陈俊江,来晟斌,徐诗渝,王妍,乌乙茗,赵柯伟,史喆宇,李晨旭
金华职业技术学院 浙江省金华市 321017
作者简介:陈俊江,男,汉族,籍贯:浙江金华,生于:1999-04,研究方向:主要从事陶土和污泥资源化利用方向
摘要:城市污泥是污水处理的副产物,其产生量随着污水处理量及处理率的增大而增大。但是,目前污泥处理处置的规模及水平难以与污水处理水平相匹配。污泥处理主要以无害化为主,资源化利用程度不足。对比了城市污泥与陶粒原料的成分,结果表明:由于污泥含有大量的有机物,同时含有硅、铝等无机成分,各成分比例适宜,则可在高温下将其制备成陶粒,但是污泥掺量比较低。制备了陶粒制作中的增效剂,结果表面,增效剂添加后,在保证陶粒性能的基础上,能大大提高了污泥的掺量,试验结果表面,增效剂6%,污泥的掺量可以达到55%-60%,烧结温度11500C, 制备的陶粒满足《 轻集料及其试验方法 第1部分:轻集料》(GBT17431.1-2021)的标准要求。
关键词:污泥掺量;能耗;增效剂;陶粒
1引言
污泥是城市水处理过程中产生的副产物,具有含水率高、强度低的特点,且往往含有病原菌、重金属和有毒有害难降解有机物等有害成分,若未经妥善处理处置, 极易造成二次污染。传统的污泥处置多采用污泥填埋、土地利用、污泥堆肥、污泥焚烧和海洋倾倒等方式, 这些方式均存在一定的弊端, 其中海洋倾倒已被严令禁止,污泥填埋占用大量土地资源, 污泥焚烧尾气处理控制难等。因此, 研究新型的污泥处理处置技术,实现污泥资源化利用受到越来越多的关注。
陶粒具有强度高、密度低、隔声降噪、导热难、 抗收缩性、 表面粗糙多孔、 比表面积大等优点,在建筑材料、 水处理、 吸声材料、 园艺基质等 方面的应用前景广阔。污泥的化学组成与陶粒制备原料相近, 因而研究人员考虑利用脱水污泥替代黏土、页岩等不可再生资源生产陶粒。 相比工业污泥,给水污泥和生活污水污泥的产量大、 成分相对简单,成为国内外污泥资源化制备陶粒的重点研究对象。 陶粒按制备工艺可分为烧胀陶粒、 烧结陶粒和免烧陶粒, 烧胀陶粒密度小, 内部孔隙丰 富, 应用领域广, 因而研究关注较多。
经过多年的研究与实践,现已基本形成了污泥资源化制备轻质陶粒的基础理论体系,并建成了一定数量的污泥陶粒示范生产线。总体来看,污泥资源化制备陶粒仍有许多问题有待研究:在基础理论层面,如基于提高污泥掺量的污泥预处理技术、污泥及辅料中各组分配比对陶粒性能的影响机制、基于不同功能需求的陶粒焙烧工艺、助熔剂与陶粒膨 胀之间的关联、污泥重金属固化机理等有待深入研究。
本文研发了一种污泥陶粒制备的增效剂,通过加入在制备污泥陶粒过程中加入增效剂,使污泥陶粒过程中,污泥掺量、能耗,及污泥的性能都能显著提高。
2 实验材料及实验装置
2.1材料
研制用以提高污泥掺量和陶粒性能的污泥陶粒外加剂,主要以石灰石粉、赤泥粉、矿渣粉、重油、工业盐等废弃物为生产原料,根据 Riley 研究理论,结合污泥具体成分和陶粒土料要求,通过实验研制而成的污泥陶粒增效剂。生活污泥的化学成分如表1
表1 生活污泥的化学成分
化学成分 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | 烧失量 |
实测含量(%) | 42.36 | 19.26 | 10.26 | 7.70 | 6.60 | 1.05 | 0.80 | 41.6 |
2.2实验装置
主要实验设备为辊式破碎机或颚式破碎机,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一130C),吉首市中诚制药机械厂制造;小型自动制丸机(型号 DZ一60),吉首市中诚制药机械厂制造);箱式电阻炉(型号l2一l2),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一托利多仪器(上海)有限公司制造。
2.3正交试验方案
影响陶粒基本性能的因素众多,选取适当数目的主要影响控制因素,采用正交设计来安排试验,利用规格化的正交表,对选定的因素合理安排试验。试验以污泥比例、增效剂添加量作为四个影响因素。试验根据要求做了9个样品进行正交试验,具体如下表2
表2正交实验配方表
编号配方 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
污泥占比 | 20% | 35% | 45% | 55% | 55% | 55% | 45% | 35% | 20% |
增效剂 | 3% | 3% | 3% | 3% | 10% | 5% | 5% | 5% | 5% |
结果与讨论
1.外加剂的配比
为了对污泥资源化处置,能够生产高掺量和高性能的陶粒,探寻一种专用特效的污泥陶粒增效剂,使得污泥·X%+黏土·Y%+增效剂·Z%的化学组成成分,满足生产烧胀陶粒的合适范围SiO2=48%~70%,Al2O3=8%~25%,Fe2O3、RO、R2O等熔剂之和=4.5%~31%,且(SiO2+Al2O3)/m(Fe2O3+RO+R2O)=3.5%~10%。从而确定出需要的增效剂来校正的化学组成成分,采用石灰石粉、赤泥粉、矿渣粉、重油、工业盐等废弃物作为增效剂的生产原料,进行试算和试配制成石灰石粉×a%+赤泥粉×b%+矿渣粉×c%+重油×d%+工业盐×e%→增效剂。
2.性能表征
主要性能有堆积密度、筒压强度、吸水率、孔隙率、空隙率、软化系数、抗冻性、坚固性、安定性和粒形系数等,其中堆积密度(表3 )、吸水率(表4)、筒压强度(表5)是陶粒的重要指标。由于陶粒堆积密度较小,内部多孔,形态、成分较均一,且具有一定的强度和坚固性,因而具有质轻、抗震和良好的隔绝性(保温、隔热、隔音、隔潮)等特点,被广泛应用于建筑、治金、化工、石油、农业等部门,主要有以下的用途。建材:保温轻集料混凝土、结构保温轻骨料混凝土、结构轻集料混凝土。耐火保温隔热材料,耐火性能满足建筑物防火及消防的要求,用陶粒制作的耐火砖或砌块等用于加热炉衬里、隧道窖的窖车、屋顶和外墻的保温板,也可以直接用作填料充填在空心墙或窖的衬层中隔热保温。
