城市污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚試驗研究報告

1、-. z.城市污泥生產(chǎn)燒結(jié)磚試驗研究馬憲軍 (*礦機(jī)邁科建材機(jī)械* *濰坊 262400)廖劍軍(*綠由環(huán)?？萍脊煞? * 511540)摘要：由于印染污泥、市政污泥、河涌污泥等均含有一定熱值，即是制磚原料，也是燃料，經(jīng) 泥水一體化脫水工藝將水分脫至55%左右，按比例參加頁巖、爐渣等，充分練泥混合、采用高擠出壓力、高真空度和低成型含水率的雙級真空擠出硬塑擠出機(jī)制出磚坯，烘干處理、燒制后制成市政用磚。關(guān)鍵詞：污水處理；城市污泥；燒結(jié)磚；資源化；泥水一體化；建筑節(jié)能中圖：* 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：* 文章編號：*E*periment and Research of Fired Brick Made byUr

2、ban SludgeMA *ian-jun LIAO Jian-junAbstract:Sludge produced out ofprinting, dyeing, urbanaffairs, rivers, etc. contain a certain thermal value.Itis notbrick-making raw materials only, but also fuel.If dehydrated off to about 55%by integration of sludge-swage, after, by adding in proportion of shale,

3、 slag, etc., fully pugged, mi*ed, and e*trudedwith high e*trusion pressure, high vacuum and low molding moisture content by double-stage vacuum e*truder,green bricksare made.After drying and firing, these bricks can beused for urban construction.Key words:Sewage treatment; urbansludge; fired brick;

4、resource reuse;integration of sludge-swage；energy saving in buildings-. z.前言-. z.城市污泥是城市污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢物，一般城市污水處理廠產(chǎn)泥量占污水量的0.3%0.5%體積百分比，含水率按97%計，如進(jìn)展深度處理，污泥量還可能增加0.51倍；污泥處置是污水得以最終妥善處理的保障，污泥的資源化是環(huán)境友好型循環(huán)經(jīng)濟(jì)開展的需要。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速開展，人民生活水平的迅速提高，城市化進(jìn)程的不斷加快，政府對各行業(yè)廢水處理的重視程度越來越高，對廢水的排放要求日趨嚴(yán)格，城市污水處理設(shè)施的規(guī)模迅速擴(kuò)大，處理效率不斷提高，城

5、市污水處理量和城市污泥排放量急劇增加。目前全國已建成并正常運轉(zhuǎn)的城市污水處理廠400多家，年處理城市污水110多億m3，年產(chǎn)生污泥上億噸，并以每年810%的速度遞增。城市污泥的大量產(chǎn)生和消納正在成為一個新的社會問題和環(huán)境問題，城市污泥的資源化處置已成為我國乃至全世界環(huán)保界關(guān)注的課題之一。我國現(xiàn)行的城市污泥處理處置方式主要是燃燒、衛(wèi)生填埋和堆肥農(nóng)用。燃燒過程處理不當(dāng)會造成環(huán)境的二次污染，比方燃燒污泥釋放二惡英，以及重金屬在爐灰中的富集化，而且燃燒能耗太高。填埋會造成嚴(yán)重的空氣、水環(huán)境的污染，而且消耗大量的土地資源，同時浪費了珍貴的有機(jī)資源，影響了堆填區(qū)周邊的環(huán)境。堆肥農(nóng)用較上兩種方法在資源利用上

