污泥陶粒的生產(chǎn)與應(yīng)用
一、污泥的分類與特征
根據(jù)污泥的來(lái)源分為市政污泥和工業(yè)污泥。市政污泥主要指城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥與市政建設(shè)產(chǎn)生的污泥。工業(yè)污泥主要有電鍍污泥、鋼鐵冶煉污泥、紡織印染污泥、化工污泥、造紙污泥等。
1.1
市政污泥
具統(tǒng)計(jì)，每處理1m3廢水約產(chǎn)生3-5kg濕基市政污泥，其中含水約96%，pH值通常在6.5-7.0之間。市政污泥中含有CaO和Fe2O3等無(wú)機(jī)氧化物，多源自污水處理過(guò)程所加入的絮凝劑。污泥中的重金屬主要有Zn、Cd、Cr、Cu、As等。因我國(guó)城市污泥輸送管網(wǎng)多使用含Zn管道，因此在重金屬中占比較多。如果市政污水和工業(yè)污水合并，則污泥中所含重金屬將會(huì)增加。目前市政建設(shè)污泥，如河道與管網(wǎng)疏浚、地鐵建設(shè)等污泥量增加迅猛。
1.2
工業(yè)污泥
(1)冶金鋼鐵污泥
鋼鐵、有色金屬等冶煉過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生污泥，鋼鐵污泥的產(chǎn)生主要有2個(gè)來(lái)源，一是冶煉過(guò)程中的冶煉廢料，二是冶煉過(guò)程產(chǎn)生的酸性廢水經(jīng)沉淀處理后形成的污泥。冶煉廢料主要包括瓦斯泥和鋼渣等，瓦斯泥通常比重輕、粒徑小、有化學(xué)毒性，并含有硫、鐵等元素。在酸性廢水中加入生石灰，會(huì)使重金屬以氫氧化物的形式沉淀析出形成污泥，所含主要有害元素為Cu、Sn、Pb、As等。
(2)電鍍污泥
電鍍污泥因重金屬含量偏高，不能在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。電鍍污泥物相特別復(fù)雜，化合物主要有Al2O3、Fe2O3、CuO、 Zn、Cr鹽、氧化物等。
(3)紡織印染污泥
紡織業(yè)中污泥的產(chǎn)生量比較大，我國(guó)每天產(chǎn)生印染污泥為0.75萬(wàn)-1萬(wàn)m3， 其中2/3為物化污泥。印染污泥來(lái)自其污水排放巨大的的各個(gè)工序，多產(chǎn)生于印染過(guò)程中的助料、油料、染料等。
(4)化工污泥
化工污泥主要指化工廠產(chǎn)生的懸浮物雜質(zhì)，以及來(lái)自于化工行業(yè)中一些比較難分解物質(zhì)，種類復(fù)雜。有的還含有病原微生物等有毒物質(zhì)。
(5)造紙污泥
每生產(chǎn)1t原紙或再生紙將產(chǎn)生245kg干基污泥，按照造紙污泥的來(lái)源可分為生物、堿回收和脫墨污泥三種，主要來(lái)源是纖維素等有機(jī)物。造紙污泥的含水率約為97%，呈中性；重金屬含量比較少。根據(jù)造紙污泥的化學(xué)成分和熱值特征，可將它適當(dāng)處理后作為能源使用。
總之，不同類型的污泥其化學(xué)組成和物化性質(zhì)有較大差別，應(yīng)根據(jù)其來(lái)源和物性特征采用相應(yīng)的處置方式，其中以各類污泥生產(chǎn)陶粒是污泥消納的重要途徑之一。
二、陶粒的類型與生產(chǎn)
陶粒是一種陶質(zhì)顆粒，一般粒徑為5-20mm，外觀多為圓形或橢圓形，外觀顏色因原料和工藝而異，多為暗紅色，SiO2和Al2O3是陶粒成陶的主要成分。陶粒按照生產(chǎn)方式可分為燒結(jié)陶粒、燒脹陶粒和免燒陶粒。
2.1
燒結(jié)陶粒
燒結(jié)陶粒是將污泥干化、破碎，加入輔料和粘接劑等混勻后經(jīng)造粒、干燥、燒制而成，下圖為由污泥生產(chǎn)燒結(jié)陶粒的典型工藝流程。
2.2
燒脹陶粒
