CN101381212A - 一种污泥建材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种污泥建材及其制备方法，具体涉及利用生污泥做建材及其制备方法。本发明建材由污泥，页岩，粉煤灰组成。本发明方法是利用现有城市污水处理厂的重力浓缩池，采用现有重力浓缩工艺，在池中的生污泥中加入页岩和粉煤灰，用排出的浓缩混合物直接作为建材或对浓缩混合物进一步脱水而得成品。本发明建材的组分少，污泥利用量大。本发明方法简单，工艺成熟，成本低，并为污泥的资源处理和利用提供了新途径，解决了城市污水处理厂的占地多，投资难，污染环境的难题。本发明方案可广泛应用于采用连续流重力浓缩工艺的城市污水处理厂中。采用本发明方案制备出的产品可广泛应用于制备建筑砖，陶粒等。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种利用生污泥做建材及其制备方法。
背景技术
随着我国城市建设的快速发展，城市污水处理建设也在飞速发展中。污水处理厂在污水处理过程中产生的生污泥含水率一般为99％左右，基本为水状，具有含水率高，体积大，易腐败，有恶臭的特点，同时含有大量的有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等，因此，需要及时并妥善处理与处置。生污泥经浓缩后得到的浓缩污泥的含水率降到95～97％，近似糊状，保持流态。浓缩污泥通过脱水处理得到的脱水污泥的含水率可以降到75～85％，转为絮凝态，失去流动性。现有生污泥浓缩的方法一般有重力浓缩、气浮浓缩、离心浓缩等，其中重力浓缩因节能而应用最为广泛。重力浓缩是生污泥在重力场的作用下，其中的固体颗粒自然沉降从而达到分离的浓缩方式，本质上是一种沉淀工艺。目前常用的重力浓缩池，其基本工况为中心进生污泥，底部排浓缩污泥，上部周边溢流清夜，在池的底部还装设有与刮泥机一起转动的垂直搅拌栅，能提高浓缩效果。该方法的主要缺点是：①占地面积大，卫生条件差。②不进行曝气搅拌时，在浓缩池内可能发生污泥厌氧消化、膨胀、上浮等现象。其厌氧状态使污泥已吸收的磷释放，重新进入上层清夜之中；池中污泥膨胀严重时，不得不把浓缩池的污泥全部放空，从而严重影响污水处理厂的运行；污泥上浮导致固液分离受阻，影响浓缩效果。③重力浓缩污泥，仅使其固液分离，且浓缩后污泥的含水率较高，近似糊状，不能直接利用，需堆放起来等待后续处置，如调理、脱水等。这进一步增大占地面积，造成二次污染，还需要后续处理的投资，增加污泥处理处置成本。因此，此法急待改进。
城市污泥是城市污水厂处理污水的副产物，成分复杂，含有大量的有机残片，细菌菌种，病毒，无机颗粒和胶体等。因此，污泥处理需经过浓缩、消化，调理，脱水等复杂过程，处理费用高。我国用于污泥处理的费用占污水处理厂全部费用的20～50％，甚至有的高达70％。目前，我国已建成运转的城市污水处理厂400余座，年处理能力110多亿m3，年产浓缩、脱水、及干燥处理后的干污泥3.0×105吨，并以每年5～10％的速度增长。面对我国城市污水处理的飞速发展和污泥处理投资运行困难的问题，急待解决适合我国实际的污泥处理方法和污泥资源化利用的难题。
现有污泥资源化利用的方法，如污泥与粉煤灰制砖，以浓缩并脱水后的含水率为85％的污泥和粉煤灰为原料，按污泥：粉煤灰的重量比为1:3的比例混合搅拌均匀，经制坯，烘干，焙烧为成品。又如污泥陶粒，以浓缩，脱水，干燥后的含水率为50％的污泥和黏结材料及助熔材料为原料，经加工成球后，在回转窑焙烧而成成品。再如2005年4月第6卷第4期《环境污染治理技术与设备》中“页岩砖生产过程中用城市污泥为部分原料的试验研究”一文，公开的将城市污水处理厂的脱水污泥，先经干燥制备成干污泥粉，后在页岩粉中掺加入10％的干污泥粉，再加水混合均匀后采用普通隧道窑，经过干燥，焙烧为成品。现有污泥资源化利用方法的主要缺点有：①所用污泥多为干化处理后的污泥，不是脱水污泥的直接利用，更不是生污泥的直接利用。②污泥的利用量少，仅占10～25％，未充分利用污泥资源。③污泥中的水分未充分利用，现有方法用干污泥为原料制作砖，陶粒等建筑材料时，在制坯或造粒时还需要加水。
发明内容
