污泥陶粒的制作及特性研究.doc

赵怡，王祝来( 南京林业大学土木工程学院，江苏 南京210037)要:以城市污水处理厂的脱水污泥作为主要材料， 添加粘土和炉渣烧制陶粒滤料研究了原料配比、 预热温度、 预热时间、摘 焙烧温度、 焙烧时间对陶粒性能即吸水率、 堆积密度、 颗粒密度的影响最终陶粒烧制的最佳配比和工艺条件为: 炉渣 20% ， 污泥 50% ， 粘土 30% ， 水38% ， 预热温度 400 ℃ ， 预热时间 20 min， 焙烧温度 1 000 ℃ ， 焙烧时间 30 min 关键词:污泥; 炉渣; 粘土; 烧结Rsearch on the Manufactureing and the Properties of Sludge HayditeZHAO Yi，WANG Zhu － lai( School of Civil Engineering，Nanjing Foresty University，Jiangsu Nanjing 210037，China)Abstract: The haydite filter material was manufactured by using of sludge from urban sewage treatment plant as themain material，adding clay and slag． The effect of component ratio，preheating temperature，preheating time，calcination temperature，calcination temperature，calcination time on haydite properties such as water － absorptivity，bulk density， partical density were investigated． The result showed that the proper mixture ratio and process conditions for sintering haydite was 20% of slag，50% of sewage，30% of clay，and 38% of water． The suitable reheating temperature was 400 ℃ ，reheating time was 20 min，calcination temperature was 1 000 ℃ ，and calcination time was 30 min． Key words: sludge; slag; clay; sintering随着污水处理设施的普及、 处理率的提高和处理程度的深 化， 污水厂的污泥产生量将有较大的增长， 由此引起的二次污染 问题已不容忽视。

因此如何合理地处理、 处置污泥， 已成为城市 污水厂和相关部门必需引起重视的问题当前污泥的处理技术 主要有填埋、 焚烧、 农田林地利用、 消化制沼气、 制取活性炭等 近几年来， 人们一直在努力尝试新的资源化方法污泥陶粒最早由 Nakouzi S 等提出［1］， 是以污泥为主要原 料， 适当添加炉渣粘土等作为辅料， 经过成球、 焙烧而成， 具有一 定硬度、 吸附能力， 可以作为水处理过程中的滤料炉渣是一种 良好的吸附介质， 对工业废水中的有机物， 重金属离子、 悬浮物( SS) 、 酸性物、 色度有良好的吸附和中和能力， 将炉渣作为制造 陶粒的原材料之一可降低其成本 当前我国的陶粒主要以粘土陶粒为主， 而粘土主要来自耕 地， 不符合可持续发展战略因此以污泥作为陶粒的主要原料 的陶粒消耗了大量污水厂的污泥同时又节约了粘土资源， 降低 了成本， 具有广阔的发展前景本实验主要研究城市污水处理 厂污泥制作陶粒的最佳工艺， 不添加粘结剂， 尽可能降低粘土含 量， 提高污泥比例控制烧制陶粒的温度和保温时间， 得出不同 的吸水率、 堆积密度和颗粒密度， 通过数据分析， 选出最佳工艺 条件。

1实验材料与方法1． 1 实验材料实验使用南京江心洲污水处理厂的脱水污泥作为主要原 料南京江心洲污水处理厂承担着南京秦淮河两岸的污水收集 与处理任务， 处理能力为 64 万 t / 天， 污水主要来源于城市污水 收集系统收集的城市生活污水和少部分工业废水， 该厂的脱水 污泥主要是通过填埋的方式加以处理， 缺乏合理利用实验选 取江心洲污水处理厂的脱水污泥为研究对象， 能够代表该地区 城市污水处理厂的一般情况， 具有充分的代表性 辅助材料有取自于马鞍山钢铁集团能源厂的炉渣， 取自于 南京长江三桥工地的粘土等实验设备电热干燥箱( 型号 202 － 3A) ， 南通沪南科学仪器有限公司 制造; 万能粉碎机( 型号 SF － 130C) ， 吉首市中诚制药机械厂制 造; 小型自动制丸机( 型号 DZ － 60 ) ， 吉首市中诚制药机械厂制 造) ; 箱式电阻炉( 型号12 － 12) ， 上海康路仪器设备有限公司制 造; 电阻炉温度控制器( 型号12 － 12) ， 上海康路仪器设备有限公 司制造; 电子天平( 型号 AR1140 ) ， 奥豪斯公司授权梅特勒 － 托 利多仪器( 上海) 有限公司制造。

