弧叶型旋转窑烧制污泥陶粒实验研究

第5卷第4期环境工程学报Vol．5，No．42011年4月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringApr．2011弧叶型旋转窑烧制污泥陶粒实验研究何必繁1王里奥1*黄川1陆磊2陈志鹏2(1．西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室(重庆大学)，重庆400044;2．重庆市水务集团有限公司，重庆400035)摘要实验选取污水污泥、粉煤灰和港口淤泥为原辅材料，采取正交实验设计物料质量配合比与烧制工艺参数，遴选出最佳物料配比和优化的烧制工艺;依照选定物料配比和工艺参数采用弧叶型旋转窑烧制污泥陶粒并测定产品的1h吸水率，软化系数，堆积密度，表观密度，颗粒级配，粒型系数以及产品浸出毒性等技术指标，选取制得陶粒产品替代全部天然石料配制混凝土标准件，进行3、7和28d标准养护，测定混凝土标准件的抗压强度，容重和导热系数指标。检测结果显示制得陶粒满足国家相关技术标准指标要求，采用污泥陶粒全部替代天然石料生产的填料混凝土标准件，其各项检测指标均符合相关建材指标要求，证实了采用弧叶型旋转窑烧制的污泥陶粒可以作为混凝土轻粗集料使用。关键词弧叶型旋转窑污泥陶粒混凝土中图分类号X705文献标识码A文章编号1673-9108(2011)04-0909-08ExperimentalstudyonproducingceramsitewithsewagesludgeinarcbladerotarykilnHeBifan1WangLiao1HuangChuan1LuLei2ChenZhipeng2(1．KeyLaboratoryofChinaSouthwestResourceExploitationandEnvironmentalDisasterControlEngineering，MinistryofEducation(ChongqingUniversity)，Chongqing400044，China;2．TheWaterGroupLtd．ofChongqing，Chongqing400035，China)AbstractThesewagesludge，PFA(pulverizedfuelash)andharborsludgewereusedasrawmaterialstocarryouttheexperiments．Theorthogonalexperimentalmethodwasusedtoarrangeexperimentsonthemixtureratioofgreenpelletsandfactorsoffiringprocesstofindoutthebestratioofgreenpelletsandtheseemlyparame-tersoffiringprocess．Inaccordancewiththeselectedratioandfiringprocessfactors，experimentswerecarriedoutthroughthearcbladerotarykilntoproducelightweightaggregates．Thecharacteristicsofproductssuchasthe1hwaterabsorptionrate，softeningcoefficient，loosebulkdensity，apparentdensity，graincomposition，grainshapefactorandtheextractiontoxicityfactorsweredetected．Theaggregatesmadebythearcbladerotarykilnwereusedtomakestandardunitconcreteinsteadofstones．After3days，7daysand28daysstandardcuringoftheconcrete，thespecificationsofthestandardunitconcretesuchasthecompressivestrength，bulkdensityandthermalconductioncoefficientwastested．Theresultsshowedthatthelightweightaggregatecanfitthecorrelativestandard，andthelightconcretemadebylightweightaggregatescanalsofitthestandardabouttheconstructionmaterial．Itwasconfirmedthatthelightweightaggregatesmadebythearcbladerotarykilncouldbeusedtopro-ducelightconcreteascoarseaggregates．Keywordsarcbladerotarykiln;sewagesludge;ceramsite;concrete基金项目:水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07315-002)收稿日期:2010－02－24;修订日期:2010－05－23作者简介:何必繁(1982～)，男，博士研究生，主要从事固体废物处理处置与资源化利用研究。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，E-mail:[e-mail]随着城市化进程加快和城市污水处理率的日益提高，城市污水处理厂产生的大量污泥已经成为制约城市发展的“绊脚石”。作为污水处理过程的副产物，污泥是包含水、泥沙、纤维、动植物残体及各种絮体、胶体、有机质、微生物、病菌、虫卵等的复杂多相体系［1］。研究表明:污泥污染物往往具有长期毒性和不可降解性，若无序排放，将成为危险的二次污染源，通过大气、地下水、地表水和土壤等介质进入食物链，造成严重的生态风险，影响人类健康［2］。