本发明的目的是针对现有生污泥重力浓缩方法和污泥资源化利用方法的不足之处，提供一种污泥建材及其制备方法，具有材料组分简单，污泥利用量很大，能利用现有城市污水处理厂常用的重力浓缩池，采用现有的重力浓缩工艺，进行生污泥重力浓缩，并能充分利用污泥中所含的水分，生产成本低，能耗低，工艺简单等特点。
本发明的机理为：生污泥的重力浓缩是固体颗粒在重力的作用下沉淀从而产生固液分离的过程。重力浓缩中，生污泥颗粒的细度、形状、密度等特征对其沉降过程产生重要影响。页岩是一种高硅铝质的矿石，矿物组成主要是一些黏土矿物，也含有一些陆源碎屑矿物和自生的非粘土矿物，以及一定的有机物质。页岩的主要化学成分是SiO2与Al2O3。SiO2来自于石英、长石和粘土矿物，Al2O3来自于粘土矿物。我国页岩资源丰富，量大面广，其具有性能稳定、塑性指标适宜、成型性能良好、烧结范围较宽、制品强度高的特点，是一种生产烧制砖、陶粒等建材的理想原料。如页岩烧结砖，属于新型墙体材料，在我国已有40年的生产历史，它是取代烧结粘土砖最好的产品之一。页岩砖的生产工艺流程为：原料处理→成型→干燥→烧成。但传统烧制页岩砖的方法是先将各原料粉体均匀混合，再在固态原料中掺加水后搅拌混合制样，最后经焙烧而成，其主要缺点是使生产中的能源消耗与用水量大大增加，不利于节约能源与宝贵的水资源。粉煤灰是一种工业废渣，其中SiO2与Al2O3含量较高，同时含有铁盐，将其加入污泥中不仅提高可烧制成分含量，还具有絮凝的效果。页岩粉与粉煤灰掺入生污泥中，由于生污泥颗粒的絮凝作用，会与页岩粉，粉煤灰吸附在一起，增加其颗粒的密度，从而增加混合物颗粒与水之间的密度差，加强混合物颗粒沉降的程度，同时也防止浓缩过程中的上浮、膨胀等现象。同时，页岩粉，粉煤灰在浓缩近似液态污泥的过程中，通过颗粒之间的随机渗流和碰撞吸附，可实现三种材料之间的均匀混合。浓缩后的混合物经过脱水可进一步降低其含水率，得到混合均匀度、原料化学成分和塑性状态适合生产砖、陶粒等建材的原料，可直接进行加工成型，进而生产建材产品。
实现本发明目的的技术方案是：一种污泥建材的组分及其重量百分数如下：
污泥： 70～99％
页岩： 0.5～20％
粉煤灰：0.5～10％。
其中：污泥为污水处理厂的生污泥；页岩为建材生产用页岩粉；粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物。
一种污泥建材的制备方法，以生污泥，页岩，粉煤灰为原料，利用现有城市污水处理厂的重力浓缩池，采用现有的重力浓缩工艺，即从池的中心进生污泥，在池中掺加入页岩和粉煤灰，池底部排放浓缩混合物，池上部周边溢流清夜，然后直接利用浓缩混合物或对浓缩混合物进行脱水而制得成品。具体的步骤如下：
(1)原料粉的制备
将页岩经粉磨设备磨细后，再于孔径为40目的筛分设备上过筛，收集过筛的页岩粉，备用。粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物。
(2)生污泥的重力浓缩
第(1)步完成后，在现有城市污水厂的重力浓缩池中，投加入第(1)步制备出的页岩粉及粉煤灰，搅拌混合均匀。采用现有的重力浓缩工艺进行重力浓缩，即通过进泥泵在池的中心进生污泥，通过排泥泵在池的底部排浓缩混合物，在池上部的周边溢流清夜。其污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为70～99％:0.5～20％:0.5～10％(其中，生污泥的密度为1.005～1.15g/cm3)。页岩粉和粉煤灰的投加量，根据建材产品的要求确定。收集重力浓缩池排放出的浓缩混合物，就制备出含水率为65～80％的污泥和页岩及粉煤灰混合物建材。
(3)浓缩混合物的脱水
第(2)步完成后，将第(2)步收集的浓缩混合物，通过传送皮带直接输入到转筒式离心脱水机或带式压滤机中，进行连续运行脱水处理。转筒式离心脱水机的离心速率为1500～6000r/min。带式压滤机用滤布挤压污泥脱水，其滤带张力为0.3～0.7MPa。就制备出含水率为35～55％的污泥和页岩及粉煤灰混合物建材，可广泛应用于制备建筑砖，陶粒等。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：
