底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究

发布时间：2016-07-09 02:06

  本文关键词：污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

第12卷第4期安全与环境学报Vol.12　No.4

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2012年8月JournalofSafetyandEnvironmentAug.,2012

文章编号:1009-6094(2012)04-0021-06

究主要是在实验室平台上开展的,对于扩大规模生产中相关

-18]

的工艺参数探讨明显不足[17,不利于此技术的推广应用。本文将污泥与当地河道清淤过程中产生的底泥按一定比例混

污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究＊

徐振华,刘建国,宋敏英,张志飞

(清华大学环境学院,北京100084)

摘　要:研究了污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的配方、预热温度、物料含水率对陶粒比表面积、抗压强度、吸水率和表观密度的影响,同时对影响陶粒烧结的主要工艺进行正交试验研究。结果表明,原料配方对陶粒主要性能影响无明显规律;充分预热有利于提高陶粒强度,而不充分预热可以提高陶粒孔隙,降低陶粒密度;坯料含水率的提高会导致陶粒结构松散,降低陶粒抗压强度,增加吸水率。另外,烧结温度对于制备滤料和骨料都是最重要的影响因素。对于制备滤料,污泥添加量对陶粒比表面积的影响不确定,需要根据实际情况确定,而提高升温速率有利于提高陶粒比表面积;对于制备骨料,坯料中污泥质量分数宜在30%～35%。

关键词:环境工程学;污泥;陶粒;烧结;比表面积;抗压强度中图分类号:X705　　　文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-6094.2012.04.006

合,并适当添加粉煤灰作为调节剂制备陶粒滤料和骨料。陶

粒滤料采用比表面积和密度作为主要表征指标,陶粒骨料采用抗压强度、吸水率和密度作为主要表征指标,分析制备不同陶粒的配方、预热温度、物料含水率以及主要工艺条件对烧制陶粒的影响。

1　试　验

1.1　试验原料

所用污泥来自苏州直镇某污水处理厂脱水污

泥,其含水率约为80%,干基高位热值约10MJ/kg,挥发性固体质量比(VS)约38%。底泥取自直当地河道清淤所产生的

底泥。粉煤灰取自直镇某热电厂。所取样品矿物成分采用X射线荧光光谱仪(岛津XRF-1700)进行分析,主要成分以氧化物形式列于表1。

1.2　烧结试验程序

试验分4部分,分别对配方、预热温度、物料含水率和烧结热工制度进行研究。

将脱水污泥、底泥和粉煤灰放入105℃烘箱中烘干后,分别放入粉碎机粉碎至48～75μm,并按一定配比(污泥∶底泥∶粉煤灰)将物料混合均匀,各原料配比时均以干重计。混合均匀后的物料经粉末压片机成型,成型压力为8.0MPa,得到直径2cm,高约1.5cm的圆柱形坯体。然后将该坯料放入管式电阻炉中烧结。电阻炉由PID程序控制升温,升温速率为9℃/min。按照一定的烧结程序对坯料进行烧结,待烧结体自然冷却后将其从炉膛取出。1.2.1　原料配方对陶粒性能影响试验

作为一个典型的混料问题,配方试验研究采用三分量-四阶的单纯型-格子布点混料试验设计。污泥、底泥和粉煤灰的干基质量分数分别满足30%～50%、40%～60%、10%～30%。配方设计见图1,A、B、C的物料质量分数(污泥,底泥,粉煤灰)分别为(30%,60%,10%)、(50%,40%,10%)、(30%,40%,30%)。三角形ABC内各试验点的物料配比见表2。烧结程序为:预热温度350℃,预热时间20min;高温烧结温度1100℃,烧结时间10min。1.2.2　预热温度对陶粒性能影响试验

