高污泥掺量低能耗制备陶粒增效剂的研发及应用研究

高污泥掺量低能耗制备陶粒增效剂的研发及应用研究

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

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

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

表4 污泥陶粒吸水率试验结果

表5 污泥陶粒筒压强度试验结果

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。

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