城镇处理厂污泥制砖影响污泥掺量因素的探讨二李庆繁

2016年第10期新浪微博：砖瓦杂志社墙材网城镇处理厂污泥制砖影响污泥掺量因素的探讨（二）李庆繁（辽宁省墙材协会，辽宁抚顺113008）摘要：首先对制砖原料的理化性能要求及国家标准GB30526-2014进行了简要介绍，进而就污泥的含水率、烧失量和发热量诸因素，对其制砖掺量的影响，以及掺量对强度的影响进行了讨论。最后认为，影响污泥掺量的主要因素是GB30526规定的烧结墙体材料单位能源消耗限额，以及污泥所含大量可挥发性固体——生物质燃料，只能部分取代固体燃料作为内燃料。因此污泥发热量对污泥在混合料中掺量的影响，远大于污泥含水率和烧失量的影响，并提出了污泥掺量适宜的指标。关键词：污泥制砖；生物质燃料；部分取代；固体燃料；能源消耗限额；发热量；掺量3污泥允许掺量mr的计算污泥在制砖混合料中的掺量mr的计算，仅考虑单一因素的影响，不考虑其他因素的影响。最后综合考虑污泥允许的掺量mr。3.1污泥在不同含水率条件下其在混合料中允许掺量mr的计算3.1.1污泥的特性及其对原料需水量的影响由于污泥中含有大量有机物,颗粒细（0.02mm~0.2mm），极具亲水性，因此，含水率在65%~85%时呈柔软状态，具有粘滞性；当脱水至65%以下几乎呈固态；含水率降低到35%~40%时，呈聚散状态；进一步低到15%以下则呈粉末状，因此，污泥不具有可塑性。图1是采用板框压滤机在1.2MPa压力下脱水得到的污泥泥饼，含水率Ww·sl为60%左右，泥饼用手可以掰断，但用手是捏不动的。图2为由鼎盛超高压污泥压干机处理后，含水率Ww·sl仅为55.04%的泥饼。图图1污泥含水率为60%左右板滤机滤饼及其绞成的颗粒中图分类号：TU522.09文献标识码：A文章编号：1001-6945（2016）10-0044-08Discussiononfactorsinfluencingthecontentofurbansludgeforbrick-making(Ⅱ)Abstract:Thepaperbrieflyintroducestheperformancerequirementsofrawmaterialsforbrick-makingandthena⁃tionalstandardofGB30526-2014,thendiscussestheimpactofmoisturecontent,ignitionlossandcalorificvalueonthesludgecontentforbrick-making,andtheeffectofitscontentonstrength.ItconcludesthatthemainfactorsaffectingthecontentofthesludgeistheenergyconsumptionperunitoffiredwallmaterialwhichisprescribedbyGB30526,aswellasalargenumberofvolatilesolidcontainsinthesludge--biomassfuel,whichonlypartiallyre⁃placethesolidfuelasinternalfuel.Therefore,theeffectofcalorificvalueofsludgeonthecontentofsludgeinthemixtureismuchlargerthanthatonthewatercontentandignitionlossofsludge,andproposestheappropriateindexofthesludgecontent.KeyWords:brick-makingbysludge,biomassfuel,partialsubstitution,solidfuel,energyconsumptionlimit,calo⁃rificvalue,contentLIQing-fan本刊编辑：孙国凤技术交流44DOI:10.16001/j.cnki.1001-6945.2016.10.0062016年第10期新浪微博：砖瓦杂志社所示为经带式干化工艺处理后含水率小于40%的污泥形态，结构松散，形同泥土。