利用污水污泥制备轻质陶粒研究

摘要

污水处理厂排放的污水污泥具有高含水、高污染的特点，常用的填埋、堆肥、焚烧等处置方式要么无害化不彻底，要么处置成本过高，难以消纳迅速增长的排放量。一些研究表明，污水污泥烧制陶粒的资源化利用处置方式具有无害化彻底，资源化程度高的优点，在污水污泥处置方法中优势明显。但目前国内外对这种处置方式的研究基本上都是采用粘土与污水污泥混合，相当部分还对污水污泥预先进行了干化处理，并且基本没有工业化生产工艺设计的研究，从而难以推向实际应用。选择合适的混合材料，对高含水率原状污水污泥的直接利用并尽量提高其利用量，以及根据实际特点设计合理的生产工艺，是将此项技术迅速推向工业化应用的关键。
　　 本文采用页岩与含水率80％左右的原状污水污泥混合制备轻质陶粒，研究了原料配比和热工工艺参数，对轻质陶粒的矿物组成和孔结构形貌进行了表征与分析，探讨了污水污泥对轻质陶粒制备的影响，进行了工业化生产工艺的初步设计。
　　 通过正交试验方法确定了制备超轻陶粒最佳的热工工艺参数：预热温度400℃、预热时间10min、焙烧温度1150℃、焙烧时间12min；制备出表观密度510kg/m3，吸水率5.8％，颗粒强度200N的优质超轻陶粒。研究结果表明，污水污泥掺量在20～30％时，制备陶粒的表观密度最小，能使陶粒的表观密度由1700kg/m3降低到500kg/m3左右，但污泥掺量进一步增多，其表观密度又呈增加趋势，污泥掺量对陶粒强度的影响规律与对表观密度的影响规律相似，吸水率则随着污泥掺量的增加而增大，在获得轻质陶粒的基础上，兼顾污水污泥利用量以及陶粒生料成球对含水率要求的同时，确定污水污泥最佳掺量为30％。适当降低预热温度和缩短预热时间，以及提高焙烧温度和延长焙烧时间，都有利于陶粒的烧胀，获得轻质性能更好的陶粒。污水污泥与页岩的混合均匀程度对陶粒性能影响的研究结果表明，污水污泥掺量在20％～30％时，污水污泥与页岩的混合均匀程度对陶粒性能的影响程度并不大。页岩细度对陶粒性能影响的研究结果表明，页岩中只要含有一定量的细粒径粉料时，含有一定量较粗颗粒不会对陶粒性能造成较大的影响。
　　 XRD结果显示，陶粒的主要矿物晶相为α-石英(α-SiO2)、蓝晶石(Al2O3·SiO2)及钙长石(CaO·2Al2O3·2SiO2)等，随着污泥掺量增加、焙烧温度升高、焙烧时间延长，α-石英(α-SiO2)的峰强明显降低，显示出陶粒料球焙烧熔融状态的增强。IR结果表明，随着焙烧温度升高、焙烧时间延长，陶粒Si-O四面体的对称伸缩振动波数降低非常明显，说明Si-O四面体的聚合度随着焙烧温度的升高或焙烧时间的延长明显降低，架状结构的Si-O四面体断裂形成链状或是岛状类的结构，从而表现为焙烧时陶粒料球熔融程度增加。污泥掺量增加时，陶粒Si-O的对称伸缩振动波数变化不大，说明此时α-石英的熔融并不是以加剧Si-O四面体解聚的形式，而Fe的价态由赤铁矿(Fe2O3)向方铁矿(FeO)的转变，反应了陶粒料球焙烧时的还原环境的增强，DSC结果表明，还原气氛有利于陶粒坯体在高温下的熔融及发气，因此，污泥掺量增加时，可能陶粒料球焙烧时更倾向于生成其他的共融矿物进而熔融。
　　 SEM结果显示，污水污泥能促使陶粒内部产生大量孔洞，但掺量较多时，则会出现孔洞的连通和坍缩；预热温度提高，陶粒的表层壳结构都增厚；焙烧温度越高，焙烧时间越长，陶粒内部气孔尺寸变大，并逐渐由孤立到连通，最后组合成大孔形状，变为规则类球状。结合SEM图片，采用周长-面积模型计算了陶粒孔轮廓的分形维数，对孔结构进行初步的定量表征。
　　 根据页岩硬度较低以及粉粒态页岩和絮凝态污水污泥的混合要求，设计直接采用相对简便的二级细碎页岩工艺，再结合后续的轮辗进一步碾磨细化工艺，省去了磨细、筛分工艺；设计了初步混合污水污泥与细碎页岩后，将混合物堆放陈化工艺；匀化工艺设计采用两次双轴搅拌机搅拌混合、陈化机械翻动混合、轮碾挤压揉捏混合的多重混合工艺，而且将这些工艺过程与生料制备与预处理、物料存储与传输结合起来；整体采用塑性造粒成球双筒转窑工艺。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1污水污泥处置技术现状

1.2利用污水污泥制备陶粒研究现状

1.3论文主要研究目的、思路和内容

1.3.1论文研究目的

1.3.2总体研究思路

1.3.3主要研究内容

2试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验方法

2.3.1陶粒制备

2.3.2陶粒性能指标测定

2.3.3其他试验

3污水污泥页岩轻质陶粒的制备及工艺参数研究

3.1污水污泥页岩轻质陶粒的制备

3.2污水污泥掺量对陶粒性能的影响

3.3热工制度对陶粒性能的影响

3.3.1预热对陶粒性能的影响

3.3.2焙烧对陶粒性能的影响

3.4污水污泥与页岩混合均匀度对陶粒性能影响

3.4.1试验设计

3.4.2混合均匀度对陶粒性能的影响

3.4.3混合均匀度对陶粒微观孔结构的影响

3.5页岩细度对陶粒制备与性能影响的研究

3.5.1页岩细度对陶粒制备的影响

3.5.2页岩细度对陶粒性能的影响

3.6粒型对陶粒性能的影响

3.7本章小结

4污水污泥页岩轻质陶粒的矿物组成与微观结构研究

4.1陶粒烧制过程的物理化学变化与烧胀机理

4.1.1陶粒制备过程的主要物理化学变化

4.1.2陶粒烧胀机理

4.2污水污泥页岩轻质陶粒的矿物组成

4.2.1原料配比对陶粒矿物组成的影响

4.2.2热工制度对陶粒矿物组成的影响

4.3污水污泥页岩轻质陶粒的微观结构

4.3.1原料配比对陶粒微观结构的影响

4.3.2热工制度对陶粒微观结构的影响

4.3.3陶粒孔结构的分形特征研究

4.4本章小结

5污水污泥页岩轻质陶粒生产工艺设计

5.1轻质陶粒生产工艺简介

5.1.1原料磨细工艺及设备

5.1.2造粒成球工艺及设备

5.1.3烧制工艺及设备

5.2污水污泥页岩轻质陶粒生产工艺设计

5.2.1细碎免磨工艺设计

5.2.2陈化堆存工艺设计

5.2.3匀化工艺的设计

5.2.4造粒成球工艺的设计

5.2.5生产工艺总体设计

5.3本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录