市政污泥干化-燒結(jié)制陶粒的研究

市政污泥干化-燒結(jié)制陶粒的研究

0污泥陶粒的利用市政污泥通常指城市污水處理廠的混合污泥和市政污泥。隨著各地污水處理設(shè)施的興建及污水處理率的提高,國內(nèi)污泥產(chǎn)量越來越大。傳統(tǒng)的污泥處理工藝費(fèi)用極高,其運(yùn)行費(fèi)約占污水廠總運(yùn)行費(fèi)用的20%～50%,投資占污水處理廠總投資的30%～40%。污泥陶粒最早由NakouziS.提出,是污泥摻加輔料后,經(jīng)造粒、焙燒而成的一種建材。陶粒作為一種輕集料,其取代普通砂石配制的輕集料混凝土具有密度小、強(qiáng)度高;保溫、隔熱性能好的優(yōu)點(diǎn)。但污泥陶粒技術(shù)在國內(nèi)外的研究起步不久,目前的應(yīng)用主要集中在將污泥作為陶粒燒制中的有機(jī)添加劑,摻加量只有10%左右。我們通過前期研究認(rèn)為,污泥“干化-燒結(jié)”是適宜于國內(nèi)污水廠污泥制陶粒的工藝路線,將干污泥摻加量提高到50%并給出了輔料配方。但配方中污泥量能否進(jìn)一步提高,以及具體的燒結(jié)工藝都有待研究。本研究通過實(shí)驗(yàn)探索了污泥陶粒的燒結(jié)工藝及配方中污泥摻加量的上限,同時(shí)揭示了污泥摻加量和燒結(jié)工藝之間的關(guān)系。提高了該工藝處理污泥的效率并降低了成本,對污泥陶粒技術(shù)的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。1實(shí)驗(yàn)部分1.1污泥和實(shí)驗(yàn)原料實(shí)驗(yàn)使用北京清河污水處理廠的脫水污泥作為主要原料。清河污水廠承擔(dān)著北京西北部地區(qū)的污水收集與處理任務(wù),是一座典型的生活污水處理廠。處理能力為40萬m3/日,日產(chǎn)脫水污泥100噸,目前采取外運(yùn)填埋的方式處理,缺乏合理利用。實(shí)驗(yàn)選取該廠脫水污泥為研究對象,能夠代表北方城市污水廠污泥的一般情況,對技術(shù)應(yīng)用有指導(dǎo)作用。污泥的含水率為80.6%,有機(jī)質(zhì)含量(干基)為50.4%,容重為1.07g/cm3,干污泥熔點(diǎn)為1050℃。采用全量消解的方法(ASTMD6357-00a)測定污泥中重金屬含量為:Cu:278.2、Zn:621.0、Pb:166.6、Cd:2.1、Cr:103.8、Ni:54.6、Hg:1.7、As:7.6(單位:mg/kg干污泥)。輔助原料有取自北京某電廠的粉煤灰;粘土等。使用X熒光光譜儀對原料的元素組成進(jìn)行了測試,結(jié)果見表1:使用到的儀器設(shè)備主要有:SXF-1200型X熒光光譜儀;HL-2070型粉碎機(jī);769YP-24B型粉末壓片機(jī);SK2-6-12型管式電阻爐;ZWICKZ005型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。燒結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意見圖1:1.2稱重技術(shù)的實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诖_定污泥陶粒的最佳燒結(jié)工藝,陶粒的配方參考前期研究的結(jié)果并采取正交設(shè)計(jì)方法安排實(shí)驗(yàn)。1.2.1預(yù)處理與成型坯料配方為干污泥50%,粘土12.5%,粉煤灰37.5%。脫水污泥105℃烘干后用粉碎機(jī)粉碎,和輔料按配方混勻后使用粉末壓片機(jī)成型。成型壓力7.5MPa,保壓30s。得到直徑2cm,高約1cm的圓柱,每片重約6g。1.2.2條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)選取燒結(jié)溫度,燒結(jié)時(shí)間,預(yù)熱時(shí)間三個(gè)工藝條件為需要優(yōu)化的因素,每因素選取九水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。