如前所述，黏土质制砖原料（页岩、粘土、煤矸石等）具有可塑性时的含水率通常在12%~30%（干基）。由于污泥不具有可塑性和极具亲水性，当其他制砖原料掺兑一定比例的污泥时，将会降低其可塑性并显著提高混合料的需水量。如西安墙体材料研究设计院进行的“城市污泥制备烧结墙体材料的性能研究”，所用污泥、黏土及污泥和黏土之比分别为20:80和30:70的污泥-黏土混合料的普氏成型水分、塑性指数、塑限和液限见表11。所用污泥和黏土的化学成分见表12。注：*表中污泥液限为57%（湿基），塑限位51.1%（湿基），视乎与图1所示含水率Ww·sl为60%（湿基）左右的泥饼已成为固体相矛盾，其实并不然，因为表中污泥是经烘干后的污泥，在烘干过程中，有机物的性能和状态发生了一定程度的变化，而改善了污泥的成型性能，使污泥含水率在51.1%~57%范围内具有塑性。根据表11中，污泥:黏土=30:70和污泥:黏土=20:80的混合料普氏成型水分，当污泥:黏土=10:90时，其普氏成型水分约大于30%。从表12可见，污泥中SiO2、Al2O3含量不足黏土的1/2，表明其仅含有少量的黏土矿物，远不如黏土中的黏土矿物含量高。黏土质制砖原料的可塑性是由黏土矿物所赋予，然而，从表11可见，污泥塑性指数是黏土的2倍多，液限和塑限是黏土的4倍，需水量是黏土矿物需水量（见表5）的2倍以上。因此，污泥的这种可塑性并非来源黏土矿物，主要来源是污泥中的有机物。处理后的污泥，是由亲水性的有机残片、细菌菌体、微生物、胶体以及无机颗粒等组成，污泥颗粒细小，特别是胶体，比表面积大。由前可知，颗粒愈细，比表面积愈大，由于表面张力作用吸附水分较大。颗粒愈细，毛细管半径愈小，毛细管力增加，因此，塑性增高。胶体含量愈高，可塑性也愈大。加之有机质的亲水性和细胞含有大量水，而使污泥呈塑性时的需水量显著增加，塑性增强，其塑性指数达28.0、液限和塑限分别达到132.6%和104.6%（干基）。从表11可见，在黏土呈可塑状态时的含水率范围22%~35%内，污泥则成半固体状态无可塑性，将其掺入黏土中则成为黏土的瘠性料。在高塑性的泥料中，通常要掺兑低塑性或无塑性的瘠性料，如低塑性煤矸石、过火矸石、砂等（不包括粉煤灰），会降低混合料的塑性指数、干敏系数和普氏成型水分，并且会随着瘠性料增加，降低幅度加大。由表11可见，在黏土中随着无塑性污泥的增加，塑性指数降低，普氏成型水分却增大。又如长安大学进行的“城镇污水处理厂污泥建材利用工艺研究”的论文中，给出了污泥-黏土混合料配比，污泥在不同掺量条件下的普氏成型水分、塑性指数和干敏系数的试验数据，见表13。注：表中污泥是经105℃~110℃温度下充分干燥后的污泥。从表13可见，在污泥-黏土混合料中，随着污泥掺量的增加，塑性指数下降，而普氏成型水分和干敏系数提高。污泥作为瘠性料掺兑于黏土质原料中，可降低混合料的塑性指数，但却较大幅度地提高了混合料的成型含水率，亦即需水量，以及干燥敏感性系数。3.1.2污泥在不同掺量mr和黏土不同含水率条件下其允许含水率上述试验研究，均是将污泥和黏土进行干燥后进行的，未能体现出污泥含水率与其掺量mr的关系。试表12原料的化学组成/%表11污泥、黏土、污泥-黏土混合料的塑性指数、塑限、液限和成型含水率表13污泥-黏土混合料配比及其塑性指数和干敏系数技术交流图2含水率为55%的滤饼452016年第10期新浪微博：砖瓦杂志社墙材网验研究表明，掺兑污泥的制砖混合料呈塑性时的成型含水率与污泥掺量密切相关，随着污泥掺量的提高而提高，难以通过通常的需水量或成型含水率（见2.2.1节第3款“含水率”），以及污泥及黏土或页岩的含水率，计算污泥的允许掺量。