6、前進(jìn)了一大步，但堆肥農(nóng)用過程需時長，占地面積大，產(chǎn)品單一，大多數(shù)堆肥缺乏足夠的植物養(yǎng)分；堆肥的方式不能對不可降解的非有機(jī)物質(zhì)進(jìn)展有效的別離處理，如金屬、沙石、玻璃和塑料等雜質(zhì)會進(jìn)入最終產(chǎn)品，影響堆肥品質(zhì)；堆肥工藝要求城市污泥的含水率在50-60%，但大多數(shù)污水處理廠產(chǎn)生的城市污泥含水量偏高，需添加填充物；且堆肥在工藝控制上也較難實現(xiàn)，有些產(chǎn)品會釋放異味，并含有大量雜質(zhì)，長期使用這些品質(zhì)低的堆肥會造成耕地污染。本試驗從資源再生利用的角度考慮，取不同地區(qū)的市政污泥、印染廠污泥、陶瓷廠污泥、河涌污泥、爐渣等原材料進(jìn)展了污泥燒結(jié)磚工程的實驗研究工作。由于原材料的產(chǎn)地和種類較多見表1，為了保證試驗的順利

7、進(jìn)展，制定試驗室小試和現(xiàn)場中試方案，并按方案完成了各項試驗工作，取得了相關(guān)試驗結(jié)果，為以后污泥燒結(jié)磚的工業(yè)化生產(chǎn)提供了必要的技術(shù)依據(jù)。表1 試驗所用原材料清單序號1山泥河涌污泥河涌污泥2陶泥市政污泥市政污泥3市政污泥印染污泥印染污泥4印染污泥爐渣爐渣5爐渣試驗室小試原材料分析依據(jù)國家城鎮(zhèn)建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)C/JT289-2008城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 制磚用泥質(zhì)的相關(guān)要求，對各類污泥進(jìn)展了試驗分析，結(jié)果說明這些原材料根本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于燒制污泥磚，分析結(jié)果分別見表2、表3、表4。-. z.表2 *山泥的粒徑分布粒徑um170027018010996807558百分比%2.26.217.5141

8、2.610.5730平均粒徑um144表3 各類污泥分析結(jié)果分析工程*市政*印染*市政*印染*市政*印染PH7.497.668.247.347.857.62含水率%50.651.252.649.145.353.6燒失量%48.847.948.647.448.249.4放射性IRa0.20IRa0.01IRa0.12IRa0.05IRa0.18IRa0.05放射性Ir0.2Ir0.01Ir0.16Ir0.03Ir0.20Ir0.03總鎘mg/kg2.60.430.462.72.60.46總汞mg/kg1.40.390.201.61.70.28總鉛mg/kg64.0202052.454.620總鉻

9、mg/kg66.467327.3198053.7862總砷mg/kg26.2202042.231.520總鎳mg/kg38.782.422.628.229.126.4總鋅mg/kg64922844.1389418126總銅mg/kg23321921.781.217544.6揮發(fā)酚mg/kg1.22.30.201.141.21.6總氰化物mg/kg111111糞大腸菌mg/kg0.0000040.0040.040.0000040.040.000004熱值kcal252239482130132028563148表4 其它原材料分析結(jié)果分析工程*河涌*爐渣*山泥*陶泥*爐渣*河涌*爐渣PH7.2/7

10、.1/含水率%37.227.8/39.9/燒失量%9.8835.568.944.6114.76/36.2放射性IRa0.11IRa0.17/IRa0.12IRa0.17放射性Ir0.76Ir0.21/Ir0.74Ir0.22SiO265.41/60.0566.59/64.36/Fe2O32.97/6.400.92/2.85/Al(OH3)16.79/18.4516.65/16.04/CaO0.64/0.241.45/0.67/MgO0.58/0.403.45/0.67/硫酐(SO3)0.15/0.080.08/0.21/K2O1.12/0.461.17/1.21/Na2O0.31/0.10/1

11、.67/0.38/熱值kcal2242312/778.6/2850-. z.小試，以*地區(qū)為例，分別進(jìn)展小試和中試。根據(jù)上述原料的分析結(jié)果，經(jīng)分析認(rèn)為：污泥含水率超過標(biāo)準(zhǔn)40%的要求，需要經(jīng)過脫水、烘晾干處理，方可滿足制磚要求。污泥的燒失量超過標(biāo)準(zhǔn)50%干污泥的要求，為保證制磚性能，需控制污泥摻入量。爐渣需破碎至要求粒度方能直接使用。為探尋最正確配料方案，將印染污泥、市政污泥分別按0%、10%、20%、30%、40%、50%六種比例在同等條件下用同一種方法進(jìn)展試驗。具體配比詳見表5.表5 污泥試驗配比試驗編號河泥市政/印染污泥爐渣塑性指數(shù)1950512286104113772031146830