表3 污泥陶粒堆积密度试验结果
配方 编号 | 堆积密度(kg/m³) | |||||||||
1150℃ | 1170℃ | 1200℃ | ||||||||
10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | ||
1 | 507 | 507 | 502 | 453 | 445 | 438 | 451 | 443 | 431 | |
2 | 510 | 509 | 504 | 461 | 452 | 447 | 462 | 451 | 442 | |
3 | 528 | 521 | 518 | 503 | 487 | 476 | 498 | 486 | 烧熔 | |
4 | 507 | 478 | 475 | 445 | 436 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | |
5 | 483 | 473 | 469 | 424 | 425 | 烧熔 | 422 | 烧熔 | 烧熔 | |
6 | 498 | 471 | 464 | 422 | 419 | 419 | 419 | 418 | 烧熔 | |
7 | 495 | 462 | 烧熔 | 427 | 428 | 烧熔 | 427 | 烧熔 | 烧熔 | |
8 | 520 | 508 | 485 | 466 | 449 | 440 | 449 | 441 | 烧熔 | |
9 | 501 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | |
表4 污泥陶粒吸水率试验结果
配方 编号 | 吸水率(%) | |||||||||
1150℃ | 1170℃ | 1200℃ | ||||||||
10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | ||
1 | 13.7 | 13.8 | 15.2 | 14.5 | 14.8 | 16.8 | 14.7 | 14.9 | 17.3 | |
2 | 14.0 | 14.1 | 16.3 | 15.3 | 15.2 | 17.0 | 15.3 | 15.4 | 17.8 | |
3 | 15.4 | 17.6 | 19.2 | 16.8 | 19.2 | 20.8 | 17.8 | 20.3 | 烧熔 | |
4 | 15.3 | 16.9 | 18.1 | 15.9 | 16.1 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | |
5 | 13.7 | 14.9 | 16.4 | 13.9 | 14.4 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | |
6 | 13.3 | 13.8 | 14.8 | 12.8 | 12.7 | 13.9 | 14.1 | 14.9 | 烧熔 | |
7 | 13.4 | 13.5 | 烧熔 | 13.6 | 13.8 | 烧熔 | 14.9 | 烧熔 | 烧熔 | |
8 | 13.6 | 13.9 | 15.2 | 14.1 | 14.7 | 15.6 | 16.5 | 16.9 | 烧熔 | |
9 | 15.9 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | |
表5 污泥陶粒筒压强度试验结果
配方 编号 | 筒压强度(MPa) | ||||||||
1150℃ | 1170℃ | 1200℃ | |||||||
10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | 10min | 15min | 20min | |
1 | 3.7 | 2.6 | 2.5 | 2.6 | 2.5 | 2.4 | 2.5 | 2.3 | 烧熔 |
2 | 2.9 | 2.7 | 2.6 | 2.7 | 2.7 | 2.3 | 2.7 | 2.5 | 2.3 |
3 | 3.2 | 3.0 | 3.0 | 2.8 | 2.9 | 2.5 | 2.9 | 2.7 | 烧熔 |
4 | 2.9 | 2.6 | 2.5 | 1.9 | 1.9 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 |
5 | 2.9 | 2.5 | 2.3 | 2.5 | 2.4 | 烧熔 | 2.5 | 烧熔 | 烧熔 |
6 | 2.7 | 2.4 | 2.4 | 2.3 | 2.1 | 2.1 | 2.2 | 2.1 | 烧熔 |
7 | 2.8 | 2.5 | 烧熔 | 2.2 | 2.2 | 烧熔 | 2.2 | 烧熔 | 烧熔 |
8 | 2.7 | 2.4 | 2.2 | 2.4 | 2.3 | 2.3 | 2.3 | 2.2 | 烧熔 |
9 | 2.9 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 | 烧熔 |
3.结论
污泥作为市政污水与工业污水处理的固废,制备污泥陶粒是污泥处置利用的重要方式。污陶粒的制备须结合应用途径和性能要求确定陶粒类别,选择原料配方、合理控制污泥掺量,精选适宜的预热制度和烧制工艺,实现污泥的高效资源化利用,拓展污泥陶粒的应用领域和使用范围,促进节能减排,建设山青水美的绿色家园。
本文以曹宅污水处理污泥为主要原料,掺以粉煤灰、黏土及玻璃粉为辅料,以自制增效剂为外加剂,制备陶粒。试验结果表面,增效剂6%,污泥的掺量可以达到55%-60%,烧结温度11500C, 制备的陶粒满足《 轻集料及其试验方法 第1部分:轻集料》(GBT17431.1-2021)的标准要求。
参考文献
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