(1)本发明方法简单，生产成本低。本发明方法是利用污水处理厂现有的重力浓缩池，采用现有的重力浓缩工艺，以直接利用生污泥为目的，进行污泥处理。这不但方法简单，工艺成熟，成本低，而且还为资源处理污泥和利用污泥提供了很好的途径。解决了城市污水处理厂占地多，投资难及环境污染的难题，具有很好的环境效益和社会经济效益。
(2)通过加入页岩和粉煤灰，消除重力浓缩过程中常出现的污泥上浮，膨胀等现象，从而改善固体颗粒的沉降性能，提高浓缩效率。
(3)可直接并充分利用污泥中的水分，有效节约水资源，减少运营成本。
(4)页岩的加入可降低出厂污泥的臭味，降低了污泥处置过程的不利影响。
(5)本发明有效使用粉煤灰，为粉煤灰的深度综合利用开辟了新的途径。
(6)直接利用污水处理厂的生污泥，减少大体积污泥的堆放和后续处理，从而降低了污水处理厂的成本，并具有较好的环境效益。
(7)利用重力浓缩过程，完成了页岩，粉煤灰与污泥的均匀混合，为污泥的资源化利用提供了良好的条件。
(8)由于污泥中含有50％以上有机物，焙烧时会产生大量热量，因此，将其用于建材制品的烧制时，有节煤节能的效果。
本发明方法可广泛应用于采用连续流重力浓缩工艺的污水处理厂中。采用本发明方法制出的产品，可广泛应用于制备建筑砖，陶粒等。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1
一种污泥建材的组分及其重量百分数如下：
污泥： 70％
页岩： 20％
粉煤灰：10％。
其中：污泥为污水处理厂的生污泥；页岩为建材生产用页岩粉；粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
将页岩经粉磨设备磨细后，再于孔径为40目的筛分设备上过筛，收集过筛的页岩粉，备用。粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物。
(2)生污泥的重力浓缩
第(1)步完成后，在现有城市污水厂的重力浓缩池中，投加入第(1)步制备出的页岩粉及粉煤灰，搅拌混合均匀。采用现有的重力浓缩工艺进行重力浓缩，即通过进泥泵在池的中心进生污泥，通过排泥泵在池的底部排浓缩混合物，在池上部的周边溢流清夜。其污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为70％:20％:10％(其中，生污泥的密度为1.005g/cm3)。页岩粉和粉煤灰的投加量，根据建材产品的要求确定。收集重力浓缩池排放出的浓缩混合物，就制备出含水率为65％的污泥和页岩及粉煤灰混合物建材。
实施例2
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 74％
页岩： 17％
粉煤灰：9％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为74％:17％:9％，混合物建材的含水率为72％。
实施例3
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 77％
页岩： 15％
粉煤灰：8％
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为77％:15％:8％，混合物建材的含水率为80％。
实施例4
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 80％
页岩： 13％
粉煤灰：7％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为80％:13％:7％(其中，生污泥的密度为1.08g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
第(2)步完成后，将第(2)步收集的浓缩混合物通过传送皮带直接输入到转筒式离心脱水机中，进行连续运行脱水处理。转筒式离心脱水机的离心速率为1500r/min。制备出含水率为35％的由污泥和页岩及粉煤灰混合物构成的建材，可广泛应用于制备建筑砖，陶粒等。
实施例5