12、21055940186505007795051288610412977203111068302101159401812505008成型制備原材料經(jīng)烘干、破碎、篩分后按比例混合均勻，加水?dāng)嚢瑁士刂圃诟苫?618%，混合后的原料經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬螅惢?2小試制得污泥制磚原料。成型采用壓磚機(jī)壓制成型，磚型設(shè)定為實心磚，成型過程中根據(jù)成型情況調(diào)整水分，成型壓力為0.3MPa，磚坯經(jīng)過枯燥后，進(jìn)入高溫爐，燒成溫度為1000。小試試驗結(jié)果及分析污泥磚性能測試結(jié)果見表6。表6 污泥磚性能檢驗結(jié)果序號密度kg/m3抗壓強(qiáng)度MPa導(dǎo)熱系數(shù)W/(MK)1184513.950.3362171210.840.31

13、5315047.130.218413484.620.185511823.220.146610431.850.1257186614.320.3248168210.630.308914867.850.2231013655.110.1921111703.620.1651210611.740.121污泥磚抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析抗壓強(qiáng)度是衡量污泥燒結(jié)磚性能的重要指標(biāo)，污泥的摻入量對抗壓強(qiáng)度影響很大，從圖1抗壓強(qiáng)度與污泥摻量的關(guān)系可見，隨著污泥摻入量的增大，由于污泥的燒失量很大50%左右，所以抗壓強(qiáng)度明顯降低。污泥摻入量在15%以下時，污泥燒結(jié)磚的強(qiáng)度可以超過10MPa，污泥摻入量在30%時，抗壓強(qiáng)度能夠到

14、達(dá)5MPa。圖1 抗壓強(qiáng)度與污泥摻量的關(guān)系污泥摻量不超過15%時，坯料到達(dá)塑性成型要求，含水率較低，有利于提高擠壓成型坯體密實度，枯燥和燒結(jié)過程中不易變形收縮產(chǎn)生裂紋缺陷，燒結(jié)后質(zhì)量較好。當(dāng)污泥摻量增加時，污泥瘦化作用明顯增強(qiáng)，為使坯料正常成型必須參加更多水分以提高成型能力，此時成型的磚坯含水率高，密實度相對要低，枯燥和焙燒過程中收縮明顯，易于產(chǎn)生裂紋和其他缺陷，降低了坯體抗壓性能。當(dāng)污泥含量超過30%，坯料塑性降低更為明顯，不適于擠出成型，且燒失量大，磚體強(qiáng)度低。污泥燒結(jié)磚的密度磚的密度對建筑的設(shè)計和施工都有一定的影響，密度小的磚能減輕建筑物的承重，且有利于建筑施工。污泥燒結(jié)磚的密度與污泥摻

15、量關(guān)系見圖2。由圖可見，由于污泥的有機(jī)質(zhì)含量高，燒失量大，所以隨著污泥摻量增加，污泥燒結(jié)磚的密度下降。由于燒結(jié)普通磚標(biāo)準(zhǔn)未對磚的密度做限制規(guī)定，當(dāng)污泥燒結(jié)磚摻入污泥量增多時，磚的密度變小，利于施工，但污泥摻量提高時其他物理學(xué)性能會受到影響。因此，在燒結(jié)磚的標(biāo)準(zhǔn)中，密度一般不作為質(zhì)量控制指標(biāo)，但是從新型墻體材料的角度，磚的密度還對墻體的熱工性能有一定的影響，所以控制和掌握污泥燒結(jié)磚的密度，對污泥燒結(jié)磚的生產(chǎn)和推廣都有著積極的意義。圖2 密度與污泥摻量的關(guān)系污泥燒結(jié)磚的保溫隔熱性能我國的燒結(jié)磚產(chǎn)量居世界第一位，燒結(jié)磚是主要的建筑墻體圍護(hù)材料。但隨著建筑材料工業(yè)的開展，城市建立中使用新型建筑材料的比