燒脹陶粒是一種很重要的建筑材料，生產(chǎn)需在高溫下生成足夠黏度的液相和包裹大量氣體，具有表觀密度小、孔隙較多、隔絕性良好等特點(diǎn)。其燒脹效果與性能受酸、堿性氧化物的影響，酸性氧化物有SiO2和Al2O3，在高溫下兩者反應(yīng)生成的莫來(lái)石可以使陶粒達(dá)到所需要的強(qiáng)度；堿性氧化物包括Fe2O3、CaO、MgO等起助熔作用。酸性和堿性氧化物的存在使污泥具備用于生產(chǎn)陶粒的條件，奠定了資源化利用的基礎(chǔ)。
2.3
免燒陶粒
免燒陶粒是將污泥干化、破碎、攪拌、混勻后，噴灑外加劑后造粒，經(jīng)養(yǎng)護(hù)而得到而形成的輕集料。若放入Fe3O4懸浮液中浸漬涂層，則可制得磁性免燒陶粒。
三、污泥陶粒的類型與生產(chǎn)
3.1
污泥含量對(duì)陶粒生產(chǎn)的影響
污泥摻量主要影響陶粒孔隙率、吸水率、表觀密 度、堆積密度等性能，典型污泥復(fù)合焙燒陶粒的物化性質(zhì)見表２。研究表明，隨著污泥摻量增加，陶粒的孔隙率和吸水率均降低，分別從56.1%、30.5% 降至45.5%、13.2%。松散容重由471kg/m3升高到610kg/m3。在污泥與黏土質(zhì)量比為1:1時(shí)，所得陶粒外表堅(jiān)硬，強(qiáng)度很好，表面粗糙，成球較好。研究還證明：
隨著污泥含量增加，污泥陶粒1h吸水率先增大后減小，污泥含量為40%時(shí)，1h吸水率最大，為10.6%；而污泥含量為25%時(shí)，1h吸水率最小為4.2%；
添加污泥含量增加，陶粒堆積密度先減小后增大，污泥為40%時(shí)，最小值為388kg/m3；
陶粒的表觀密度隨著污泥的含量占比總體變化不大，污泥含量40%時(shí)，陶粒最輕為490kg/m3。故污泥摻入量應(yīng)適宜，若摻入量太多，陶粒會(huì)發(fā)生炸裂，造成產(chǎn)品較差。曲烈等以污泥與玻璃粉制備陶粒，摻入污泥65%、70%、75%和80%時(shí)，預(yù)熱溫度600℃，焙燒溫度1100℃。隨著污泥摻量增加，陶粒堆積密度下降，吸水率增加，污泥為65-75%時(shí)，陶粒吸水率變化較小，抗壓強(qiáng)度較高，因?yàn)椴ＡХ蹠?huì)在高溫下產(chǎn)生液相，推動(dòng)固相反應(yīng)，陶粒抗壓強(qiáng)度變大。當(dāng)污泥含量超過(guò)80%時(shí)，陶粒吸水率急劇上升，液相減少，大量氣體無(wú)法被包裹而從陶粒內(nèi)沖出，使得陶粒發(fā)生破裂。
3.2
預(yù)熱制度對(duì)陶粒生產(chǎn)的影響
預(yù)熱制度在陶粒生產(chǎn)中主要有兩個(gè)作用：
(1)減輕部分陶粒質(zhì)量，使剛成球的陶粒中有機(jī)質(zhì)揮發(fā)而去除；
(2)水分在焙燒升溫過(guò)程中蒸發(fā)速度過(guò)快，陶粒球?qū)?huì)發(fā)生炸裂，預(yù)熱制度可以去除生料球中的水分，提高強(qiáng)度性能和獲得超輕陶粒。要提高陶粒的生產(chǎn)效率，須控制適宜的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間，有利于焙燒過(guò)程的完成，預(yù)熱制度對(duì)陶粒性能的影響見表3。
研究證明，選用污泥和海泥混料并添加碳酸鈣制備陶粒，海泥、污泥和碳酸鈣占比為50% 、40%、10%，選擇焙燒溫度為1120℃，焙燒時(shí)間為12min。當(dāng)預(yù)熱溫度為350℃，發(fā)現(xiàn)陶粒的堆積密度隨著預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱溫度的增加而下降，分別從580kg/m3 降 到550kg/m3 和567kg/m3 降到556kg/m3 ，對(duì)陶粒的抗壓強(qiáng)度略有影響，均為5.35MPa左右。隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，陶粒的吸水率從16.8%降到16%。最終確定預(yù)熱溫度350℃、預(yù)熱時(shí)間20min。研制還發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，所得陶粒抗壓強(qiáng)度增大，堆積密度減小。
