采用污水厂污泥制陶粒的烧结工艺及配方研究

中国环境科学2009,29(1)：17~21ChinaEnvironmentalScience采用污水厂污泥制陶粒的烧结工艺及配方研究金宜英*,杜欣,王志玉,王兴润,聂永丰(清华大学环境科学与工程系,北京100084)摘要：对污水厂污泥“干化-烧结”制陶粒的烧结工艺和物料配方进行了研究,分析了不同烧结工艺条件对陶粒产品强度、吸水率和密度等性能指标的影响.结果表明,烧结温度对陶粒性能影响最大,而由于污泥本身熔点低,具有助熔作用,适宜的烧结温度与配方中污泥掺加量密切相关.最佳污泥烧制陶粒工艺条件为,污泥最大掺加量80%,350℃预热20min,1060℃烧结15min.关键词：污水厂污泥；陶粒；烧结工艺；配方中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)01-0017-05Researchontechnologyandbatchformulaofsinteringmunicipalsewagesludgeformanufacturinghaydite.JINYi-ying*,DUXin,WANGZhi-yu,WANGXing-run,NIEYong-feng(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(1)：17~21Abstract：Sinteringtechnologyandbatchformulaof“anhydration-sintering”formanufacturinghayditeinmunicipalsewagesludgewerestudied.Theimpactsofprocessconditionsonproductcompressionstrength,hygroscopiccoefficientanddensitywereanalyzed.Sinteringtemperaturehadimportantinfluenceonhaydite.Thefittingsinteringtemperaturewasdecidedbythesludgepercentageinbatchformula,becauseofsludge’slowmeltingpoint,lowintensityandfluxingaction.Thebesttechnicalschemewasasfollowed:thesludgepercentagecouldreach80%atmostandthesinteringprocesswaswarm-upat350for20minutesandsintering℃at1060for15minutes.℃Keywords：municipalsewagesludge；haydite；sinteringtechnology；batchformula近年来,我国城市生活污水厂污泥产量与日俱增.目前国内对于污泥的处理处置方法通常是填埋、焚烧和堆肥.由于这些技术存在不足[1],寻找有效的污泥资源化利用的方法尤为迫切.污泥陶粒是污泥掺加辅料后,经造粒、焙烧而成的一种建材[2].陶粒作为一种轻骨料,具有密度小、强度高、保温、隔热性能好的优点[3].污泥陶粒技术的研究在国内外起步较晚[4-5],目前仅限于将污泥作为陶粒的有机添加剂,掺加量只有10%左右[6-9],还需要大量的黏土和页岩作辅料,难以实现大规模的应用.前期研究[10]表明,污泥“干化-烧结”是适宜于国内污水厂污泥制陶粒的工艺路线,而且可以将干污泥掺加量提高到50%,并给出了辅料配方.但配方中污泥掺加量能否进一步提高,以及具体的烧结工艺均尚待研究.本研究通过试验深入探索污泥陶粒的烧结工艺,考察高污泥掺加量和较低烧结温度的最佳技术方案,为完善污泥制陶粒工艺提供技术支持.1材料与方法1.1材料与设备试验污泥为北京某污水处理厂的脱水污泥,含水率为80.6%,有机质含量(干基)为50.4%,容重为1.07g/cm3,干污泥熔点为1050℃.采用全量消解的方法(ASTMD6357-00a)[11]测定污泥中重金属含量(干基)如下:Cu278.2mg/kg,Zn621.0mg/kg,Pb166.6mg/kg,Cd2.1mg/kg,Cr103.8mg/kg,Ni54.6mg/kg,Hg1.7mg/kg,As7.6mg/kg.辅助原料为黏土和取自北京某电厂的粉煤灰等.使用X荧光光谱仪对主辅原料的组分进行分析,结果见表1.收稿日期：2008-05-22基金项目：清华大学基础研究基金资助项目(JC2003010)*责任作者,副研究员,[e-mail]18中国环境科学29卷表1原料主要组分Table1Elementalcompositionofexperimentalmaterial原料组分干污泥(%)粉煤灰(%)黏土(%)P2O532.98n.d.n.d.SiO224.3749.5554.33CaO10.683.486.65MgO10.690.982.12Fe2O36.094.876.79Al2O37.9537.419.72K2O与Na2O5.671.225.37注:n.d.为未检出主要仪器设备:SXF-1200型X荧光光谱仪(日本岛津公司);HL-2070型粉碎机(上海海菱电器公司);769YP-24B型粉末压片机(天津市科器高新技术公司);SK2-6-12型管式电阻炉(上海精胜仪器厂);ZWICKZ005型万能材料试验机(长春试验机厂).烧结装置结构见图1.吸附管冷却水浴真空泵气体洗涤流量计FF推杆流量计燃烧炉石英燃烧管石英舟热偶计温控器气瓶图1烧结炉及尾气处理系统示意Fig.1Schematicdiagramofsinteringfurnaceandtailgastreatmentsystem1.2烧结工艺条件试验陶粒的配方参考前期研究的结果[10]并采用正交设计方法安排试验[12].1.2.1混料与造粒坯料配方按重量比为干污泥50%,黏土12.5%,粉煤灰37.5%.