文献[13,19-21]研究表明,污泥中绝大部分有机物会在300～350℃充分分解。而陶粒的膨胀性能在很大程度上与坯

%

K2O0.903.201.32

P2O514.490.420.59

灼减率38.27.14.4

0　引　言

城镇中小型污水处理厂由于规模效益等原因一般同时接

纳生活污水和工业污水,所产生的污泥具有有机物浓度较低,重金属浓度较高的特点,采用建材化处理技术处理此类污泥是目前较为可行的资源化利用的办法之一[1-3]。Tsai等[4]对SiO2-Al2O3-助熔剂比例对污泥焚烧灰制备陶粒的膨胀性能的影响进行了研究。Cheeseman等[5]研究了污泥焚烧灰制备陶粒的性能、微观结构和重金属浸出特性。金宜英等[3,6-7]对城市污水处理厂污泥烧结制陶粒的可行性和工艺进行了研究。Xu等利用给水厂和污水处理厂脱水污泥联合烧结制备陶粒,并研究了(Fe2O3+CaO+MgO)浓度以及(Fe2O3+CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)对陶粒特性的影响。国外污泥建材化利用主要是用污泥焚烧灰烧结陶粒轻集料

[10-11]

[8-9]

,或将5%～

15%的完全干化后的污泥作为添加剂与黏土等矿物一起烧制

-13]

陶粒[1,12;国内污泥烧制陶粒研究添加的主要是生活污泥,工业污泥烧制陶粒技术少有报道,而且添加量一般不超过30%[2,14-15],高强陶粒污泥添加量则要求在5%以下[16]。

目前国内外污泥烧结陶粒的研究主要集中在轻骨料上,烧制用于水环境治理的陶粒滤料等方面的研究很少,而且研

表1　试验所用原料(干基)元素组成表

Table1　Elementalcompositionofrawmaterials(drybasis)

样品污泥底泥粉煤灰

SiO221.0465.5748.94

Al2O318.6317.4529.54

Fe2O33.646.485.00

CaO22.311.565.80

MgO3.421.920.75

Na2O2.520.810.51

＊收稿日期:2012-01-13

作者简介:徐振华,硕士研究生,从事污泥资源化方面研究;刘建国(通信作者),副研究员,从事生活垃圾可持续填埋技术和固化废物建材化技

术研究,jgliu@tsinghua.edu.cn。

基金项目:国家水体污染控制重大科技专项(2008ZX07313-006)

　Vol.12　No.4　　　　　　　　　　　　　　安全与环境学报　　　　　　　　　　　　　　第12卷第4期料中碳的质量分数有关[22-23],降低预热温度会使更多的碳进入产气反应发生阶段,有利于陶粒的膨胀。因此,预热温度选取200～350℃,温度间隔25℃,选取原料配比为5∶4∶1,预热时间为20min,烧结时间为15min,烧结温度为1075℃。1.2.3　物料含水率对陶粒性能影响试验实际生产中将污泥和底泥完全干燥比较困难,而且能耗非常大,可操作性不强。物料含水率的控制对于造粒工艺有较大影响,需考察含水率对烧结产品的性能的影响。原料配比为5∶4∶1,分别向均匀混合的原料中加入10%、15%、20%的水充分搅拌后加压成型,预热时间为20min,烧结时间为15min,选取1100℃和1125℃分别进行物料含水率影响试验。1.2.4　烧结工艺的正交试验研究

选取第4、5、14、15组配方,

烧结炉运行工艺条件选取烧

结温度、烧结时间和预热时间,烧结温度根据前期研究选取1000～1150℃,烧结时间设定在5～20min,预热温度设定为

[24]

主要有机成分的分解温度(350℃)。通过正交试验探讨烧结炉运行工艺条件和原料配比对陶粒性能的影响,因素-水平表见表3,正交试验方案及产品性能测试结果见表4。1.3　试验分析方法