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 83％
页岩： 11％
粉煤灰：6％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为83％:11％:6％(其中，生污泥的密度为1.08g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
同实施例4。特征是：转筒式离心脱水机的离心速率为3500r/min，混合物建材的含水率为37％。
实施例6
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 85％
页岩： 10％
粉煤灰：5％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为85％:10％:5％(其中，生污泥的密度为1.08g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
同实施例4。特征是：转筒式离心脱水机的离心速率为6000r/min，混合物建材的含水率为40％。
实施例7
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 92％
页岩： 5％
粉煤灰：3％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为92％:5％:3％(其中，生污泥的密度为1.15g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
同实施例4。特征是：采用带式压滤机进行脱水，其滤带张力为0.3MPa，混合物建材的含水率为45％。
实施例8
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 96％
页岩： 2％
粉煤灰：2％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为96％:2％:2％(其中，生污泥的密度为1.15g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
同实施例4。特征是：采用带式压滤机进行脱水，其滤带张力为0.5MPa，混合物建材的含水率为50％。
实施例9
一种污泥建材的组分及重量百分数的特点如下：
污泥： 99％
页岩： 0.5％
粉煤灰：0.5％。
一种污泥建材的制备方法步骤如下：
(1)原料粉的制备
同实施例1。
(2)生污泥的重力浓缩
同实施例1。特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为99％:0.5％:0.5％(其中，生污泥的密度为1.15g/cm3)。
(3)浓缩混合物的脱水
同实施例4。特征是：采用带式压滤机进行脱水，其滤带张力为0.7MPa，混合物建材的含水率为55％。
实验结果
按实施例1～9的方法制备出的建材，根据国标GB/T 176-1996《水泥化学分析方法》等测试方法，测量其主要化学组成、烧失量、塑性指数、含水率指标，结果如下：
表1 建材的主要性质检测结果
| 实施例 | SiO2(％) | Al2O3(％) | Fe2O3(％) | CaO(％) |
| 1 | 59.87 | 14.15 | 4.97 | 4.82 |
| 2 | 59.16 | 13.92 | 4.85 | 4.75 |
| 3 | 57.65 | 13.25 | 4.56 | 4.71 |
| 4 | 57.14 | 12.45 | 3.97 | 4.06 |
| 5 | 56.74 | 12.48 | 3.32 | 3.97 |
| 6 | 55.97 | 11.25 | 3.58 | 3.78 |
| 7 | 55.91 | 11.31 | 3.25 | 3.84 |
| 8 | 54.78 | 11.29 | 3.17 | 3.52 |
| 9 | 54.82 | 10.97 | 2.97 | 3.14 |
续表1 建材的主要性质检测结果
