對(duì)陶粒比表面積、抗壓強(qiáng)度、吸水率和表觀密度的影響,同時(shí)對(duì)影響陶粒燒結(jié)的主要工藝進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,原料配方對(duì)陶粒主要性能影響無(wú)明顯規(guī)律;充分預(yù)熱有利于提高陶粒強(qiáng)度,而不充分預(yù)熱可以提高陶�？紫�,降低陶粒密度;坯料含水率的提高會(huì)導(dǎo)致陶粒結(jié)構(gòu)松散,降低陶粒抗壓強(qiáng)度,增加吸水率。另外,燒結(jié)溫度對(duì)于制備濾料和骨料都是最重要的影響因素。對(duì)于制備濾料,污泥添加量對(duì)陶粒比表面積的影響不確定,需要根據(jù)實(shí)際情況確定,而提高升溫速率有利于提高陶粒比表面積;對(duì)于制備骨料,坯料中污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜在30%～35%。

關(guān)鍵詞:環(huán)境工程學(xué);污泥;陶粒;燒結(jié);比表面積;抗壓強(qiáng)度中圖分類號(hào):X705　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI:10.3969/j.issn.1009-6094.2012.04.006

合,并適當(dāng)添加粉煤灰作為調(diào)節(jié)劑制備陶粒濾料和骨料。陶

粒濾料采用比表面積和密度作為主要表征指標(biāo),陶粒骨料采用抗壓強(qiáng)度、吸水率和密度作為主要表征指標(biāo),分析制備不同陶粒的配方、預(yù)熱溫度、物料含水率以及主要工藝條件對(duì)燒制陶粒的影響。

1　試　驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)原料

所用污泥來(lái)自蘇州直鎮(zhèn)某污水處理廠脫水污

泥,其含水率約為80%,干基高位熱值約10MJ/kg,揮發(fā)性固體質(zhì)量比(VS)約38%。底泥取自直當(dāng)?shù)睾拥狼逵偎a(chǎn)生的

底泥。粉煤灰取自直鎮(zhèn)某熱電廠。所取樣品礦物成分采用X射線熒光光譜儀(島津XRF-1700)進(jìn)行分析,主要成分以氧化物形式列于表1。

1.2　燒結(jié)試驗(yàn)程序

試驗(yàn)分4部分,分別對(duì)配方、預(yù)熱溫度、物料含水率和燒結(jié)熱工制度進(jìn)行研究。

將脫水污泥、底泥和粉煤灰放入105℃烘箱中烘干后,分別放入粉碎機(jī)粉碎至48～75μm,并按一定配比(污泥∶底泥∶粉煤灰)將物料混合均勻,各原料配比時(shí)均以干重計(jì)�；旌暇鶆蚝蟮奈锪辖�(jīng)粉末壓片機(jī)成型,成型壓力為8.0MPa,得到直徑2cm,高約1.5cm的圓柱形坯體。然后將該坯料放入管式電阻爐中燒結(jié)。電阻爐由PID程序控制升溫,升溫速率為9℃/min。按照一定的燒結(jié)程序?qū)ε髁线M(jìn)行燒結(jié),待燒結(jié)體自然冷卻后將其從爐膛取出。1.2.1　原料配方對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)

作為一個(gè)典型的混料問(wèn)題,配方試驗(yàn)研究采用三分量-四階的單純型-格子布點(diǎn)混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)。污泥、底泥和粉煤灰的干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別滿足30%～50%、40%～60%、10%～30%。配方設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1,A、B、C的物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(污泥,底泥,粉煤灰)分別為(30%,60%,10%)、(50%,40%,10%)、(30%,40%,30%)。三角形ABC內(nèi)各試驗(yàn)點(diǎn)的物料配比見(jiàn)表2。燒結(jié)程序?yàn)?預(yù)熱溫度350℃,預(yù)熱時(shí)間20min;高溫?zé)Y(jié)溫度1100℃,燒結(jié)時(shí)間10min。1.2.2　預(yù)熱溫度對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)