3.3
焙燒制度對(duì)陶粒生產(chǎn)的影響
陶粒的抗壓強(qiáng)度，堆積密度，吸水率和顆粒密度等性能是衡量陶粒燒制質(zhì)量的重要參數(shù)，且焙燒制度的影響比污泥摻量和預(yù)熱制度的影響更大，應(yīng)控制合適的焙燒溫度和焙燒時(shí)間。
(1)焙燒溫度的影響
焙燒溫度是陶粒燒制過(guò)程中的主要影響因素之一。溫度較低時(shí)陶粒表面產(chǎn)生釉質(zhì)層，使陶粒外層變得緊密；溫度上升，因發(fā)泡劑生成氣體增多而膨脹，液相量增多，黏度減小，陶粒外部生成一定量、有黏度的軟化液相。在形成半熔性球體時(shí)，料球內(nèi)部還原反應(yīng)充分，膨脹效能最好；溫度過(guò)高，可能造成陶粒破裂。
(2)焙燒時(shí)間的影響
陶粒焙燒初期，生料球內(nèi)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，釋放氣體而留下孔洞，助熔劑及玻璃態(tài)物質(zhì)開始熔融，阻礙氣體排出而膨脹；延長(zhǎng)焙燒時(shí)間，陶粒表面液相量相繼增多，由于液相表面張力作用，使固體顆粒相互接近，液相填充到氣孔中，會(huì)促使坯體致密化，冷卻后變成玻璃相使表面積增加，導(dǎo)致吸水量和表觀密度急劇下降。
四、污泥陶粒的應(yīng)用
污泥陶粒在水處理材料、建筑材料、吸聲材料、無(wú)土栽培材料、植物保肥材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，污泥陶粒的典型應(yīng)用及效果見表5。
4.1
在水處理材料中的應(yīng)用
利用陶粒具有多孔性與吸附性，對(duì)COD、NH3-N、和TP的去除率分別達(dá)到94.27%、87.48%和59.98%；而同等普通陶粒去除率則為91.08%、79.46%和41.87%，顯示污泥陶粒的去除效果優(yōu)越。
4.2
在建筑材料中的應(yīng)用
陶粒具有質(zhì)輕、保溫、隔熱的特點(diǎn)，用陶粒和膠結(jié)材料配制成輕集料混凝土和各種建材而得到廣泛應(yīng)用。在干燥條件下表觀密度不大于1950kg/m3，自重輕、強(qiáng)度高（最高可達(dá)70MPa），保溫、隔熱性能優(yōu)良0.233-0.523W/（m·k），僅為普通陶粒的12-33%，耐火特性好（1610℃）。與普通混凝土相比，陶粒具有強(qiáng)度可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，可以制成陶粒混凝土塊，高強(qiáng)混凝土等材料，如陶粒混凝土復(fù)合保溫墻板、空心隔墻板等；高強(qiáng)混凝土材料可以用于橋梁工程，高層建筑框架等，污泥陶粒也將隨著陶粒的廣泛應(yīng)用而拓展。
4.3
在吸聲材料中的應(yīng)用
陶粒制備過(guò)程中由于燒脹等原因本身會(huì)產(chǎn)生較多孔隙，此外陶粒之間互相堆積也產(chǎn)生大量的微空隙，不同粒徑的陶粒對(duì)不同頻率的聲音有著不同的吸收效果，造就了陶粒吸音降噪性能優(yōu)良。
五、結(jié)語(yǔ)
以污泥為原料生產(chǎn)污泥陶粒是污泥無(wú)害化處置與資源化利用的重要途徑。污泥陶粒的生產(chǎn)須根據(jù)市場(chǎng)需求、用途、品種確定合適的生產(chǎn)工藝，以實(shí)現(xiàn)污泥綜合利用的無(wú)害化和高效益化。應(yīng)研究開發(fā)污泥陶粒生產(chǎn)新工藝、新品種，提升污泥陶粒的使用性能，進(jìn)一步拓展污泥陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍，推進(jìn)污泥無(wú)害化處置與資源化利用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
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