轴向抗压强度使用微机控制电子万能试验机(长春试验机厂,WDW3020)进行测定;吸水率根据GB/T17431.1—2010《轻集料及其试验方法》中规定的方法浸泡1h后测定;比表面积采用BET动态氮吸附法,使用全自动4站比表面和孔隙度分析仪测定(美国康塔公司,QUDRASORBSI);密度通过测量体积和质量经计算获得。

2　结果与讨论

2.1　原料配方对陶粒性能的影响

按照烧结试验程序,对不同配方陶粒坯料在1100℃下烧结10min,并测定陶粒主要性能指标,结果见图2。

表3　烧结工艺正交试验因素-水平表Table3　Orthogonalexperimentalfactorsandlevels编号烧结温度/℃烧结时间/min预热时间/min

110005103∶5∶2

210501020

311001530

4115020405∶4∶1

图1　配方试验设计布点示意图

Fig.1　Schematicdiagramoftheformulaexperiment

配方3.5∶5.5∶14.5∶4∶1.5

表2　各配方试验点物料配比

Table2　Proportionoftherawmaterialsoftheformulaexperiment

编号污泥底泥粉煤灰

1306010

2305515

3355510

4305020

5355015

6405010

7304525

8354520

9404515

10454510

11304030

12354025

13404020

14454015

15504010

%

　　注:配方为脱水污泥∶河道底泥∶粉煤灰,若无特殊说明,所有配比均按此顺序。

表4　烧结工艺正交试验方案及产品性能测试

Table4　Orthogonalexperimentalmethodandthepropertiesofthesinteringproducts

编号1234

5678910111213141516

烧结温度/

℃1000100010001000105010501050105011001100110011001150115011501150

烧结时间/

min5101520105201515205102015105

预热时间/

min10203040304010204030201020104030

配方3∶5∶23.5∶5.5∶14.5∶4∶1.55∶4∶15∶4∶14.5∶4∶1.53.5∶5.5∶13∶5∶23.5∶5.5∶13∶5∶25∶4∶14.5∶4∶1.54.5∶4∶1.55∶4∶13∶5∶23.5∶5.5∶1

比表面积/(m2·g-1)1.2281.2881.6781.722

1.5491.4230.9920.8860.5360.5341.2360.9740.1340.2190.7910.388

抗压强度/MPa5.074.771.261.73

1.441.855.475.7210.2111.972.013.4241.6313.2314.8416.84

吸水率/%27.8925.3436.9135.38

36.5434.2923.7822.2018.1610.7535.3927.930.496.908.797.39

表观密度/(g·cm-3)1.231.221.051.03

1.021.061.241.241.271.311.031.081.871.921.851.88

2012年8月　　　　　　　　徐振华,等:污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究　　　　　　　　　Aug.,2012

约为其筒压强度的75%[26],即抗压强度达到5.3MPa时陶粒的筒压强度可以满足优等品的要求。

由图2看不出抗压强度与配方之间有明显规律,但污泥添加量在30%以上时仍可以烧制出抗压强度达16MPa以上的高强度陶粒。范锦忠[16]指出,如要生产高强度陶粒,污泥掺加量不宜超过5%。Martínez[1]在研究黏土烧结制砖过程中加入0%～15%污泥,污泥浓度增加会降低陶粒强度,提高陶粒吸水率。Chiou等[27]研究了污泥和污泥灰混合后制取陶粒的配比,建议污泥掺加量不能超过20%。但从图2可以发现,即使污泥的质量分数高达40%,通过配方的调整,所生产出来的陶粒也可达到高强度陶粒的标准。这说明底泥和粉煤灰的加入很大程度上弥补了污泥烧结陶粒时组分上的缺陷,充分发挥了几种废物在烧结过程中的协同作用。

2.1.3　原料配方对吸水率的影响

用于建筑骨料的陶粒,其品质与吸水率有重要关系,它会影响陶粒的抗压强度和体积密度。当水被吸进烧结体后,陶粒会产生一定的膨胀,容易龟裂,导致软化系数提高,从而降低抗压强度[28]。