文獻(xiàn)[13,19-21]研究表明,污泥中絕大部分有機(jī)物會(huì)在300～350℃充分分解。而陶粒的膨脹性能在很大程度上與坯

%

K2O0.903.201.32

P2O514.490.420.59

灼減率38.27.14.4

0　引　言

城鎮(zhèn)中小型污水處理廠由于規(guī)模效益等原因一般同時(shí)接

納生活污水和工業(yè)污水,所產(chǎn)生的污泥具有有機(jī)物濃度較低,重金屬濃度較高的特點(diǎn),采用建材化處理技術(shù)處理此類污泥是目前較為可行的資源化利用的辦法之一[1-3]。Tsai等[4]對(duì)SiO2-Al2O3-助熔劑比例對(duì)污泥焚燒灰制備陶粒的膨脹性能的影響進(jìn)行了研究。Cheeseman等[5]研究了污泥焚燒灰制備陶粒的性能、微觀結(jié)構(gòu)和重金屬浸出特性。金宜英等[3,6-7]對(duì)城市污水處理廠污泥燒結(jié)制陶粒的可行性和工藝進(jìn)行了研究。Xu等利用給水廠和污水處理廠脫水污泥聯(lián)合燒結(jié)制備陶粒,并研究了(Fe2O3+CaO+MgO)濃度以及(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)對(duì)陶粒特性的影響。國(guó)外污泥建材化利用主要是用污泥焚燒灰燒結(jié)陶粒輕集料

[10-11]

[8-9]

,或?qū)?%～

15%的完全干化后的污泥作為添加劑與黏土等礦物一起燒制

-13]

陶粒[1,12;國(guó)內(nèi)污泥燒制陶粒研究添加的主要是生活污泥,工業(yè)污泥燒制陶粒技術(shù)少有報(bào)道,而且添加量一般不超過(guò)30%[2,14-15],高強(qiáng)陶粒污泥添加量則要求在5%以下[16]。

目前國(guó)內(nèi)外污泥燒結(jié)陶粒的研究主要集中在輕骨料上,燒制用于水環(huán)境治理的陶粒濾料等方面的研究很少,而且研

表1　試驗(yàn)所用原料(干基)元素組成表

Table1　Elementalcompositionofrawmaterials(drybasis)

樣品污泥底泥粉煤灰

SiO221.0465.5748.94

Al2O318.6317.4529.54

Fe2O33.646.485.00

CaO22.311.565.80

MgO3.421.920.75

Na2O2.520.810.51

＊收稿日期:2012-01-13

作者簡(jiǎn)介:徐振華,碩士研究生,從事污泥資源化方面研究;劉建國(guó)(通信作者),副研究員,從事生活垃圾可持續(xù)填埋技術(shù)和固化廢物建材化技

術(shù)研究,jgliu@tsinghua.edu.cn。

基金項(xiàng)目:國(guó)家水體污染控制重大科技專項(xiàng)(2008ZX07313-006)

　Vol.12　No.4　　　　　　　　　　　　　　安全與環(huán)境學(xué)報(bào)　　　　　　　　　　　　　　第12卷第4期料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)[22-23],降低預(yù)熱溫度會(huì)使更多的碳進(jìn)入產(chǎn)氣反應(yīng)發(fā)生階段,有利于陶粒的膨脹。因此,預(yù)熱溫度選取200～350℃,溫度間隔25℃,選取原料配比為5∶4∶1,預(yù)熱時(shí)間為20min,燒結(jié)時(shí)間為15min,燒結(jié)溫度為1075℃。1.2.3　物料含水率對(duì)陶粒性能影響試驗(yàn)實(shí)際生產(chǎn)中將污泥和底泥完全干燥比較困難,而且能耗非常大,可操作性不強(qiáng)。物料含水率的控制對(duì)于造粒工藝有較大影響,需考察含水率對(duì)燒結(jié)產(chǎn)品的性能的影響。原料配比為5∶4∶1,分別向均勻混合的原料中加入10%、15%、20%的水充分?jǐn)嚢韬蠹訅撼尚?預(yù)熱時(shí)間為20min,燒結(jié)時(shí)間為15min,選取1100℃和1125℃分別進(jìn)行物料含水率影響試驗(yàn)。1.2.4　燒結(jié)工藝的正交試驗(yàn)研究