1． 2( 5) 高温烧结 将上述经过干燥的污泥颗粒电阻炉中高温烧结烧结工艺 为 400 ℃ 预热20 min→1 000 ℃ 烧结20 min→空气中自然冷却1． 3 实验方法1． 3． 1 工艺技术流程图实验结果与讨论22． 1 预热温度和预热时间的影响预热温度及时间对陶粒吸水率影响显著， 这是因为预热温 度影响着进入焙烧阶段料球的有机质含量， 从而可能影响陶粒 的吸水率本实验分别在预热温度为 300 ℃ ， 400 ℃ ， 500 ℃ ，600 ℃ 和预热时间在 10 min， 20 min， 30 min 的条件下对样本进 行了堆积密度和吸水率的测定， 实验结果见图 3 和图 4图 1 污泥陶粒的制作工艺技术流程1． 3． 2 实验过程( 1) 原材料预处理 将脱水污泥、 粘土、 炉渣在 105 ℃ 条件下干燥 24 h， 用万能 粉碎机将之粉碎成粉末状 2) 原材料配比 根据水处理过程中对滤料性能的要求， 我们以颗粒密度、 堆 积密度、 吸水率、 等三个参数作为指标， 对原材料进行配比实 践证明［2］， 污泥掺加量不宜过高， 太高会影响填料的膨胀和质 量， 太低填料膨胀不好， 内部会出现黑芯， 微孔结构大小不一， 甚 至出现开裂， 影响填料性能。

参考 Riley 相图( Riley［3］ 研究提出 的用三元法表示原料化学成分， 并具体圈定适宜烧结陶粒的原 料的化学成分范围的三角相图， 如图 2 ) ， 根据已有的研究成果， 我们选定 50% 作为预期陶粒的污泥比例， 这样既能显著提高污泥 处理量， 又使坯料的原料成分尽可能符合 Riley 相图的要求［4］ 采用 50% 比例的脱水污泥， 其余 50% 由炉渣和粘土组成图 3 预热温度和时间对堆积密度的影响图 2 Riley 相图 图 4 预热温度和时间对吸水率的影响炉渣具有多孔结构， 孔隙率达 50% ～ 60% ， 比表面积较大， 含有残炭 10% ～ 30% ， 对悬浮物质、 有机物、 重金属等具有物理、 化学吸附作用但是炉渣的吸水率和粘度不及粘土， 故添加粘 土作为辅助原料助于陶粒的制造成粒以及提高陶粒的吸水率 经多次的试验， 确定炉渣含量为 20% ， 粘土土含量为 30% 较为适 宜 3) 造粒 按比例称取原材料， 总计 100 g在容器中用玻璃棒人工搅 拌5 min， 经目测各种配料在混合物中分布均匀， 加入适量水使 得配料粘稠度适合造粒， 经试验确定含水率为 38% 。

