城市污水厂污泥烧结制陶粒的可行性研究

城市污水厂污泥烧结制陶粒的可行性研究王兴润,　金宜英,　杜　欣,　聂永丰(清华大学环境科学与工程系,北京100084) 摘　要:　通过试验考察了利用城市污水厂污泥采用“湿法造粒—烧结”和“干化—烧结”两种工艺,烧结制陶粒的可行性,并分析了工艺路线和原料配比对产品强度、吸水率和密度等性能指标的影响。

试验结果表明:“湿法造粒—烧结”工艺的产品达不到陶粒产品的强度和吸水率要求,而“干化—烧结”工艺能够得到合格的产品,且不会造成二次污染。

综合考虑产品性能与经济性,确定“干化—烧结”工艺适宜的物料配比为:干污泥占50%、添加剂A占30%～40%、添加剂B占10%～20%。

关键词:　城市污水厂污泥;　陶粒;　湿法;　干化;　烧结中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1000-4602(2007)07-0011-05Fea si b ility Research on S i n ter i n g M un i c i pa l Sewage Sludge forM anufactur i n g Hayd iteWANG Xing2run,　J I N Yi2ying,　DU Xin,　N I E Yong2feng(D epart m ent of Environm ental Science and Eng ineering,Tsinghua U niversity,B eijing100084,Ch ina) Abstract:　The feasibility of using t w o technol ogies“wet p r ocessing sintering”and“drying-sinte2 ring”t o sinter munici pal se wage sludge for manufacturing haydite was investigated experi m entally.The effect of the t w o different technol ogies and ra w material p r oporti on on the comp ressive strength,hygr o2 scop ic rate and density of the p r oducts was analyzed.The results show that the“wet p r ocessing sintering”technol ogy can not meet the require ment f or the comp ressive strength and hygr oscop ic rate of the haydite p r oduct,while the“drying-sintering”technol ogy can meet the require ment and can not cause secondary polluti on.Considering the p r oduct perf or mance and econom ic efficiency,the p r oper ra w material p r opor2 ti on f or the“drying-sintering”technol ogy is50%of dry sludge,30%-40%of additive A,and10% -20%of additive B. Key words:　munici pal se wage sludge;　haydite;　wet p r ocess;　drying;　sintering 污泥陶粒最早由Nakouzi S.等人提出[1],是以污泥为主要原料,掺加适量辅料后经成球、焙烧而成。

污泥陶粒技术在国内外的研究刚起步,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,达不到大规模处置污泥的目的,其工艺条件和原料配比亟需优化。

为此,笔者考察了利用城市污水厂污泥烧结制陶粒的两种工艺路线,并通过比较其产品性能指标,探寻适合我国国情的工艺路线,以便为污泥陶粒技术的工业化应用提供技术支持。

1　试验部分111　样品和装置试验用污泥样品为北京某污水处理厂的机械脱水污泥,其性质如表1所示。

第23卷　第7期2007年4月 中国给水排水CH I N A WATER&WASTE WATERVol.23No.7Ap r.2007表1　污泥样品的基本特性Tab .1　Essential characteristics of sludge sa mp le项目含水率/%有机质(干基)含量/%密度/(g ・c m -3)重金属含量/(mg ・kg -1)Cu Zn Pb Cd Cr N iHg A s 数值80.6681.07278.2621.0166.62.1103.854.61.77.6 干污泥的Si O 2含量低、烧失量大,且不具有烧胀性能,需添加一定量的辅料[2]。

试验中选用了3种常用、便宜的辅助原料(A 、B 和C ),其化学组成见表2。

表2　原料的化学组成Tab .2　Ele mental compositi on of experi m ental materials%项目P 2O 5Si O 2CaO Mg O Fe 2O 3A l 2O 3K 2O 、Na 2O 泥样32.9824.3710.6810.696.097.955.67A 49.553.480.984.8737.41.22B 54.336.652.126.7919.725.37C46.138.045.8514.8915.28.85 污泥烧结试验装置主要由温控仪、管式烧结炉、气体冷却洗涤装置、流量计和真空泵等几部分构成(见图1)。

