污泥的粉煤灰调查和污泥陶粒的制备及应用研究

摘要

本论文将粉煤灰作为污泥调理剂，首先对城市污水厂污泥进行了脱水预处理效果研究。随后，以污泥、粉煤灰为原料，添加粘土为粘结剂，研究了污泥陶粒的烧制工艺，进行了中试生产，并在水处理实验中考察了其应用性能。在上述实验研究过程中，探讨了粉煤灰对污泥脱水的影响机理；研究了污泥中高含量有机物以及助熔剂对污泥陶粒性能的影响及作用机理，从而揭示了污泥陶粒的膨胀机理。本论文的主要研究内容及结果如下：
　　 1.以污泥比阻(SRF)、脱水速度、滤饼含水率等为考察指标，并以阳离子型聚丙烯酰胺(PAM)为对照，通过单因素实验对城市污水处理厂的剩余污泥进行了脱水效果研究。结果表明，随着粉煤灰投加量的提高，污泥比阻持续降低。当粉煤灰投加量达到2g/(100mL污泥)时，污泥比阻从0.92×109s2/g降至0.32×109S2/g，降低了65.2％。单独投加粉煤灰对降低脱水污泥含水率效果最明显，当粉煤灰投加量为3g/(100mL污泥)时，滤饼含水率降至66.9％。PAM的投加，只能将污泥含水率降至80％左右，当继续投加粉煤灰至3g/(100mL污泥)时，滤饼含水率可降为71.8％。PAM与粉煤灰联合投加可使污泥脱水速度提高90％以上。
　　 2.通过化学成分分析、微观形貌观察(SEM)、粒径分布、表面电负性(Zeta电位)等表征手段，结合脱水效果实验，认为粉煤灰降低污泥比阻的主要原因在于粉煤灰颗粒结构疏松多孔，分散性好，强度较大，作为骨架均匀分散在污泥絮体结构中，使污泥滤饼形成了透水性更好的多孔结构，降低了压缩程度，水分进出通道比较畅通，从而表现为污泥比阻的降低。粉煤灰和污泥表面都带负电荷，不能对污泥起到电性中和作用，而且粉煤灰的投加不能促进污泥颗粒粒径的长大，因此粉煤灰不会对污泥产生絮凝作用。
　　 3.结合污泥、粉煤灰、粘土的化学成分分析，塑性指数测定以及热重-差热(DSC-TGA)分析，分别以硬度、吸水率、密度等为考察指标，对原料配比、预热温度与时间、烧结温度与时间等工艺参数对污泥陶粒性能的影响进行了单因素实验，确定制备污泥陶粒的工艺参数为：原料配比中污泥含量不超过50％，粘土不低于50％；预热温度为400℃，预热时间20min；烧制污泥陶粒滤料时，烧结温度为1050℃，烧结时间为5min；烧制膨胀陶粒时，烧结温度为1150℃，烧结时间10min。实验结果表明，烧结温度是影响陶粒物理性能的最关键因素。随着温度的升高，越来越多的原料成分熔化成为玻璃态物质，使陶粒体积收缩，密度增大，表面增稠而致密，吸水率降低；当温度超过1125℃后，由于产气反应的发生，陶粒体内气压增大，体积膨胀，密度开始降低。
　　 4.通过考察预热温度对污泥陶粒密度和吸水率的影响，揭示山污泥中高含量有机物对污泥陶粒的膨胀作用机理为：ⅰ)有机膨胀剂(污泥中的有机物)在预热阶段(<500℃)发生了脱水和碳化，生成还原性的碳，ⅱ)在烧结阶段(1150℃)，先是无机膨胀剂中的碳酸盐(主要是CaCO3)、硫酸盐等分解为对应的氧化物和CO2、SO2，然后是Fe2O3在高温下分解为FeO、Fe3O4和O2，产生的这些气体使得陶粒体积产生一次膨胀；ⅲ)由氧化铁分解产生的O2与预热阶段产生的还原碳生成CO和CO2，这些二次气体使得污泥陶粒体积产生二次膨胀。