16、例逐年上升，普通燒結(jié)磚由于保溫隔熱性能不及一些新型建筑墻體材料且耗用大量土地資源，使燒結(jié)磚的應(yīng)用和開展受到限制。以污泥為摻料的污泥燒結(jié)磚可以克制普通燒結(jié)磚在保溫隔熱性能和耗用土地資源兩方面的缺點，具有建筑節(jié)能、節(jié)土利廢的優(yōu)點。研究磚的隔熱保溫性能，有利于污泥燒結(jié)磚的推廣使用，促進(jìn)城市污泥處理處置技術(shù)的開展。由于污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)，在燒結(jié)過程中，有機(jī)質(zhì)完全燃燒后會在磚坯中留下很多微孔，磚體密度較低，因此具有較好的保溫隔熱性能，符合節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。污泥摻量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖3，從圖上可以看出，污泥磚的導(dǎo)熱系數(shù)隨著污泥摻量的增加而下降。圖3 導(dǎo)熱系數(shù)與污泥摻量的關(guān)系小試總結(jié)污泥的摻量對磚的

17、密度、抗壓強(qiáng)度、和導(dǎo)熱系數(shù)有顯著的影響。污泥燒結(jié)磚的密度隨污泥摻量增加而下降。在不考慮磚體強(qiáng)度影響的情況下，污泥燒結(jié)磚的密度越小，越有利于運輸和建筑施工。污泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度隨著污泥的摻量升高而顯著下降。污泥摻入量在15%以下時，污泥燒結(jié)磚的強(qiáng)度可以到達(dá)10MPa以上，符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB5101-2003)燒結(jié)普通磚中MU10強(qiáng)度等級要求。污泥摻入量為30%時，抗壓強(qiáng)度能夠到達(dá)5MPa以上，滿足國家關(guān)于新型墻材MU5強(qiáng)度等級要求。污泥燒結(jié)磚隨污泥摻入量增加，磚體內(nèi)氣孔數(shù)量增加，導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降，保溫隔熱性能顯著提高。污泥摻量20%左右的污泥燒結(jié)磚熱導(dǎo)率在0.2W/(mK)左右，優(yōu)于導(dǎo)熱系數(shù)約為

18、0.4 W/(mK)的普通燒結(jié)磚，污泥摻量30%污泥燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)低達(dá)0.18W/(mK)左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫隔熱性能，可作為非承重砌體保溫隔熱材料使用。綜合分析污泥摻量對污泥燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和抗壓強(qiáng)度的影響以及盡可能多的利用污泥的角度考慮，燒結(jié)溫度在1000左右，污泥摻量為30%的污泥燒結(jié)磚可獲得良好的物理學(xué)性能和熱工性能，能滿足建筑節(jié)能對磚體材料的要求，有廣泛的市場空間和開展?jié)摿Α，F(xiàn)場中試根據(jù)小試結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實際條件，制定中試配比和方案?，F(xiàn)場設(shè)備臺秤、破碎機(jī)、混合攪拌機(jī)、雙級真空擠出機(jī)試驗用原材料情況見表7表7 各類備料產(chǎn)地市政污泥河涌污泥爐渣2 t5 t1 t原材料在自然晾干后