将上述调配好的原料放入造粒机配合挤压进行造粒， 制得 直径大小在 3． 8 ～ 4． 2 mm 之间的污泥颗粒， 即陶粒 4) 干燥 将造好的颗粒放入烘箱中， 升温至 105 ℃ 烘干 12 h， 目的是 脱去颗粒中的附着水， 防止煅烧时炸裂或出现裂纹从以上两个图中可以看到， 在预热时间为 20 min 时， 400 ℃ 和 500 ℃ 这之间线段的斜率最小， 可以说明此条件下的陶粒堆 积密度和吸水率变化最小预热温度超过 400 ℃ ， 预热时间超 过20 min 其堆积 密 度 减 小， 会影响到陶粒的强度; 温 度 低 于 400 ℃ ， 时间少于 20 min 其吸水率较低预热温度 400 ℃ ， 预热 时间 20 min 时陶粒的扩孔作用效果是最好的， 陶粒的有机质消 耗情况也是最佳的， 起到了良好的调整污泥颗粒化学组分的作 用因此确定烧制污泥陶粒的最佳预热温度为 400 ℃ ， 预热时 间为 20 min焙烧温度和焙烧时间的影响密度低即污泥陶粒较轻， 可以减小处理构筑物的承重， 吸水 率大即孔隙率达可以增大陶粒的吸附能力， 但是密度低会降低 陶粒的强度所以在保证陶粒的吸水率的同时要考虑到它去强 度。

本实验以暂定的最佳原料配比制生料球于 105 ℃ 下干燥2． 212 h， 然后在 400 ℃ 下预热 20 min， 再分别在 900 ℃ ， 1 000 ℃ ， 1 050 ℃ ， 1 100 ℃ ， 1 200 ℃ 条件下焙烧 30 min， 经过一定时间的 冷却后， 测定污泥陶粒的性质( 即堆积密度、 颗粒密度、 吸水率) 实验结果如图 5 所示， 由于焙烧温度超过 1 200 ℃ 时陶粒融化， 且冷却后与坩埚粘结在一起成块状， 陶粒结构遭破坏， 不在考察 范围内从图6 可以看出， 随焙烧时间的增加， 陶粒的堆积密度、 颗 粒密度变化相对较平稳但呈下降趋势， 陶粒的吸水率不断增大， 但焙烧时间过长， 生成的熔融物过多， 陶粒表面形成的釉质过 厚， 则会降低吸水率［7］所以焙烧时间不能过长， 同时也利于节 约能源由图可以看出， 在焙烧时间为 30 min 时， 陶粒的堆积密 度、 颗粒密度小， 而吸水率大， 性能较好， 所以确定陶粒的最佳焙 烧时间确定为 30 min结论3( 1) 以城市污水处理厂的脱水污泥为主要原料， 炉渣、 粘土 为辅助原料， 在适宜的配比和工艺条件下烧制污泥陶粒， 可作为 水处理过程中的滤料;( 2) 原料的最佳配比: 污泥 50% ， 炉渣 20% ， 粘土 30% ; 最佳 工艺条件: 预热温度 400 ℃ ， 预热时间 20 min， 焙烧温度 1 000 ℃ ， 焙烧时间 30 min;( 3) 目前污泥陶粒技术的应用主要集中在将污泥作为一种 有机物辅助添加剂， 使用量只有 10% 左右。

本实验考察了以城 市污水厂污泥为主要原料烧结制陶粒， 提高了污泥含量降低了 粘土的比例在环保与经济方面减轻日益严峻的污泥处理问 题， 在处理过程中， 大量病原菌被高温杀死， 防止重金属从农产图 5 焙烧温度的影响从图5 中可以看出， 焙烧温度对陶粒吸水率影响显著， 随着 焙烧温度的提高， 陶粒吸水率明显降低这是因为焙烧温度直 接影响着陶粒表面的液相量， 随着液相量增多陶粒表面将会覆 盖一层不透水的釉层， 这将降低降低吸水率［5］要获得较大吸 水率的陶粒， 其焙烧温度不宜过高而陶粒如果密度过大， 在反 冲洗过程中滤料不易悬浮， 从而会增加反冲洗耗能量， 影响反冲 洗效果， 所以其堆积密度和颗粒密度越小越符合要求结合图 5， 可以看出， 在焙烧温度为 1 000 ℃ 时， 由于颗粒间存在部分未逸出 的 CO2 、 水蒸气及有机质燃料所产生的气体形成的气泡， 气泡内的 压力使陶粒膨胀， 膨胀后的颗粒冷却即变为轻质陶粒此时， 物料 。