利用城市污泥烧结制陶粒工艺路线的研究

利用城市污泥烧结制陶粒工艺路线的研究

城市生活土壤通常是指城市居民处理厂的主要土壤和其次土壤的混合污泥。随着各地城市污水处理设施的兴建及污水处理率的提高,国内污水厂污泥产量越来越大。而传统的污泥处理工艺费用较高,其运行费约占污水厂总运行费用的20%~50%,投资占污水处理厂总投资的30%~40%。污泥陶粒最早由NakouziS.等提出,是以污泥为主要原料,掺加适量辅料,经过成球、焙烧而成的。陶粒作为一种轻集料,可以取代普通砂石配制轻集料混凝土,具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点,近年来得到了迅速发展。但污泥陶粒技术在国内外的研究起步不久,目前的应用主要集中在将污泥作为一种陶粒烧制中的有机物添加剂,使用量少,只有10%左右,工艺条件和原料配比急需优化。本试验研究了利用城市生活污泥烧结制陶粒的2种工艺路线,通过对其产品性能指标的比较和生产成本的分析,提出了适合我国国情的工艺路线。对污泥陶粒技术的进一步研究和工业化应用有重要意义。1试验部分1.1污泥与实验原料试验使用北京清河污水处理厂的脱水污泥作为主要原料。清河污水厂承担着北京西北部地区的污水收集与处理任务,处理能力为40万m3/d,是一座典型的以生活污水为主的污水处理厂。该厂日产脱水污泥100t,目前采取外运填埋的方式处理,缺乏合理利用。实验选取该厂脱水污泥为研究对象,能够代表北方城市污水厂污泥的一般情况,对今后技术的应用有指导作用。污泥的含水率为80.6%,有机质含量(干基)为50.4%。容重为1.07g/cm3。采用全量消解的方法测定污泥中重金属的含量(单位:mg/kg干污泥)为:Cu278.2,Zn621.0,Pb166.6,Cd2.1,Cr103.8,Ni54.6,Hg1.7,As7.6。辅助原料有取自北京某电厂的粉煤灰;购自中国科学院生态环境研究中心的沸石粉;粘土等。使用X荧光光谱仪对原料的元素组成进行了测试,结果见表1。使用的仪器设备主要有:SXF-1200型X荧光光谱仪;HL-2070型粉碎机;NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机;手动螺旋造粒装置;SK2-6-12型管式电阻炉;ZWICKZ005型万能材料试验机;PRODIGY型ICP-AES。烧结装置的结构示意见图1。1.2脱盐“法离失粒”制陶粒的试验1.2.1助熔剂的配方确定脱水污泥的SiO2含量低,烧失量大,不具有烧胀性能,必须添加一定量的辅料与添加剂。试验以粉煤灰和粘土补充成陶组分SiO2和Al2O3,用碱金属(Na2O和K2O)含量高的沸石粉作为助熔剂。通过测试烧结产品的性能,对工艺和配方的优劣进行比较。技术路线见图2。1.2.2试验内容(1)尾气干燥污泥水脱水污泥在105℃干燥2h,含水率降至60%,以模拟工程中使用尾气干燥污泥的过程。沸石粉、粉煤灰、粘土3种原料粉碎后过40目筛。(2)原料配比的确定根据污泥及辅料化学成分,同时参考Riley相图(Riley研究提出的用三元法表示原料化学成分,并具体圈定适宜烧结陶粒的原料的化学成分范围的三角相图,如图3所示)。我们选定50%作为期望产品中的污泥添加量。这样既能显著提高污泥处理量,又使坯料的原料成分尽可能符合Riley相图的要求。采用如下的原料配比进行批次试验:脱水污泥占50%,其余50%参照由粘土,粉煤灰和沸石粉为顶点的等边三角(如图4所示)来确定不同批次试验中的配比,只考虑沸石粉含量在10%以下的情况(图中标出的点),共11批次。用搅拌机混合搅拌原料10min,经目测各种成分在混合物中达到了均匀分布,得到含水约30%的粘土状物质。将上述粘土状原料放入手动螺旋造粒机中挤压成型,得到直径2cm的圆条,切割为高1.5cm左右的圆柱。