19、，經(jīng)過破碎篩分，在經(jīng)過攪拌機(jī)初步攪拌混合后備用。中試配比方案見表8表8 中試配比編號原材料配比SD1河涌污泥爐渣市政污泥60:10:30SD2河涌污泥爐渣市政污泥70:15:15污泥燒結(jié)磚的中試生產(chǎn)由于污泥原料的種類較多，且性質(zhì)差異較大，因此均化是生產(chǎn)工藝中的重要一環(huán)，考慮到中試現(xiàn)場設(shè)備的實際情況，為在現(xiàn)有條件下盡可能的做好原材料的均化，將備好的混合料放入擠出機(jī)中經(jīng)過一次攪拌擠出后再進(jìn)展陳化；原料陳化三天后進(jìn)入擠出機(jī)進(jìn)展生產(chǎn)?，F(xiàn)場使用的雙級真空擠出機(jī)對原材料的要求較高，為滿足擠出條件，必須增大原料的含水率，但過高的含水率易導(dǎo)致磚坯產(chǎn)生變形，同時造成磚坯的強(qiáng)度下降。現(xiàn)場試驗共制作了2種配比的污泥

20、燒結(jié)磚坯，共380塊，其中市政污泥摻量為15%的有190塊，30%摻量的有190塊。燒結(jié)完成后，成品267塊，成品合格率為70.3%；其中市政污泥摻量為15%的污泥燒結(jié)磚成品有182塊，成品合格率為95.8%，市政污泥摻量為30%的污泥燒結(jié)磚成品有85塊，成品合格率僅為44.7%。廢品主要表現(xiàn)為變形較大、過燒、燒結(jié)粘連無法分開等。造成成品率較低的狀況主要有四方面的原因：坯料的均化尚不完全，在燒結(jié)過程中局部收縮不同，造成燒結(jié)磚的變形開裂；由于軟塑成型，坯料含水率較高，超過30%，造成碼坯時磚坯產(chǎn)生變形；磚坯枯燥不完全，入窯時含水率過高，也是造成枯燥變形開裂的主要原因；由于對現(xiàn)場窯爐的熱工指標(biāo)缺少

21、必要的信息，中試過程也僅僅是憑借普通粘土磚的生產(chǎn)經(jīng)歷操作，同時對所需內(nèi)燃值估算過高，導(dǎo)致爐渣摻入量過高，造成過燒。上述四點原因，都可以在日后的生產(chǎn)過程中通過增加均化設(shè)備、延長陳化時間、延長磚坯的枯燥時間、調(diào)整爐渣參加量等方法加以解決；總體上驗證了污泥燒結(jié)磚的生產(chǎn)可行性，掌握了生產(chǎn)工藝流程，根本到達(dá)中試目的。中試污泥燒結(jié)磚檢測結(jié)果及分析見表9表9 中試污泥燒結(jié)磚檢測結(jié)果編號強(qiáng)度MPa抗風(fēng)化%泛霜干縮%密度kg/m3SD13.731.2無9.851441SD210.523.5無7.131682抗壓強(qiáng)度在3.710.5MPa*圍，比小試的結(jié)果稍低，這主要是因為實際中試過程中的含水率和爐渣摻入量較高，

22、另外坯料的均勻性相對較差，但是市政污泥摻量為30%的污泥燒結(jié)磚成品的抗壓強(qiáng)度仍然能符合國家關(guān)于新型墻材相關(guān)規(guī)*MU3.5強(qiáng)度級別的要求；市政污泥摻量為15%的污泥燒結(jié)磚成品的抗壓強(qiáng)度能夠到達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)GB5101-2003 MU10強(qiáng)度級別的要求。抗風(fēng)化性能檢驗結(jié)果相對于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚的要求偏高，但燒結(jié)普通磚標(biāo)準(zhǔn)注明，其他材料如粉煤灰摻入量超過30%不做要求，而中試配比中，污泥加上爐渣的總摻入量超過40%。吸水率偏高主要是因為污泥燃燒后，在磚體中留下很多微孔，致使吸水量偏大。由于坯料含水率較高與污泥燒失量大，因此磚坯從濕坯到燒結(jié)完成，整個過程的收縮率在10%左右，與小試結(jié)果根本一致。含水