从图2可以看出,吸水率变化并没有明显的规律,但底泥的质量分数达到55%以上时,陶粒吸水率指标均满足《轻集料及其试验方法》[29]中600～900级高强粉煤灰陶粒所要求的小于15%的要求,其他配比得到的陶粒吸水率指标均不理想。虽然结合抗压强度指标可以推断陶粒在烧结时已经形成一定的液相,但可能由于污泥中大量的有机质和钙盐提高了陶粒的开孔率[12,30],导致陶粒吸水率偏高。用于水处理滤料

图2　不同配方烧结陶粒的主要性能

Fig.2　Majorpropertiesoftheceramisitessinteredfrom

differentformulas

的陶粒对吸水率并没有要求,相反,吸水率较高说明陶粒结构

中有大量相互连通的孔道,这一特点有利于微生物的生长以及营养物质的传递。但高吸水率陶粒是否适合作为滤料还需要结合其他指标来做进一步判断。

2.1.4　原料配方对表观密度的影响

从图2可以看出,陶粒的表观密度与吸水率的变化趋势是相反的,即当吸水率较低时,陶粒表观密度较大,反之亦然。这与Furlani[31]的研究结果类似。这种相关性从侧面反映出所烧结的陶粒孔道是相互连通的。因为吸水率与烧结体中的开孔比例直接相关,而烧结体中的孔隙越丰富,表观密度就会越小。但是理论上吸水率与表观密度并没有必然的联系,如果要生产出密度等级小,且吸水率较低的陶粒就必需调整配方和烧结工艺,使坯料在烧结过程中能形成封闭的气孔。2.2　预热温度对陶粒性能的影响

本文所用的污泥比例较高,在预热阶段陶粒坯料中大部分有机物得以分解,自由水和结合水被蒸发出来,采用合适的预热温度不仅有利于制定合适的烧结制度,也有利于降低能耗,提高生产效率。预热温度试验结果见表5。

由表5可以看出,当预热温度低于250℃时,所得到的陶粒抗压强度较高,吸水率和比表面积较低;预热温度高于275℃时则相反。不同预热温度下得到的陶粒表观密度基本上处于同一水平,波动不大。

陶粒烧结工艺中的预热过程主要起到两个作用:1)将坯料中的大部分有机质热解为气体去除,使陶粒轻质化;2)除去坯料中的水分,避免升温过程中水蒸发过快而导致坯体炸裂,影响烧结体的强度性能。陶粒坯料在预热过程中,颗粒间的间隙扩大,孔隙率变大,烧结体密度减小,达到了超轻的效果。

2.1.1　配方对陶粒比表面积的影响

比表面积是评价水处理滤料性能的重要常规指标之一。比表面积越大越有利于微生物的附着,有利于提高滤料吸附截留效果。由图2可以看出,3、4号样品的比表面积较大,达到1.2m/g以上,远高于行业标准(≥0.5m/g);其他配方的陶粒比表面积也都满足行业标准。

从图2还可以看出,1～3、7～10和13～14号样品随着污泥比例的提高,陶粒的比表面积也提高。这可能是因为污泥中丰富的有机物在烧结升温过程中,由于挥发分解使陶粒内部形成大量多孔结构,从而提高陶粒的比表面积。而4～6、11～13和14～15号样品随着污泥比例的提高,陶粒的比表面积反而有所下降。这可能是由于污泥比例的提高增加了坯料中助熔剂的量,提高了液相的流动性,导致小孔合并成大孔,从而减小了单位体积内陶粒的比表面积。对比抗压强度可以发现,当污泥的质量分数大于45%时,虽然陶粒比表面积有所提高,但是过度丰富的孔隙结构极大地破坏了陶粒形成强度的结构[1,13],因此,配方中污泥添加量建议限制在45%以下。2.1.2　配方对陶粒抗压强度的影响