選取第4、5、14、15組配方,

燒結(jié)爐運(yùn)行工藝條件選取燒

結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和預(yù)熱時(shí)間,燒結(jié)溫度根據(jù)前期研究選取1000～1150℃,燒結(jié)時(shí)間設(shè)定在5～20min,預(yù)熱溫度設(shè)定為

[24]

主要有機(jī)成分的分解溫度(350℃)。通過(guò)正交試驗(yàn)探討燒結(jié)爐運(yùn)行工藝條件和原料配比對(duì)陶粒性能的影響,因素-水平表見(jiàn)表3,正交試驗(yàn)方案及產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。1.3　試驗(yàn)分析方法

軸向抗壓強(qiáng)度使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)廠,WDW3020)進(jìn)行測(cè)定;吸水率根據(jù)GB/T17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法浸泡1h后測(cè)定;比表面積采用BET動(dòng)態(tài)氮吸附法,使用全自動(dòng)4站比表面和孔隙度分析儀測(cè)定(美國(guó)康塔公司,QUDRASORBSI);密度通過(guò)測(cè)量體積和質(zhì)量經(jīng)計(jì)算獲得。

2　結(jié)果與討論

2.1　原料配方對(duì)陶粒性能的影響

按照燒結(jié)試驗(yàn)程序,對(duì)不同配方陶粒坯料在1100℃下燒結(jié)10min,并測(cè)定陶粒主要性能指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)圖2。

表3　燒結(jié)工藝正交試驗(yàn)因素-水平表Table3　Orthogonalexperimentalfactorsandlevels編號(hào)燒結(jié)溫度/℃燒結(jié)時(shí)間/min預(yù)熱時(shí)間/min

110005103∶5∶2

210501020

311001530

4115020405∶4∶1

圖1　配方試驗(yàn)設(shè)計(jì)布點(diǎn)示意圖

Fig.1　Schematicdiagramoftheformulaexperiment

配方3.5∶5.5∶14.5∶4∶1.5

表2　各配方試驗(yàn)點(diǎn)物料配比

Table2　Proportionoftherawmaterialsoftheformulaexperiment

編號(hào)污泥底泥粉煤灰

1306010

2305515

3355510

4305020

5355015

6405010

7304525

8354520

9404515

10454510

11304030

12354025

13404020

14454015

15504010

%

　　注:配方為脫水污泥∶河道底泥∶粉煤灰,若無(wú)特殊說(shuō)明,所有配比均按此順序。

表4　燒結(jié)工藝正交試驗(yàn)方案及產(chǎn)品性能測(cè)試

Table4　Orthogonalexperimentalmethodandthepropertiesofthesinteringproducts

編號(hào)1234

5678910111213141516

燒結(jié)溫度/

℃1000100010001000105010501050105011001100110011001150115011501150

燒結(jié)時(shí)間/

min5101520105201515205102015105

預(yù)熱時(shí)間/

min10203040304010204030201020104030

配方3∶5∶23.5∶5.5∶14.5∶4∶1.55∶4∶15∶4∶14.5∶4∶1.53.5∶5.5∶13∶5∶23.5∶5.5∶13∶5∶25∶4∶14.5∶4∶1.54.5∶4∶1.55∶4∶13∶5∶23.5∶5.5∶1