23、率過高引起的干縮可以通過合理調(diào)整含水率的手段加以控制，而污泥燒失量引起的收縮則無法防止，所以在日后的生產(chǎn)中，定制磚坯尺寸時應(yīng)將此類尺寸收縮考慮在內(nèi)。密度的測試結(jié)果與小試根本一致。毒性浸出試驗為檢驗污泥燒結(jié)磚的環(huán)保性能，根據(jù)GB5085.3-2007危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別，對污泥燒結(jié)磚產(chǎn)品進(jìn)展了毒性浸出試驗，其結(jié)果如表10所示。表10 污泥燒結(jié)磚產(chǎn)品毒性浸出試驗結(jié)果序號檢驗工程浸出液中危害成分濃度限值mg/L檢測結(jié)果mg/L1總汞0.1未檢出2總銅10010.13總鋅10040.34總鉛52.535總鎘10.9156總鉻1511.77總砷5未檢出中試總結(jié)由于配比擬多及現(xiàn)場條件的限制，在中

24、試的局部工藝條件沒有滿足要求的情況下，市政污泥摻量為30%的污泥燒結(jié)磚的成品率較低，只有44.7，但是市政污泥摻量為15%的污泥燒結(jié)磚的成品合格率到達(dá)95.8%。在增加原料均化工藝程序、采用半硬塑擠出成型或硬塑擠出成型工藝設(shè)備、準(zhǔn)確掌握窯爐熱工指標(biāo)的條件下，有望提高污泥燒結(jié)磚的成品率。通過對挑選的成品污泥燒結(jié)磚進(jìn)展相關(guān)性能測試，其結(jié)果根本到達(dá)中試設(shè)想，說明實現(xiàn)摻入量15%的污泥制磚工業(yè)化生產(chǎn)是完全可行的。污泥燒結(jié)磚試驗總結(jié)通過試驗室的小試，總結(jié)出污泥摻入量對污泥燒結(jié)磚各項性能的影響；通過綜合考慮對試驗結(jié)果的分析，確定中試污泥摻入量為15%、30%兩種配比。在污泥摻入量15%的情況下，污泥燒結(jié)磚

25、可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚GB5101-2003墻體承重磚的質(zhì)量要求。根據(jù)小試的結(jié)果，制定中試試驗配比方案，并依據(jù)方案安排現(xiàn)場中試。中試污泥燒結(jié)磚成品的檢驗結(jié)果到達(dá)預(yù)定目標(biāo)，對指導(dǎo)污泥燒結(jié)磚的正式生產(chǎn)具有積極的指導(dǎo)意義。建議生產(chǎn)中采用隧道窯工藝；隧道窯與間歇式的舊式倒焰窯相比擬具有一系列的優(yōu)點：生產(chǎn)連續(xù)化，周期短，產(chǎn)量達(dá)，質(zhì)量高；利用逆流工作原理，因此熱利用率高，燃料經(jīng)濟(jì)，因為熱量的保持和余熱的利用都很合理，所以燃料很節(jié)省，較倒焰窯可以節(jié)省燃料50-60%左右；燒成時間短，比擬普通大窯由裝窯到出窯需要3-5天，而隧道窯約需20小時左右就可完成；提高質(zhì)量，預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶三局部的溫度保持在一定的*圍，容易掌握其燒成規(guī)律，因此質(zhì)量也較好，破損率也少。隧道窯工作系統(tǒng)能保證窯內(nèi)溫度和熱負(fù)荷的穩(wěn)定，有助于完全燃燒，減少有害氣體的產(chǎn)生。而隧道窯的構(gòu)造也使得尾氣的集中回收處理變得簡易，所有尾氣都可以經(jīng)過處理后排放，確保到達(dá)環(huán)保要求。根據(jù)國際上的通用理論，大氣環(huán)境中的二惡英90%來源于城市和工業(yè)垃圾燃燒，含鉛汽油、煤、防腐處理過的木材以及石油產(chǎn)品、各種廢棄物特別是醫(yī)療廢棄物在燃燒