抗压强度是考察陶粒建材利用的必要指标。GB/T17431.1—1998中700级陶粒的筒压强度优等品要求为4.0MPa,合格品要求为3.0MPa。本文采用陶粒的抗压强度代替筒压强度表征陶粒强度性能。经验表明,轻集料的抗压强度

[25]

2

2

　Vol.12　No.4　　　　　　　　　　　　　　安全与环境学报　　　　　　　　　　　　　　第12卷第4期　　结合本文所采用的升温程序特点分析可知,采用低温预热相当于减缓了陶粒进入高温烧结阶段的升温速率,而较低的升温速率则会使坯体中的有机物更充分地分解挥发掉,有利于陶粒在未进入烧结阶段前的致密化过程。陶粒致密化会使助熔剂紧密地与硅质和铝质接触,从而增加液相量并促使烧结体产生更多高强度的玻璃体和晶体结构物质,得到的陶粒强度就会越大。相反,较高的预热温度加快了坯体进入高温烧结阶段的过程,坯料会保留更多的有机物进入高温烧结阶段,有利于提高烧结体的孔隙率,从而导致比表面积和吸水率增加。

根据以上分析,结合水处理滤料和陶粒轻骨料在性能上的差别,在实际生产工艺中的预热阶段宜采用以下策略:对于生产水处理滤料,应该适当提高坯料进入烧结区的升温速率,保留坯料中的有机物,提高烧结体的比表面积;对于生产轻骨料,宜采用低温预热工艺,使陶粒坯料充分致密化,增加陶粒强度。2.3　物料含水率对陶粒性能的影响

物料含水率对陶粒性能影响的试验结果见表6。从外观上看,含水率越高收缩程度越大,所得陶粒结构松散,且有较大裂纹,这与物料不含水的烧结产品有较大区别。另外,烧结体的吸水率和抗压强度均随物料含水率增加而降低,比表面积变化趋势则有所不同。1100℃下的烧结产品比表面积随含水率增加而降低,而1125℃下的烧结产品比表面积变化不大。对比2.1节中相同配方的陶粒可以发现,增加坯料含水率会在很大程度上降低陶粒抗压强度,增加吸水率。产生以上现象的原因可能是含水率越高,烧结过程中由于水分的蒸发而形成的物料间距越大,当达到烧结温度时,一方面,由于较大的物料间距使得助熔剂与硅质和铝质不能充分接触,导致液相不易产生;另一方面,高温产生的液相由于流动性不够而导致各种成分不能充分融合,不易发展形成玻璃体和莫莱石等结构的晶体。虽然温度由1100℃升高到1125℃后,液相的流动性增强,在一定程度上克服了物料间距,增加了陶粒强度,但是这种效果并不明显;因此,污泥烧结陶粒生产工艺中的造粒应选择干法造粒成型工艺。这与王兴

润的研究是相符的[3]。

2.4　烧结工艺的正交试验分析

对烧结工艺的正交试验数据(见表4)进行极差分析,分析数据见表7。

　　从表4可以看出,随着烧结温度的升高,陶粒比表面积和吸水率降低,而抗压强度和表观密度有所提高。陶粒抗压强度与坯料中污泥比例的变化趋势明显相反,这可能是因为污泥的增加减少了坯料中形成陶粒强度和结构的硅质和铝质的浓度,因而减少了烧结过程形成的诸如莫莱石、玻璃体等晶体

-33]

或多晶体结构的强度物质[32;也有可能是污泥中大量的

[34-35]