(3)自然冷却工艺将上述圆柱体在管式电阻炉中高温烧结。烧结工艺为:100℃干燥30min→350℃预热30min→1150℃焙烧15min→空气中自然冷却。(4)抗压力、抗密度、吸水率的测试采用“ZWICKZ005型万能材料试验机”,测试产品抗压力;采取排水法测体积并结合重量确定产品密度;采取1h浸泡的办法测其吸水率。每批产品都取多个样品测试并取平均值。1.3脱盐“干化、燃烧”制陶粒试验1.3.1技术方法与“湿法造粒-烧结”(以下简称湿法)对应,污泥“干化-烧结”(以下简称干法)技术路线见图5。1.3.2试验内容(1)污泥重量测定脱水污泥105℃烘干后用粉碎机粉碎。批次试验的物料配比与湿法相同,污泥重量按干重计算。使用粉末压片机成型,压力7.5MPa,得到直径2cm,高约1cm的圆柱。(2)高温燃烧烧结工艺为:350℃预热30min→1150℃焙烧15min→自然冷却。(3)烧失率的测试仍选取抗压力,密度和吸水率3个指标来考察产品性能。但通过测量产品尺寸来计算体积。此外还测试了产品在烧结过程的烧失率。为验证产品的环境安全性,按照GB5086.2-1997规定的水平振荡法对陶粒产品进行重金属溶出实验。使用ICP-AES对溶出液其中的Pb、Hg、Cu、Ni、Cd、Cr、As和Zn8种重金属元素进行测定并计算重金属的溶出率。1.4燃烧温度优化试验1.4.1陶粒烧结温度的确定,对于目前使用配除配方外,烧结温度对产品性能也有明显的影响,并且在很大程度上影响生产成本。因此我们在干法制陶粒工艺的基础上,对烧结温度进行优化试验。探索能烧制出合格的陶粒产品,又尽量降低成本的温度条件。同时对助熔剂与温度之间的关系和作用机理作进一步探讨。1.4.2试验内容(1)粉、粉煤灰、粉煤灰的大量使用,是形成指标单因素试验中物料配比为干污泥50%,沸石粉10%,粘土10%,粉煤灰30%。样品成型压力7.5MPa,保压30s,得到直径2cm,高约1cm的圆柱。(2)不同生产机构烧结温度固定预热温度350℃,预热时间30min,烧结时间15min。各批次烧结温度分别为:950℃,975℃,1000℃,1025℃,1050℃,1075℃,1100℃,1110℃,1120℃,1130℃,1140℃,1150℃。(3)产品性能试验使用“ZWICKZ005型万能材料试验机”测试产品抗压强度来考察产品性能。2结果与讨论2.1产品强度和组分“湿法”产品的强度测试结果如图6所示,横轴为原料中粉煤灰掺加量,纵轴为产品抗压力。无沸石粉时,掺加40%粉煤灰得到强度峰值。可见在试验温度条件下,粉煤灰本身不能熔融,必须加入少量粘土作为助熔剂。根据X荧光光谱实验的元素分析结果,粘土既含成陶组分SiO2、Al2O3,同时也含有助熔组分,与粉煤灰的“活性激发剂”成分类似,有“激活”粉煤灰活性并降低其熔点的助熔作用。但粘土中杂质较多,过量掺加反而对强度不利。掺加10%沸石粉时,掺加40%粉煤灰仍有强度峰值,此时沸石粉代替粘土作为助熔剂。但沸石粉的助熔机理主要在于其本身熔点低,熔化后在混合物中起到填补空隙和黏合的作用,而不能降低粉煤灰的熔点,故产品强度不如粘土作为助熔剂。较多的粘土也能提高强度,并且强度优于只有沸石粉和粉煤灰存在的情况。因为此时除了沸石粉作助熔剂,粘土既有成陶组分,也有助熔组分,混和物之间产生了协同作用,进一步提高了产品的强度。“干法”产品强度测试结果如图7所示,图7中横坐标轴为原料中粉煤灰的含量,纵轴为产品抗压力。无沸石粉时,单独添加粘土或粉煤灰作为辅料的抗压强度较低,其他批次强度都有较大的提高,其中粉煤灰在30%到40%之间强度最好。说明在干法加压成型的条件下,粘土和粉煤灰的混合物微粒之间距离减小,在高温下发生反应,粘土激活了粉煤灰颗粒。使混合物熔点降低,更易于烧结,产品也更致密。