　　 5.通过研究不同原料配比及烧结温度对污泥陶粒物理性能和微观结构的影响，揭示了污泥中的助熔剂与烧结温度之间的相互作用机制为：高温下，污泥中较多的碱金属和碱土金属氧化物使得Si-O(桥氧)键断裂，破坏了[SiO4]四面体骨架网络的稳态结构，使其更易解体，从而生成了更多的玻璃态熔融体。故污泥陶粒更容易烧结，即烧结温度更低，烧结时间更短。
　　 6.通过对比污泥-粘土陶粒和粉煤灰-粘土陶粒的密度和膨胀率随烧结温度的变化规律，揭示了污泥陶粒的膨胀机理：当温度低于烧胀温度(1150℃)时，熔融物质的数量是决定污泥陶粒物理性能的关键因素。而熔融物质的多少与助熔剂有关，助熔剂越多，则成陶材料的熔点越低，在相同温度下熔化生成玻璃态物质就越多，导致收缩更剧烈，颗粒密度更大。当烧结温度达到膨胀温度后，决定污泥陶粒物理性能的关键因素演变为所产生气体的压力。当气体压力足以克服表面张力时，体积膨胀。1150℃后，开始发生产气反应，在污泥陶粒中，这类反应主要是碳和氧化铁之间的氧化还原反应，而还原碳来自预热阶段污泥中有机物的热解。因此，碳和氧化铁的含量以及它们之间的比例是气体产生量的两个决定因素。污泥陶粒中有机物和铁含量都较高，因此，产气量较大，导致内部的空隙率高从而降低了颗粒密度。
　　 7.通过陶粒中矿物成分的X射线衍射(XRD)分析，发现粘土陶粒中主要是钙长石、钠长石等长石类矿物，而污泥陶粒中的矿物成分主要是石英。正是由于高温下原料粉末颗粒之间的熔融烧结，形成了这些长石以及石英等架状硅酸盐晶体和玻璃相无定形物质，才使陶粒具有较高的强度和较大的硬度。
　　 8.通过以上污泥陶粒的烧制工艺研究和膨胀机理探讨，认为污泥陶粒滤料的烧结是一个不完全烧结和不完全烧胀的过程。一方面，通过烧结，使颗粒间键合，形成一定的结合力，提高机械强度；另一方面，要在陶粒内部产生气体使其体积膨胀，从而形成多孔的微观结构，降低密度；第三还要通过降低助熔剂等成分的含量，使陶粒表面不易熔融，从而提高表面孔隙率。
　　 9.对污泥陶粒的重金属浸出率进行了测定，结果表明，污泥陶粒(污泥：粘土=1:1)的重金属浸出浓度都低于1ppm，对重金属的固化率都超过80％，对总Pb的固化率达到了99.1％。通过高温烧结，污泥中的大部分重金属元素很可能与Si4+、Al3+等网络形成元素发生了类质同象置换，从而被牢牢固定在新的矿物晶体结构中。污泥陶粒作为水处理滤料，其稳定性和安全性符合应用要求。
　　 10.分别在实验室旋转电炉和工业回转窑内进行了污泥陶粒动态试验和中试生产，证明污泥陶粒烧制工艺合理，生产过程容易控制，产品性能稳定，具备工业化放大条件。将中试产品应用于曝气生物滤池中，进行了生活污水处理实验，结果表明污泥陶粒滤料有利于微生物生长和繁殖，各项性能不逊于商品陶粒，并在氨氮的去除方面更具优越性，是一种性能良好的水处理填料。
　　 通过以上研究，对粉煤灰调理后脱水污泥的处置及资源化途径进行了展望。对于小型污水厂而言，通过投加粉煤灰后压滤脱水使滤饼含水率降至60％以下，可以最经济的卫生填埋方式解决污泥问题。对于大型城市污水厂而言，采用PAM与粉煤灰联合脱水后，添加辅料烧制污泥陶粒，可以同时实现污泥无害化、资源化。