比表面積/(m2·g-1)1.2281.2881.6781.722

1.5491.4230.9920.8860.5360.5341.2360.9740.1340.2190.7910.388

抗壓強(qiáng)度/MPa5.074.771.261.73

1.441.855.475.7210.2111.972.013.4241.6313.2314.8416.84

吸水率/%27.8925.3436.9135.38

36.5434.2923.7822.2018.1610.7535.3927.930.496.908.797.39

表觀密度/(g·cm-3)1.231.221.051.03

1.021.061.241.241.271.311.031.081.871.921.851.88

2012年8月　　　　　　　　徐振華,等:污泥、底泥與粉煤灰燒結(jié)陶粒的工藝研究　　　　　　　　　Aug.,2012

約為其筒壓強(qiáng)度的75%[26],即抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.3MPa時(shí)陶粒的筒壓強(qiáng)度可以滿足優(yōu)等品的要求。

由圖2看不出抗壓強(qiáng)度與配方之間有明顯規(guī)律,但污泥添加量在30%以上時(shí)仍可以燒制出抗壓強(qiáng)度達(dá)16MPa以上的高強(qiáng)度陶粒。范錦忠[16]指出,如要生產(chǎn)高強(qiáng)度陶粒,污泥摻加量不宜超過(guò)5%。Martínez[1]在研究黏土燒結(jié)制磚過(guò)程中加入0%～15%污泥,污泥濃度增加會(huì)降低陶粒強(qiáng)度,提高陶粒吸水率。Chiou等[27]研究了污泥和污泥灰混合后制取陶粒的配比,建議污泥摻加量不能超過(guò)20%。但從圖2可以發(fā)現(xiàn),即使污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%,通過(guò)配方的調(diào)整,所生產(chǎn)出來(lái)的陶粒也可達(dá)到高強(qiáng)度陶粒的標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明底泥和粉煤灰的加入很大程度上彌補(bǔ)了污泥燒結(jié)陶粒時(shí)組分上的缺陷,充分發(fā)揮了幾種廢物在燒結(jié)過(guò)程中的協(xié)同作用。

2.1.3　原料配方對(duì)吸水率的影響

用于建筑骨料的陶粒,其品質(zhì)與吸水率有重要關(guān)系,它會(huì)影響陶粒的抗壓強(qiáng)度和體積密度。當(dāng)水被吸進(jìn)燒結(jié)體后,陶粒會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹,容易龜裂,導(dǎo)致軟化系數(shù)提高,從而降低抗壓強(qiáng)度[28]。

從圖2可以看出,吸水率變化并沒(méi)有明顯的規(guī)律,但底泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到55%以上時(shí),陶粒吸水率指標(biāo)均滿足《輕集料及其試驗(yàn)方法》[29]中600～900級(jí)高強(qiáng)粉煤灰陶粒所要求的小于15%的要求,其他配比得到的陶粒吸水率指標(biāo)均不理想。雖然結(jié)合抗壓強(qiáng)度指標(biāo)可以推斷陶粒在燒結(jié)時(shí)已經(jīng)形成一定的液相,但可能由于污泥中大量的有機(jī)質(zhì)和鈣鹽提高了陶粒的開(kāi)孔率[12,30],導(dǎo)致陶粒吸水率偏高。用于水處理濾料

圖2　不同配方燒結(jié)陶粒的主要性能

Fig.2　Majorpropertiesoftheceramisitessinteredfrom

differentformulas

的陶粒對(duì)吸水率并沒(méi)有要求,相反,吸水率較高說(shuō)明陶粒結(jié)構(gòu)

中有大量相互連通的孔道,這一特點(diǎn)有利于微生物的生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。但高吸水率陶粒是否適合作為濾料還需要結(jié)合其他指標(biāo)來(lái)做進(jìn)一步判斷。

