【摘要】：本論文將粉煤灰作為污泥調(diào)理劑,首先對城市污水廠污泥進行了脫水預(yù)處理效果研究。隨后,以污泥、粉煤灰為原料,添加粘土為粘結(jié)劑,研究了污泥陶粒的燒制工藝,進行了中試生產(chǎn),并在水處理實驗中考察了其應(yīng)用性能。在上述實驗研究過程中,探討了粉煤灰對污泥脫水的影響機理；研究了污泥中高含量有機物以及助熔劑對污泥陶粒性能的影響及作用機理,從而揭示了污泥陶粒的膨脹機理。本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下： 1.以污泥比阻(SRF)、脫水速度、濾餅含水率等為考察指標,并以陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)為對照,通過單因素實驗對城市污水處理廠的剩余污泥進行了脫水效果研究。結(jié)果表明,隨著粉煤灰投加量的提高,污泥比阻持續(xù)降低。當粉煤灰投加量達到2g/(100mL污泥)時,污泥比阻從0.92×109s2/g降至0.32×109s2/g,降低了65.2%。單獨投加粉煤灰對降低脫水污泥含水率效果最明顯,當粉煤灰投加量為3g/(100mL污泥)時,濾餅含水率降至66.9%。PAM的投加,只能將污泥含水率降至80%左右,當繼續(xù)投加粉煤灰至3g/(100mL污泥)時,濾餅含水率可降為71.8%。PAM與粉煤灰聯(lián)合投加可使污泥脫水速度提高90%以上。 2.通過化學(xué)成分分析、微觀形貌觀察(SEM)、粒徑分布、表面電負性(Zeta電位)等表征手段,結(jié)合脫水效果實驗,認為粉煤灰降低污泥比阻的主要原因在于粉煤灰顆粒結(jié)構(gòu)疏松多孔,分散性好,強度較大,作為骨架均勻分散在污泥絮體結(jié)構(gòu)中,使污泥濾餅形成了透水性更好的多孔結(jié)構(gòu),降低了壓縮程度,水分進出通道比較暢通,從而表現(xiàn)為污泥比阻的降低。粉煤灰和污泥表面都帶負電荷,不能對污泥起到電性中和作用,而且粉煤灰的投加不能促進污泥顆粒粒徑的長大,因此粉煤灰不會對污泥產(chǎn)生絮凝作用。 3.結(jié)合污泥、粉煤灰、粘土的化學(xué)成分分析,塑性指數(shù)測定以及熱重-差熱(DSC-TGA)分析,分別以硬度、吸水率、密度等為考察指標,對原料配比、預(yù)熱溫度與時間、燒結(jié)溫度與時間等工藝參數(shù)對污泥陶粒性能的影響進行了單因素實驗,確定制備污泥陶粒的工藝參數(shù)為：原料配比中污泥含量不超過50%,粘土不低于50%；預(yù)熱溫度為400℃,預(yù)熱時間20min；燒制污泥陶粒濾料時,燒結(jié)溫度為1050℃,燒結(jié)時間為5min；燒制膨脹陶粒時,燒結(jié)溫度為1150℃,燒結(jié)時間10min。實驗結(jié)果表明,燒結(jié)溫度是影響陶粒物理性能的最關(guān)鍵因素。隨著溫度的升高,越來越多的原料成分熔化成為玻璃態(tài)物質(zhì),使陶粒體積收縮,密度增大,表面增稠而致密,吸水率降低；當溫度超過1125℃后,由于產(chǎn)氣反應(yīng)的發(fā)生,陶粒體內(nèi)氣壓增大,體積膨脹,密度開始降低。 4.通過考察預(yù)熱溫度對污泥陶粒密度和吸水率的影響,揭示出污泥中高含量有機物對污泥陶粒的膨脹作用機理為：ⅰ)有機膨脹劑(污泥中的有機物)在預(yù)熱階段(500℃)發(fā)生了脫水和碳化,生成還原性的碳；ⅱ)在燒結(jié)階段(1150℃),先是無機膨脹劑中的碳酸鹽(主要是CaCO3)、硫酸鹽等分解為對應(yīng)的氧化物和CO2、SO2,然后是Fe2O3在高溫下分解為FeO、Fe3O4和O2,產(chǎn)生的這些氣體使得陶粒體積產(chǎn)生一次膨脹；ⅲ)由氧化鐵分解產(chǎn)生的02與預(yù)熱階段產(chǎn)生的還原碳生成CO和CO2,這些二次氣體使得污泥陶粒體積產(chǎn)生二次膨脹。 5.