图1　烧结试验装置Fig .1　Sche matic diagra m of sintering experi m ental device112　试验方法11211　“湿法造粒—烧结”试验“湿法造粒—烧结”(以下简称“湿法”)工艺的技术路线见图2。

造粒采用手动螺旋造粒机挤压成型得到直径为2c m 的圆条,再切割成高为1.5c m 左右的圆柱形坯料。

烧结工艺:100℃干燥30m in →350℃预热30m in →1150℃焙烧15m in →空气中自然冷却。

试验中固定污泥添加比为50%,这样既能显著提高污泥的处理量,又可使坯料的化学成分尽可能符合R iley 相图的要求。

采用如下的原料配比进行批次试验:脱水污泥为50%,其余50%参照由A 、B 和C为顶点的等边三角形(如图3)来确定不同批次试验中的配比,鉴于辅料C 的价格较贵,只考虑C 含量≤10%的情况,共11批次。

图2　“湿法造粒—烧结”工艺的技术路线Fig .2　Sche matic diagra m of “wet p r ocessing sintering ”method图3　批次试验的物料配比Fig .3　Sche matic diagra m of material rati o in batch ex peri m ent11212　“干化—烧结”试验“干化—烧结”(以下简称“干法”)工艺的技术路线见图4。

图4　“干化—烧结”工艺的技术路线Fig .4　Sche matic diagram of “drying -sintering ”method第23卷　第7期 中国给水排水 www .watergasheat .com 造粒采用粉末压片机加压成型,压力为7.5MPa 。

烧结工艺:350℃预热30m in →1150℃焙烧15m in →自然冷却。

批次试验的物料配比与湿法的相同,污泥质量按干质量计算。

113　分析项目及方法原料的化学组成采用SXF -1200型X 荧光光谱仪分析。

烧结产品的性能主要分析抗压强度、密度和吸水率。

其中,抗压强度采用Z W I CKZ005型万能材料试验机测定;密度通过测量体积和质量经计算获得;根据G B /T 17431.2—1998中规定的方法浸泡1h 后测定吸水率。

每批产品均取多个样品测试并取平均值。

为验证产品的环境安全性,按照G B 5086.2—1997中的水平振荡法对陶粒产品进行重金属溶出试验,重金属含量分析采用PROD I GY 型I CP -AES 。

2　结果与讨论211　两种工艺的可行性比较21111　产品的抗压强度两种工艺所制陶粒的抗压性能分别见图5、6。

图5　湿法产品强度随配方的变化Fig .5　Comp ressi on strength of p r oduct in “wet p r ocessingsintering ”method图6　干法产品强度随配方的变化Fig .6　Co mp ressi on strength of p r oduct in “drying -sintering ”method 图5显示,“湿法”烧结产品的抗压力<1000N,最大抗压力约920N ,达不到G B /T 17431.1—1998中对陶粒轻集料抗压强度的要求,不适合制取陶粒。

而“干法”所得产品的抗压力达10000N 左右,抗压强度约45MPa,折合筒压强度约35MPa,达到了G B /T 17431.1—1998中对密度等级为900kg/m 3轻集料的筒压强度>6.0MPa 的要求。

21112　产品的吸水率对两种烧结陶粒工艺所得产品的吸水率测定结果分别如图7、8所示。

图7　湿法产品吸水率随配方的变化Fig .7　Hygr oscop ic rate of p r oduct in “wet p r ocessingsintering ”method图8　干法产品吸水率随配方的变化Fig .8　Hygr oscop ic rate of p r oduct in “drying -sintering ”method 图7显示,“湿法”工艺的半数产品没能达到G B 2838—81中对粉煤灰陶粒吸水率<22%的要求。

“湿法”工艺产品强度低、吸水率高的原因主要在于产品存在开裂现象。

开裂的原因主要有:①坯料含水率高,干燥过程中有大量水蒸气涌出,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,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。

“干法”烧结避免了水蒸气的大量涌出,并且采www .watergasheat .com 王兴润,等:城市污水厂污泥烧结制陶粒的可行性研究第23卷　第7期用粉末压片加压成型、坯料强度更高的干法造粒工艺,使得所有产品都没有明显裂纹,吸水率比湿法的有了很大的下降。