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摘要：以城市污水处理厂污泥、粉煤灰为主要原料辅以粘土，通过高温烧结法制备轻质陶粒集料，探究了污泥掺量、粉煤灰掺量、烧制温度、烧制时间对陶粒性能的影响。最终以25%污泥、35%粉煤灰、40%粘土为原料，在1050℃的条件下煅烧16min，制得强度32.8MPa、吸水率16.97%的陶粒集料。
关键词：污泥；陶粒；粉煤灰
1引言
城市污泥是在污水处理过程中所产生的固态或半固态物质[1]。随着我国经济发展速度和城市化进程的加快，城市污水处理产生的污泥量不断增加。在这些污泥中含有机物、氮、磷、重金属及病原菌等多种物质。当前污泥的处理处置以焚烧、堆肥、填埋为主，能耗巨大且处理效果不理想，容易造成二次污染[2]。本研究以脱水污泥为主要原料烧制陶粒，将污泥变“废”为“宝”，使其成为一种有用的资源，实现了经济效益、环境效益和社会效益的较好结合。
本实验针对目前污水处理厂产生的大量脱水污泥，拟研究利用污泥配以其他适宜的辅料（粉煤灰、粘土）混合高温烧结制取陶粒。实验过程中，尽可能地提高脱水污泥的使用百分比，通过控制烧结温度和烧结时间，制得符合标准的轻质陶粒。
2 实验材料与方法
2.1 实验原料：
实验原料包括：脱水污泥，取自太原市北郊污水处理厂；粉煤灰为山西某电厂产的Ⅱ级粉煤灰；粘土取自石家庄某工业园。
2.2实验方法
首先将原料用万能粉碎机粉碎至所需要细度，并进行筛分，然后按照不同的比例分别称取污泥、粉煤灰、粘土，并将其放入烧杯中反复搅拌均匀，再缓慢滴加蒸馏水至混合原料呈潮湿状即停止。造粒时采用手工造粒，制成粒径为4~6 mm的球状颗粒。制备后的陶粒放入培养皿中，然后在干燥器内于100 ℃下烘到20~24 h至烘干。将烘干的陶粒装入坩埚内并放入箱式电阻炉中，在一定温度条件下进行煅烧，最后使之自然降温取出即可。
3实验结果与讨论
3.1 原料配比
图1 污泥掺量对陶粒性能的影响 图2 粉煤灰掺量对陶粒性能的影响
从图1、图2可知，随着污泥掺量、粉煤灰掺量的分别增加，陶粒强度均呈现先增高后降低的趋势。当污泥掺量为25%时，样品的抗压强度最大、吸水率最小。污泥陶粒坯体在高温焙烧下，料球内层的C在缺氧条件下生成CO，提供的还原气氛使铁氧化为FeO。FeO是一种较强的高温熔剂，使陶粒坯体中的高温液相量增加，液相烧结性能增强，使烧结致密化速度和最终的陶粒制品的密度提高，从而使陶粒的抗压强度明显提高[3-4]。当污泥含量超过25%时，污泥中的有机成分氧化释放的能量就会降低熔体的粘度，增加了成孔的气体量，从而使其气孔率增大，使陶粒强度变小，吸水率增加。
当粉煤灰掺量为35%时，陶粒的强度最大。这是由于当加入粉煤灰的量增加时，陶粒坯体中高温熔剂也随之增加，使陶粒高温液相量增加，液相烧结性能增强，从而使陶粒的强度变大；随着粉煤灰添加比例的增高，粘土的添加量相应减小。由于粉煤灰中的可燃成分远远大于粘土[5]，将导致陶粒失重明显，孔隙率增加，从而使陶粒的强度变小，吸水率增大。
3.2 工艺条件
图3 煅烧温度对陶粒性能的影响 图4 煅烧时间对陶粒性能的影响
由图3可知，焙烧温度对陶粒的强度和吸水率有较大的影响。随着焙烧温度的升高，陶粒的强度降低，吸水率减小。这是由于制备陶粒的原料中粉煤灰和粘土的比例较大，其自身含有比例较高的可熔融物质，而助熔剂含量相对较小，从而导致陶粒坯料的熔点较高，当焙烧温度较低时，陶粒表面不出现熔融层，陶粒不能烧胀[6]，所以此时强度较高，但不能获得轻质陶粒。同时，焙烧温度直接影响着陶粒表面液相的形成，随着液相量的增多，陶粒表面将会覆盖不透水的釉层，这将导致吸水率的降低。综合陶粒的性能以及能耗等多方面因素，选择陶粒的最佳焙烧温度为1050 ℃。
由图4可以看出，随着焙烧时间的增长，陶粒的强度和吸水率都呈现先增大后减小的趋势。这是由于当烧制温度一定时，烧制时间过长会使原本处于不连通状态的的毛细微孔互相连接，形成大的气孔，从而降低陶粒的强度。同时，过长的烧制时间也将使生成的熔融物过多，陶粒表面生成的釉质过厚，降低其吸水率[7]。所以，选择最佳的焙烧时间为16 min。
4 结论
以城市污水处理厂脱水污泥、工业粉煤灰、粘土为原料，在箱式电阻炉中，在1050 ℃条件下，可以制备出符和标准的烧胀陶粒。在陶粒制备的过程中加入少量的污泥可以提高陶粒的抗压强度。当污泥质量分数为25%时，样品的抗压强度最大。经试验证明，最佳预热温度、预热时间、煅烧温度、煅烧时间分别为450 ℃、20 min、1050 ℃、16 min，污泥陶粒样品具有较为理想的轻集料性能。
参考文献：
[1]周少奇编著．城市污泥处理处置与资源化[M]．广州：华南理工大学出版社，2002，1-3
[2]翟云波，魏先勋，曾光明等.城市污水处理厂污泥资源化利用途径探讨[J].工业水处理，2004，24（2）8一9.
[3]章金骏.污泥烧制陶粒的技术路径与控制因子研究（D）.浙江：浙江大学，2012
[4]李仁波.污泥陶粒的制备及其在废水处理中的应用研究（D）山东：山东大学，2008
[5]陈 伟，樊传刚，王健，裴立宅.城市水处理污泥陶粒的制备与性能表征[J].安徽工业大学学报，2011（1）21—22
[6]徐杰.污泥烧结制陶粒机理及工艺研究（D）辽宁：沈阳航空工业学院，2010
[7]Nakouzi S.，Mielwski D.，Ball J C.，et al.Novel Approach to Paint Sludge Recycling[J].Journal of Material Research，1998，13（1）：53-60.
论文作者:郑坚文
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/8
标签：陶粒论文; 污泥论文; 吸水率论文; 粉煤灰论文; 粘土论文; 强度论文; 温度论文; 《防护工程》2019年第7期论文;