通過研究不同原料配比及燒結(jié)溫度對污泥陶粒物理性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響,揭示了污泥中的助熔劑與燒結(jié)溫度之間的相互作用機制為：高溫下,污泥中較多的堿金屬和堿土金屬氧化物使得Si-O(橋氧)鍵斷裂,破壞了[SiO4]四面體骨架網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),使其更易解體,從而生成了更多的玻璃態(tài)熔融體。故污泥陶粒更容易燒結(jié),即燒結(jié)溫度更低,燒結(jié)時間更短。 6.通過對比污泥-粘土陶粒和粉煤灰-粘土陶粒的密度和膨脹率隨燒結(jié)溫度的變化規(guī)律,揭示了污泥陶粒的膨脹機理：當溫度低于燒脹溫度(1150℃)時,熔融物質(zhì)的數(shù)量是決定污泥陶粒物理性能的關(guān)鍵因素。而熔融物質(zhì)的多少與助熔劑有關(guān),助熔劑越多,則成陶材料的熔點越低,在相同溫度下熔化生成玻璃態(tài)物質(zhì)就越多,導(dǎo)致收縮更劇烈,顆粒密度更大。當燒結(jié)溫度達到膨脹溫度后,決定污泥陶粒物理性能的關(guān)鍵因素演變?yōu)樗a(chǎn)生氣體的壓力。當氣體壓力足以克服表面張力時,體積膨脹。1150℃后,開始發(fā)生產(chǎn)氣反應(yīng),在污泥陶粒中,這類反應(yīng)主要是碳和氧化鐵之間的氧化還原反應(yīng),而還原碳來自預(yù)熱階段污泥中有機物的熱解。因此,碳和氧化鐵的含量以及它們之間的比例是氣體產(chǎn)生量的兩個決定因素。污泥陶粒中有機物和鐵含量都較高,因此,產(chǎn)氣量較大,導(dǎo)致內(nèi)部的空隙率高從而降低了顆粒密度。 7.通過陶粒中礦物成分的X射線衍射(XRD)分析,發(fā)現(xiàn)粘土陶粒中主要是鈣長石、鈉長石等長石類礦物,而污泥陶粒中的礦物成分主要是石英。正是由于高溫下原料粉末顆粒之間的熔融燒結(jié),形成了這些長石以及石英等架狀硅酸鹽晶體和玻璃相無定形物質(zhì),才使陶粒具有較高的強度和較大的硬度。 8.通過以上污泥陶粒的燒制工藝研究和膨脹機理探討,認為污泥陶粒濾料的燒結(jié)是一個不完全燒結(jié)和不完全燒脹的過程。一方面,通過燒結(jié),使顆粒間鍵合,形成一定的結(jié)合力,提高機械強度；另一方面,要在陶粒內(nèi)部產(chǎn)生氣體使其體積膨脹,從而形成多孔的微觀結(jié)構(gòu),降低密度；第三還要通過降低助熔劑等成分的含量,使陶粒表面不易熔融,從而提高表面孔隙率。 9.對污泥陶粒的重金屬浸出率進行了測定,結(jié)果表明,污泥陶粒(污泥：粘土=1：1)的重金屬浸出濃度都低于1ppm,對重金屬的固化率都超過80%,對總Pb的固化率達到了99.1%。通過高溫?zé)Y(jié),污泥中的大部分重金屬元素很可能與Si4+、Al3+等網(wǎng)絡(luò)形成元素發(fā)生了類質(zhì)同象置換,從而被牢牢固定在新的礦物晶體結(jié)構(gòu)中。污泥陶粒作為水處理濾料,其穩(wěn)定性和安全性符合應(yīng)用要求。 10.分別在實驗室旋轉(zhuǎn)電爐和工業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行了污泥陶粒動態(tài)試驗和中試生產(chǎn),證明污泥陶粒燒制工藝合理,生產(chǎn)過程容易控制,產(chǎn)品性能穩(wěn)定,具備工業(yè)化放大條件。將中試產(chǎn)品應(yīng)用于曝氣生物濾池中,進行了生活污水處理實驗,結(jié)果表明污泥陶粒濾料有利于微生物生長和繁殖,各項性能不遜于商品陶粒,并在氨氮的去除方面更具優(yōu)越性,是一種性能良好的水處理填料。 通過以上研究,對粉煤灰調(diào)理后脫水污泥的處置及資源化途徑進行了展望。對于小型污水廠而言,通過投加粉煤灰后壓濾脫水使濾餅含水率降至60%以下,可以最經(jīng)濟的衛(wèi)生填埋方式解決污泥問題。對于大型城市污水廠而言,采用PAM與粉煤灰聯(lián)合脫水后,添加輔料燒制污泥陶粒,可以同時實現(xiàn)污泥無害化、資源化。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：X703

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