2.1.4　原料配方對(duì)表觀密度的影響

從圖2可以看出,陶粒的表觀密度與吸水率的變化趨勢(shì)是相反的,即當(dāng)吸水率較低時(shí),陶粒表觀密度較大,反之亦然。這與Furlani[31]的研究結(jié)果類似。這種相關(guān)性從側(cè)面反映出所燒結(jié)的陶粒孔道是相互連通的。因?yàn)槲逝c燒結(jié)體中的開(kāi)孔比例直接相關(guān),而燒結(jié)體中的孔隙越豐富,表觀密度就會(huì)越小。但是理論上吸水率與表觀密度并沒(méi)有必然的聯(lián)系,如果要生產(chǎn)出密度等級(jí)小,且吸水率較低的陶粒就必需調(diào)整配方和燒結(jié)工藝,使坯料在燒結(jié)過(guò)程中能形成封閉的氣孔。2.2　預(yù)熱溫度對(duì)陶粒性能的影響

本文所用的污泥比例較高,在預(yù)熱階段陶粒坯料中大部分有機(jī)物得以分解,自由水和結(jié)合水被蒸發(fā)出來(lái),采用合適的預(yù)熱溫度不僅有利于制定合適的燒結(jié)制度,也有利于降低能耗,提高生產(chǎn)效率。預(yù)熱溫度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可以看出,當(dāng)預(yù)熱溫度低于250℃時(shí),所得到的陶�？箟簭�(qiáng)度較高,吸水率和比表面積較低;預(yù)熱溫度高于275℃時(shí)則相反。不同預(yù)熱溫度下得到的陶粒表觀密度基本上處于同一水平,波動(dòng)不大。

陶粒燒結(jié)工藝中的預(yù)熱過(guò)程主要起到兩個(gè)作用:1)將坯料中的大部分有機(jī)質(zhì)熱解為氣體去除,使陶粒輕質(zhì)化;2)除去坯料中的水分,避免升溫過(guò)程中水蒸發(fā)過(guò)快而導(dǎo)致坯體炸裂,影響燒結(jié)體的強(qiáng)度性能。陶粒坯料在預(yù)熱過(guò)程中,顆粒間的間隙擴(kuò)大,孔隙率變大,燒結(jié)體密度減小,達(dá)到了超輕的效果。

2.1.1　配方對(duì)陶粒比表面積的影響

比表面積是評(píng)價(jià)水處理濾料性能的重要常規(guī)指標(biāo)之一。比表面積越大越有利于微生物的附著,有利于提高濾料吸附截留效果。由圖2可以看出,3、4號(hào)樣品的比表面積較大,達(dá)到1.2m/g以上,遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(≥0.5m/g);其他配方的陶粒比表面積也都滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

從圖2還可以看出,1～3、7～10和13～14號(hào)樣品隨著污泥比例的提高,陶粒的比表面積也提高。這可能是因?yàn)槲勰嘀胸S富的有機(jī)物在燒結(jié)升溫過(guò)程中,由于揮發(fā)分解使陶粒內(nèi)部形成大量多孔結(jié)構(gòu),從而提高陶粒的比表面積。而4～6、11～13和14～15號(hào)樣品隨著污泥比例的提高,陶粒的比表面積反而有所下降。這可能是由于污泥比例的提高增加了坯料中助熔劑的量,提高了液相的流動(dòng)性,導(dǎo)致小孔合并成大孔,從而減小了單位體積內(nèi)陶粒的比表面積。對(duì)比抗壓強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%時(shí),雖然陶粒比表面積有所提高,但是過(guò)度豐富的孔隙結(jié)構(gòu)極大地破壞了陶粒形成強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)[1,13],因此,配方中污泥添加量建議限制在45%以下。2.1.2　配方對(duì)陶�？箟簭�(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是考察陶粒建材利用的必要指標(biāo)。GB/T17431.1—1998中700級(jí)陶粒的筒壓強(qiáng)度優(yōu)等品要求為4.0MPa,合格品要求為3.0MPa。本文采用陶粒的抗壓強(qiáng)度代替筒壓強(qiáng)度表征陶粒強(qiáng)度性能。經(jīng)驗(yàn)表明,輕集料的抗壓強(qiáng)度

[25]

2

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本文編號(hào)：175327