因素水平表見表2。將正交表L27(313),修改后作為安排正交實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。1.2.3抗壓強(qiáng)度參考《GB/T17431.7-1998輕集料及其試驗(yàn)方法》,選取抗壓強(qiáng)度,密度和吸水率三個(gè)指標(biāo)來考察產(chǎn)品性能。采用“ZWICKZ005型萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)”,測試產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度;測量產(chǎn)品尺寸并結(jié)合重量確定產(chǎn)品密度;采取1h浸泡的辦法測其吸水率。每批產(chǎn)品都取多個(gè)樣品測試并取平均值。1.3產(chǎn)品的配方工藝本實(shí)驗(yàn)?zāi)吭谟谔剿魑勰嗵樟Ｖ形勰鄵郊恿康纳舷?同時(shí)研究污泥摻加量和燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能的交叉影響。通過考察產(chǎn)品性能與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步確定最佳的物料配比與燒結(jié)工藝。1.3.1污泥摻加量的確定從實(shí)際應(yīng)用的角度,污泥摻加量越大,越有利于污泥的處理及減少輔料用量。因此只考慮污泥摻加50%及以上的情況。各批次污泥摻加量分別為50%,60%,70%,80%,90%。其余成分為1∶3的粘土與粉煤灰,混合均勻后按1.2.1的方法加壓成型。1.3.2預(yù)處理燒結(jié)時(shí)間各批次燒結(jié)溫度分別為1040℃,1060℃,1080℃,1100℃,1120℃。預(yù)熱溫度350℃,預(yù)熱時(shí)間20min,燒結(jié)時(shí)間15min。共五個(gè)梯度,與污泥摻加量的五個(gè)梯度分別配合,則共有5×5=25批次實(shí)驗(yàn)。1.3.3產(chǎn)品性能試驗(yàn)2結(jié)果與討論2.1熱處理對陶粒性能的影響陶粒產(chǎn)品表面是一層較致密的釉層,內(nèi)部呈鉛灰色并有大量微小氣孔。三種性能指標(biāo)測試結(jié)果的極差分析見表3,可以看出,燒結(jié)溫度對各個(gè)指標(biāo)的影響最大。溫度越高,產(chǎn)品強(qiáng)度越高,吸水率越低,密度越大。這是由陶粒燒結(jié)的機(jī)理所決定的:陶粒經(jīng)焙燒而膨脹,應(yīng)同時(shí)具備兩個(gè)條件:坯體軟化生成一定量的液相并具有一定的粘度;坯體內(nèi)生成一定量的氣體使其膨脹變形。溫度越高液相量就越大,固體顆粒由于液相表面張力的作用相互接近,液相填充到氣孔中使坯體致密化。陶粒的密度變大,強(qiáng)度更高,吸水率降低。另一方面,液相會不斷溶解固體顆粒,并析出新的比較穩(wěn)定的結(jié)晶相——莫來石,這樣的溶解及析晶作用不斷進(jìn)行,使莫來石晶體不斷得到線性方向的長大,也增強(qiáng)了陶粒的強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)中溫度達(dá)到1100℃時(shí),陶粒的強(qiáng)度和吸水率指標(biāo)大幅提升,是從量變到質(zhì)變的拐點(diǎn),說明此時(shí)坯料開始熔融并有適量液相出現(xiàn)。燒結(jié)溫度繼續(xù)提高則產(chǎn)品密度增大,不利于生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒,同時(shí)成本也將上升。在加入50%的輔料情況下,1100℃是合適的燒脹溫度。預(yù)熱的目的在于將污泥中的大部分有機(jī)質(zhì)變?yōu)闅怏w去除,避免升溫過程中的炸裂,同時(shí)少部留待物料達(dá)到最佳黏度時(shí)起到發(fā)泡作用。350℃預(yù)熱溫度的選取就是基于污泥中主要有機(jī)成分的分解溫度,預(yù)熱時(shí)間選取20分鐘最為有利。