由于国家环境标准日趋严格，对污泥排放的约束不环境工程学报第5卷断提高到法律层面，致使必须寻找合适的污泥出路;污泥后期处置造成污水厂运行成本居高不下，运营商迫切需求从污泥资源上获取二次利润，以减少总的运行开支。因此，如何将产量巨大、成分复杂的污泥，经过科学处理后使其无害化、资源化，已经成为我国乃至全世界环境领域深切关注的焦点。污泥的资源化技术按照所获产品种类不同可分为:建材化、堆肥利用、能源化、材料化、污泥蛋白质利用等;污泥烧结制陶粒轻骨料建材技术通过高温烧结除臭灭菌，具有处理处置污泥和节约粘土等不可再生资源的双重优点，已成为污泥处理处置领域的一大热点［3-4］。污泥陶粒最早是由Nakouzi等［5］提出，是以污泥为主要原料掺入辅料后，经造粒、高温焙烧而成的一种新型建材。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［6］。Tania等［7］探索了利用制革厂污泥制陶粒的可行性，结果指出:污泥制陶粒可以作为建筑材料应用。采用城市污水厂污泥替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒，所得产品可商业出售［8］。弧叶型旋转窑以其新型的弧叶形窑体内部空间设计，较传统的回转窑热工效能更高，正在成为以污泥为主要原材料烧制污泥陶粒的有效工艺手段。实验采用小型弧叶型旋转窑进行了污泥陶粒配方设计和烧制工艺优化实验，为弧叶型旋转窑烧制污泥陶粒的规模化、产业化生产提供了可靠的工艺技术支撑。1实验部分1．1实验原辅材料实验选取重庆市某污水处理厂机械脱水污泥为主要原材料，分析污泥试样基本特性得到其含水率为77.8%，有机质含量(干基)质量百分比为42.59%，密度为0.98g/cm3，热值为7258.47J/g;实验用辅料为重庆某发电厂Ⅱ级粉煤灰以及重庆市嘉陵江磁器口河段某港口淤泥。实验原辅材料的化学成分分析结果如表1所示。表1原材料化学成分分析Table1Chemicalcompositionanalysisofrawmaterials(wt%)名称SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgONa2OK2OSO3烧失量总计污泥32．19．2311．23．682．20．751．72．0335．1662．89粉煤灰44．9116．124．263．820．870．851．46未检出3．0292．27港口淤泥58．244．5912．11．331．461．71．970．236．4581．621．2实验设备1．2．1弧叶型旋转窑实验主要在于使用一种改良设计的弧叶型旋转窑，实现以污泥、粉煤灰和港口淤泥烧制陶粒轻骨料。该型陶粒烧制实验装置是来自英国利兹大学市政工程专业专家自行研制的弧叶型回转窑;这是一种较先进的回转窑技术［9］;其设计原理是模拟自然界火山爆发形成岩石的过程。这种弧叶型旋转窑相比传统的旋转窑具有更高的热工效率。传统的旋转窑热工效能低，窑内升温速率缓慢导致了传统的旋转窑不能连续、稳定的升温以及烧制进度缓慢，降低了烧制效率同时加大了单位产品的能耗。通过对比传统的旋转窑，这种改良设计的新型弧叶型旋转窑被ParksandSherwen描述为“回转窑技术的重要革新”。这种新型弧叶型旋转窑的结构由内至外主要由1mm厚度可耐受高温的合金钢内壁、陶瓷纤维隔热材料以及2mm厚度的低碳钢外壁构成的弧叶圆筒形;窑体结构剖面如图1所示。图1弧叶型旋转窑横截面图Fig.1Cross-sectiongraphofthearcbladerotarykiln1．2．2弧叶型旋转窑性能新型弧叶型旋转窑具有显著的热力学效能。在实验过程中测得窑体内部空间温度达到1200℃时，窑体外部温度为60±5℃，充分说明窑的保温性能卓越。优良的窑体结构设计以及高品质的碳素合金钢材料做窑的衬里，使得窑体升温速度更快，实验表019第4期何必繁等:弧叶型旋转窑烧制污泥陶粒实验研究明，在2min内可以实现窑体内部空间温度从室温升高至工作温度(工作温度是指窑的预热设定温度，通常为400℃左右)。更加轻薄而耐用的窑体材质，不需要昂贵的维护成本或者平凡的更换内衬材料，这使得新型弧叶型旋转窑更加易于制造、运输、安装和维护;随着旋转窑的翻转，料球在窑体内底部充分混合且坯体受热均匀，显著提高了料球的烧制水平，避免了料球在窑内翻转混合不均匀导致部分料球过烧而部分料球烧制不完全的现象，次品率显著降低。弧叶型旋转窑烧制人造轻骨料具有明显的经济效益和环保效益，为固体废弃物的资源化利用提供了可靠的技术保障。1．3实验配套设备实验配套设备主要有搅拌机、转笼造粒干燥机、SX12-2．5型电阻炉、SH10A型水分测定仪、IKAC5000控制型量热仪、DHG-9070电热恒温鼓风干燥箱、YHKC-2A型颗粒强度测定仪和DAQFacto-ry温度在线监测系统等。1．4实验辅助燃料实验所用辅助燃料为罐装液化石油气。1.5实验工艺流程实验工艺流程如图2所示。图2实验流程Fig.2Experimentalprocess2物料配方与烧制工艺实验2．1物料配方与烧制工艺实验设计物料配方设计借鉴了Riley和Wilson提出的适合烧成陶粒的粘土化学组成以及相关学者研究得出关于烧制优质陶粒的原材料化学组成［10-15］:SiO248%～79%;Al2O38%～25%;氧化物熔剂Σ(CaO+MgO+Fe2O3+Na2O+K2O)8%～24%。根据原辅材料的化学成分分析结果得知，港口淤泥的化学成分组成符合烧制优质陶粒产品的元素组成范围，而粉煤灰和污水污泥的化学成分组成不在该范围内。分别以粉煤灰或污泥为原材料采用弧叶型旋转窑烧制陶粒实验，在实验初始阶段，生料球在窑内翻滚后全部不同程度破损导致烧制失败;分析认为造成生料球在窑内实验前期破损的原因主要是粉煤灰或者污泥制成的生料球缺乏足够的保持力，塑性很低，其根本原因是缺乏粘接物质。实验采用港口淤泥造粒烧制的陶粒外观呈现浅灰色，表面有裂隙，堆积密度大于1g/cm3不具备烧胀性。以上实验证明单独以粉煤灰、污泥或湖底淤泥不能烧制陶粒轻骨料。实验依据DPSS数理统计软件选取25处理的6因素5水平