掺加10%沸石粉时,只有粘土的批次强度相对较低,其余批次强度都较高,峰值出现在粉煤灰掺加量为20%时。但“40%粉煤灰+10%粘土”的强度要大于“40%粉煤灰+10%沸石粉”。这也验证了沸石粉和粘土的不同助熔机理。同“湿法”一样,当3种辅料共同添加时,混和物之间产生了协同作用,产品强度最优。值得注意的是,即使是强度最低的批次,其破坏压力也高于湿法产品的最优值。这一方面是因为干法的产品形状规则,对抗压有利,另一方面也说明“干法”的产品强度性能要远优于“湿法”。2.2缝的大小和裂纹“湿法”产品的1h吸水率见图8。可见半数产品没能达到国标GB2838-81中要求的粉煤灰陶粒吸水率(22%)。产品吸水率高并且规律不明显,大体上随粉煤灰添加量增大而增大。其原因在于产品存在开裂现象。有助熔剂的情况下,表面较致密,吸水率降低。但吸水率主要还是由裂缝的大小多少决定,并因开裂的随机性而没有明显规律。分析认为以下3个因素造成了产品的开裂:(1)坯料含水率高,干燥过程中大量水蒸气涌出,造成产品开裂;(2)坯料有机质含量高,预热时发生了热解燃烧,有明火产生,大量热解气体涌出也加剧了产品的开裂;(3)湿法挤压成型坯料本身强度低,易于开裂。针对以上原因,应从以下2个角度来防止其开裂:(1)减少烧结过程中气体的产生;(2)增加坯料本身的强度。“干法”恰能避免干燥过程中水蒸气大量涌出造成的开裂,并且可以采用坯料强度更高的干法造粒工艺。“干法”产品的1h吸水率见图9。由于所有产品都没有明显裂纹,吸水率比湿法有了很大的下降。除了粉煤灰或粘土单独掺加的情况下,产品致密性下降,吸水率较大外,其他情况下吸水率都很低,远低于国标GB2838-81中对粉煤灰陶粒的吸水率要求。可见加压成型使产品更加致密,对降低产品吸水率非常有利。2.3产品堆积密度“湿法”产品的密度如图10所示。由图10中可见:产品密度随粉煤灰的加入量增大而减小,在强度峰值点密度为1.3~1.4g/cm3。根据一般建材陶粒的情况估算,产品的堆积密度可望控制在700kg/m3,符合国标GB/T17431.1-1998中对轻骨料的要求。“干法”产品的密度见图11。在粉煤灰或粘土单独出现的情况下密度较低,其余情况下较高。其值在1.7~1.8g/cm3之间,可见干法加压成型使产品更加致密,对烧制轻骨料不利。2.4坯料中的有机质含量干法工艺中,陶粒在烧结过程中的烧失率在33%~34%之间,与坯料中的有机质(50%污泥×68%干基有机质含量=34%)含量吻合得相当好。说明烧结过程中污泥中原来的有机物界大部分已经分解并以气体形式排出,几乎没有残渣。2.5重金属溶出率干法烧结产品的溶出液重金属浓度和重金属溶出率如表2所示,无论是重金属溶出液的浓度还是溶出率都非常低,说明烧结陶粒产品的性能稳定,不会对环境造成二次污染。2.6温度和出汁率烧结产品的抗压强度测试结果如图12所示,可见烧结温度对产品性能有巨大影响。1100℃是曲线的拐点,在1100℃以下时,产品强度提高缓慢;1100℃后则稳步上升;温度达到1140℃后强度又有较大提高。结合一些相关物质的熔点(粘土:1400~1560℃、粉煤灰:1300~1600℃、沸石:1100~1250℃),我们可以认为,温度低于1100℃只有少量低熔点碱金属氧化物熔融,强度提高缓慢;沸石在1100℃开始熔融而有比较明显的助熔作用,因此强度开始稳定提高;粘土和粉煤灰本身熔点都较高,但在粘土的激活作用下,二者的混合物在1140℃以上也可以熔融,此时2种助熔机理协同作用,强度有了比较大的提高。由于“干法”和“湿法”试验采用的温度为1150℃,提供了2种机理协同作用的条件,这也从侧面验证了2种助熔机理的正确性。3物料配比的确定(1)“湿法造粒-烧结”制陶粒的产品密度等级符合轻骨料的要求,但坯料中的水分和有机质以及坯料本身强度不高造成的开裂严重。开裂使产品强度降低,吸水率不能达标