預(yù)熱溫度過高或預(yù)熱時(shí)間過長都會導(dǎo)致氣體在坯料未達(dá)到最佳粘度時(shí)已逸出,使陶粒膨脹不佳并提高了成本。15分鐘的燒結(jié)已能使陶粒獲得合適的性能。時(shí)間過長則能量消耗大,產(chǎn)品密度也高。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),長時(shí)間燒結(jié)后產(chǎn)品強(qiáng)度反而會下降。通過觀察陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)闊Y(jié)溫度一定,產(chǎn)生的液相量也一定的情況下,過長時(shí)間的燒結(jié)使互不聯(lián)通的微孔互相連接,形成了大的氣孔,從而降低了強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)確定了燒結(jié)工藝的部分參數(shù),說明了燒結(jié)溫度對產(chǎn)品性能影響最大。但物料配比和燒結(jié)溫度兩個(gè)因素之間的協(xié)同作用還需要研究。同時(shí)輔料和添加劑摻加過多,不利于增大污泥處理量和資源保護(hù),需要進(jìn)一步探索污泥的最大可摻加量。2.2污泥摻加量的影響不同燒結(jié)溫度下,產(chǎn)品強(qiáng)度隨污泥摻加量的變化如圖2所示:在較低的燒結(jié)溫度下(1040℃,1060℃,1080℃),產(chǎn)品強(qiáng)度隨污泥摻加量的提高而增強(qiáng),同時(shí)產(chǎn)品表面更加致密,吸水率和體積也逐漸減小。說明燒結(jié)過程中的坯料的熔融作用增強(qiáng),產(chǎn)生了更多的液相。而在較高溫度下(1100℃,1120℃),產(chǎn)品的強(qiáng)度開始隨污泥摻加量的提高增強(qiáng)而提高,但1120℃在60%達(dá)到峰值,1100℃在70%達(dá)到達(dá)到峰值后繼續(xù)提高污泥摻加量則強(qiáng)度不升反降。溫度越高,峰值越大。分析其機(jī)理在于,污泥本身所含無機(jī)物強(qiáng)度不高,但其熔點(diǎn)(1050℃)要大大低于所加入的輔料熔點(diǎn)(粉煤灰1200℃～1300℃)。由于助熔作用混合物熔點(diǎn)隨污泥成分的增加而降低。在較低的燒結(jié)溫度下,污泥含量越高則坯料越容易達(dá)到燒脹條件,產(chǎn)品性能也越好,污泥含量較少的坯料因?yàn)椴荒墚a(chǎn)生足夠的液相,無法達(dá)到陶粒燒脹的條件而性能較差。而在高溫下,污泥含量較少的坯料也能熔融達(dá)到燒脹條件,過高的污泥含量反而由于污泥成分本身的強(qiáng)度不足而造成性能下降。2.3城鄉(xiāng)密度和吸水率變化規(guī)律在不同的污泥摻加量下,產(chǎn)品強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化情況如圖3所示:正是由于污泥本身熔點(diǎn)低,強(qiáng)度不高。因此污泥摻加量越低,產(chǎn)品可以達(dá)到的最大強(qiáng)度越高,但為燒出該強(qiáng)度產(chǎn)品所需燒結(jié)溫度也越高。污泥摻加量越高,其在低燒結(jié)溫度下的產(chǎn)品性能越好,過高的溫度反而對其強(qiáng)度不利。產(chǎn)品的密度和吸水率變化規(guī)律見圖4,圖5。與強(qiáng)度相似,高污泥摻加量的坯料低溫?zé)Y(jié)就能獲得低的吸水率和合適的產(chǎn)品密度。溫度高則產(chǎn)生液相過多,產(chǎn)品密度變大。低污泥摻加量的坯料必須更高的燒結(jié)溫度才能獲得合適的性能。一定的污泥摻加量對應(yīng)著一個(gè)“最適宜”燒結(jié)溫度,在該溫度下坯料充分燒脹,具有最佳性能。在不同坯料配方下,可參考本研究結(jié)果確定合適的燒結(jié)溫度與其它工藝參數(shù)。從增大污泥處理量,減少輔料用量和能耗的角度,高污泥摻加量,低溫?zé)Y(jié)顯然是最優(yōu)的組合。在保證產(chǎn)品強(qiáng)度合格的基礎(chǔ)上,污泥的摻加量上限為80%,對應(yīng)的最佳燒結(jié)溫