但可根据表10和表12中的，污泥掺量与普氏成型水分的对应关系，以及黏土或页岩的含水率，估算污泥在已确定的掺量条件下允许的含水率，间接地了解塑性成形时，污泥在污泥和黏土或页岩不同含水率条件下的允许掺量mr。如果已知混合料普氏成型水分，即混合料干基含水率为Wd、污泥干基含水率Wd•sl、黏土（clay）干基含水率为Wd•cl，假设混合料中污泥掺量mr为X（%）、混合料干料总量为100（%），黏土掺量则为（100-X）（%）,则可得一次方程：X·Wd•sl+（100-X）·Wd•cl=100·Wd当已知污泥掺量X、黏土含水率Wd•cl，污泥含水率Wd•sl可由下式计算：3.1.2.1按表11中污泥掺量X和普氏成型水分Wd估算污泥允许含水率Wd•sl由表11可知，污泥掺量X分别为X1=20%、X2=30%时，普氏成型水分Wd分别为：Wd1=35.01%和Wd2=38.47%，黏土（clay）的含水率Ww•cl分别取Ww•cl1=10%、Ww•cl2=15%和Ww•cl3=20%。由式（1）可求得黏土干基含水率分别为：Wd•cl1=11.1%、Wd•cl2=17.6%和Wd•cl3=25%。分别将污泥掺量X1=20%、X2=30%,普氏成型水分Wd1=35.01%和Wd2=38.47%，黏土干基含水率Wd•cl1=11.1%、Wd•cl2=17.6%和Wd•cl3=20%,代入式（2），则可求得污泥在不同掺量和黏土不同含水率条件下其允许含水率Wd•sl，见表13。此外，为便于问题的讨论，将根据表11和参考表13估算的含水率Wd•cl为10%，以及插值法估算的含水率Wd•cl为12%的，普氏成型水分和污泥允许掺量列于表14。3.1.2.2按表13中污泥掺量和普氏成型水分估算污泥允许含水率污泥含水率Wd•sl由表13可知，污泥掺量X分别为X1=10%、X2=15%和X3=20%时，普氏成型水分Wd分别为：Wd1=28.47%、Wd2=29.01%和Wd3=31.19%，黏土（clay）的含水率Ww•cl分别取Ww•cl1=10%、Ww•cl2=15%和Ww•cl3=20%。由式（1）可求得黏土干基含水率分别为：Wd•cl1=11.11%、Wd•cl2=17.65%和Wd•cl3=25%。分别将污泥掺量mrX1=10%、X2=15%和X3=20%时,普氏成型水分Wd1=28.47%、Wd2=29.01%和Wd3=31.19%，黏土干基含水率Wd•cl1=11.1%、Wd•cl2=17.6%和Wd•cl3=25%,代入式（2），则可求得污泥在不同掺量mr和黏土不同含水率条件下其允许含水率Wd•sl，见表15。此外，将利用插值法估算的普氏成型水分和污泥允许掺量列于表15。3.1.3小结由表14和表15可以看出，随着各类原料含水率的降低，污泥掺量mr提高。当污泥含水率Ww•cl小于等于58%、黏土（或煤矸石、页岩等）小于等于12%时，污泥的允许掺量mr最低为12%。当污泥含水率Ww•cl小于等于48%、黏土（或煤矸石、页岩等）小于等于15%时，污泥的允许掺量mr最低为15%。（2）表14污泥在不同掺量mr和黏土不同含水率条件下其允许含水率计算表表15污泥在不同掺量mr和黏土不同含水率条件下其允许含水率计算表技术交流462016年第10期新浪微博：砖瓦杂志社当污泥含水率Ww•cl小于等于40%、黏土（或煤矸石、页岩等）小于等于15%时，污泥的允许掺量mr最低为20%。标准中规定的污泥含水率指标小于等于40%，不仅是对城镇污水处理厂污泥减量化的要求，更主要的是满足制砖的需要，这样需要耗费能源进行热干化处理。试验研究表明，深度脱水污泥泥饼含水率小于60%，自然放置7d后，含水率可进一步降至45%左