脱水污泥在105℃烘干后用粉碎机粉碎,加辅料按配方混匀后使用粉末压片机成型.成型压力7.5MPa,保压30s,得到直径2cm、高1cm的圆柱,每片重约6g.1.2.2高温烧结选取烧结温度、烧结时间、预热时间3个工艺条件为需要优化的因素,每因素选取9水平进行正交试验,试验条件参见表2,将正交表L27(313)修改后用于安排正交试验.表2正交试验因素水平Table2Levelsofthreefactors水平因素123456789烧结温度(℃)9509751000102510501075110011251150烧结时间(min)51015202530405060预热时间(min)510152025304050601.2.3产品性能测试选取抗压强度、密度和吸水率3个指标来考察产品性能[13].采用“ZWICKZ005型万能材料试验机”测试产品抗压强度;测量产品尺寸和重量,确定产品密度;采取1h浸泡的办法检测产品吸水率.每批产品设3次重复测定取平均值.1.3配方及烧结温度试验1.3.1混料与造粒污泥掺加量越大,越有利于接纳污泥及减少辅料用量,因此考虑污泥掺加50%及以上的情况.各批次污泥掺加量分别为50%,60%,70%,80%,90%,黏土与粉煤灰为1:3,混合均匀后按1.2.1的方法加压成型.1.3.2高温烧结各批次烧结温度分别为1040,1060,1080,1100,1120℃,预热时间20min,预热温度350℃,烧结时间15min,5个烧结温度梯度,与污泥掺加量的5个梯度分别配合,则共有5×5=25批次试验.1.3.3产品性能测试同1.2.32结果与讨论2.1烧结工艺条件确定由正交试验得到的陶粒产品的抗压强度、密度和吸水率等3种产品性能的测试结果见表3.3种性能指标的极差分析见表4.3个烧结条件对陶粒性能的影响趋势基本相同,烧结温度对各个性能指标的影响最大,其次为预热时间,烧结时间对陶粒产品性能的影响最小.1期金宜英等：采用污水厂污泥制陶粒的烧结工艺及配方研究19表3正交试验方案及产品性能测试结果Table3Designandresultoforthogonalexperiment水平编号烧结温度(℃)烧结时间(min)预热时间(min)密度(g/cm3)吸水率(%)抗压强度(MPa)1950551.3160.00.16295025251.2269.10.06395060601.2672.40.0749755251.2767.20.10597525601.2668.00.1069756051.3255.10.35710005601.2859.10.238100025251.2862.50.26910006051.3067.20.2410102510101.3155.60.5611102530301.3364.50.4512102540401.3360.90.4813105010301.3752.60.9714105030401.3854.61.1215105040101.3658.20.7316107510401.4154.91.1117107530101.4850.41.4718107540301.5442.92.9419110015151.6340.33.0720110020201.6242.52.8921110050501.7735.74.7422102515202.2415.528.1223102520502.0324.114.1424102550152.0322.912.9625105015502.2514.322.0426105020152.2316.417.7527105050202.620.589.70表43项性能指标极差分析Table4Rangeanalysisofthreeperformanceindexes强度(MPa)吸水率(%)密度(g/cm3)项目烧结温度烧结时间预热时间烧结温度烧结时间预热时间烧结温度烧结时间预热时间1K0.100.160.256762591.261.291.302K0.180.880.926354551.291.361.383K0.2417.7411.266323271.292.041.964K0.5011.5940.236028191.321.962.165K0.940.140.135567681.371.251.266K1.841.011.454957531.481.391.417K3.561.380.903954571.671.411.378K18.4035.8013.642120252.102.142.029K43.160.220.131065662.371.291.27R43.0735.6640.105747481.110.890.90注:K和R分别为该因素水平下所有点实验结果的平均值和极值分析表明,烧结温度越高,产品强度越高,吸水率越低,密度越大,即陶粒产品性能越好.坯体经高温焙烧膨胀应同时满足2个条件[14]:坯体熔融软化生成一定量的液相并具有一定的黏度;坯体内生成一定量的气体使其膨胀变形.温度越高熔融液相量就越大,固体颗粒由于液相表面张力的作用相互接近,液相填充到气孔中使坯体致密化.陶粒的密度变大,强度更高,吸水率降低.另一方面,液相会不断溶解固体颗粒,并析出新的比较稳定的结晶相——莫来石,这样的溶解及析晶作用不断进行,使莫来石晶体不断得到线性方向的长大,也增强了陶粒的强度.本试验中当温度达到1100℃时,陶粒的强度和吸水率指标大幅改变,是从量变到质变的拐点,说明此时坯料开始熔融有液相出现.但同时,在此温度下,陶粒的密度也随之增大,烧结温度继续提高则产品密度快速增大,不利于生产轻质陶粒,成本也将上升.因此在加入50%辅料的情况下,1100℃是合适的烧胀温度.预热时间