CaO成分提高了陶粒的烧结温度,使得烧结过程不充分

而引起的。

表5　预热温度对陶粒性能影响试验结果

Table5　Effectsofpreheatingtemperatureontheproperties

ofthesinteringceramisite

编号1234567

预热温度/

℃200225250275300325350

比表面积/(m2·g-1)0.5710.6450.6560.8940.8281.1940.907

抗压强度/MPa4.335.234.80

3.733.983.093.75

吸水率/%25.0223.3724.11

31.1631.4732.9930.37

表观密度/(g·cm-3)1.081.071.08

1.061.061.071.08

表6　不同物料含水率对烧结陶粒性能影响Table6　Effectsofwatercontentratioonthepropertiesof

thesinteringceramisite1100℃烧结产品

含水率/%101520

比表面积/(m2·g-1)0.8510.4970.401

抗压强度/MPa1.821.711.45

吸水率/%50.748.341.2

1125℃烧结产品比表面积/(m2·g-1)0.4010.4050.413

抗压强度/MPa2.892.151.51

吸水率/%44.142.8233.42

表7　4项性能指标的极差分析

Table7　Rangeanalysisofthefourpropertiesofthesinteringceramisite

烧结温度

K 1K 2K 3

K 41.481.210.820.38烧结温度

K 1K 2K 3K 4R

31.3829.20

23.065.8925.49

比表面积/(m2·g-1)

烧结时间预热时间1.071.150.830.85吸水率/%

烧结时间26.2424.6521.0417.608.64

预热时间21.6320.86

22.9024.163.30

配方17.4118.67

24.9128.5511.15

烧结温度1.131.14

1.171.880.747

0.850.891.041.12抗压强度/MPa

配方0.860.801.051.18烧结温度3.213.626.9021.64烧结时间6.446.127.6115.20烧结时间1.301.37

1.291.310.09

预热时间6.8013.537.887.16-3

配方9.409.3212.044.60配方1.411.40

1.271.250.16

表观密度/(g·cm)

预热时间1.371.34

1.321.300.07

　　注:数据为在该因素水平下所有试验点结果的平均值。

2012年8月　　　　　　　　徐振华,等:污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究　　　　　　　　　Aug.,2012　　由表7可以看出,对于抗压强度,各因素影响程度从大到小为烧结温度、烧结时间、配方、预热时间;对于其他性能指标,各因素影响程度从大到小为烧结温度、配方、烧结时间、预热时间。这说明无论是制备轻骨料还是滤料,温度的控制都是最重要的因素。对于制备骨料,工艺调整过程中需要着重把握烧结时间;而对于制备滤料,配方的调整可能显得更为重要。

另外,从表4也可以发现,除1150℃外其他同一温度条件下不同污泥质量分数的坯料烧结得到的陶粒强度存在较大差异,即污泥质量分数为30%和35%的陶粒的抗压强度是污泥质量分数为45%和50%的陶粒的3倍或更高。这也就是说,如果要最大限度资源化利用此类污泥,生产品质较好的陶粒,需要控制污泥的质量分数:对于烧制高强轻骨料污泥质量分数最好在30%～35%;而如果想要提高污泥的处理量,生产出比表面积较大,附加值更高的水处理人工陶粒滤料,添加一定的增加强度的硅质或铝质成分是必要的。

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3　结　论

1)原料配方对陶粒主要性能影响规律性不强,因此建议在进一步的中试研究中,不同用途的陶粒配方需要根据原料

成分以及现场条件进行试验确定。

2)提高污泥质量分数可以增加陶粒的比表面积,但污泥质量分数达到45%以上时陶粒强度会大大降低,对于烧制高强轻骨料,污泥质量分数最好在30%～35%。

3)无论是制备轻骨料还是滤料,温度的控制都是最重要的。对于骨料,工艺调整过程中需要着重把握烧结时间;而对于滤料,配方的调整显得更为重要。

4)对于生产水处理滤料,应该尽可能提高坯料进入烧结区的速率,以尽可能保留坯料中的有机物,增加陶粒孔隙,提高陶粒比表面积;对于生产高强骨料,低温预热有利于坯料致密化,增加陶粒强度。

5)增加物料含水率会导致陶粒结构松散,降低陶粒抗压强度,增加陶粒吸水率。因此,在污泥烧结陶粒生产工艺中,应选择干法造粒成型工艺。

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