| 实施例 | 烧失量(％) | 塑性指数 | 含水率(％) |
| 1 | 12 | 10 | 65 |
| 2 | 11 | 10 | 72 |
| 3 | 10 | 9 | 80 |
| 4 | 9 | 9 | 35 |
| 5 | 9 | 8 | 37 |
| 6 | 9 | 7 | 40 |
| 7 | 8 | 7 | 45 |
| 8 | 8 | 7 | 50 |
| 9 | 8 | 7 | 55 |
以上结果表明，采用本发明方法得到的污泥建材的特性如下：
①主要化学成分含量适宜，满足适于生产砖、陶粒等建材的原料化学组成要求。如SiO2含量为55％左右，Al2O3含量为12％左右，Fe2O3与CaO含量为4％左右，在适宜温度下具有良好的烧胀性。
②烧失量在10％左右，满足获得良好膨胀性所要求的4～13％范围；塑性指数均达到建材生产时要求的指标；含水率适宜，可根据具体生产情况配料，生产满足要求的建材成品。
因此，采用本发明方法得到的建材，其主要性能满足生产砖、陶粒等建材产品原料的要求，可应用于生产之中，具有较好的经济效益与环境效益。
Claims (11)
1.一种污泥建材，其组分及其重量百分数如下：
污泥： 70～99％
页岩： 0.5～20％
粉煤灰： 0.5～10％
其中：污泥为污水处理厂的生污泥；页岩为建材生产用页岩粉；粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物。
2.按照权利要求1所述的一种污泥建材，其特征在于：
污泥： 70％
页岩： 20％
粉煤灰： 10％。
3.按照权利要求1所述的一种污泥建材，其特征在于：
污泥： 80％
页岩： 13％
粉煤灰： 7％。
4.按照权利要求1所述的一种污泥建材，其特征在于：
污泥： 99％
页岩： 0.5％
粉煤灰： 0.5％。
5.一种污泥建材的制备方法，其具体的步骤如下：
(1)原料粉的制备
将页岩经粉磨设备磨细后，再于孔径为40目的筛分设备上过筛，收集过筛的页岩粉，粉煤灰为燃煤电厂锅炉的废弃排放物；
(2)生污泥的重力浓缩
第(1)步完成后，在现有城市污水厂的重力浓缩池中，投加入第(1)步制备出的页岩粉及粉煤灰，搅拌混合均匀，采用现有的重力浓缩工艺进行重力浓缩，即通过进泥泵在池的中心进生污泥，通过排泥泵在池的底部排浓缩混合物，在池上部的周边溢流清夜，其污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为70～99％：0.5～20％：0.5～10％，页岩粉和粉煤灰的投加量，根据建材产品的要求确定，收集重力浓缩池排放出的浓缩混合物，就制备出含水率为65～80％的污泥和页岩及粉煤灰混合物建材；
(3)浓缩混合物的脱水
第(2)步完成后，将第(2)步收集的浓缩混合物，通过传送皮带直接输入到转筒式离心脱水机或带式压滤机中，进行连续运行脱水处理，转筒式离心脱水机的离心速率为1500～6000r/min，带式压滤机用滤布挤压污泥脱水，其滤带张力为0.3～0.7MPa，就制备出含水率为35～55％的污泥和页岩及粉煤灰混合物建材。
6.按照权利要求5所述的一种污泥建材的制备方法，其特征在于：
(1)原料粉的制备
同权利要求5；
(2)生污泥的重力浓缩
同权利要求5，特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为70％：20％：10％，混合物建材的含水率为65％。
7.按照权利要求5所述的一种污泥建材的制备方法，其特征在于：
(1)原料粉的制备
同权利要求5；
(2)生污泥的重力浓缩
同权利要求5，特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为80％：13％：7％；
(3)浓缩混合物的脱水
同权利要求5，特征是：采用转筒式离心脱水机进行脱水，离心速率为1500r/min，混合物建材的含水率为35％。
8.按照权利要求5所述的一种污泥建材的制备方法，其特征在于：
(1)原料粉的制备
同权利要求5；
(2)生污泥的重力浓缩
同权利要求5，特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为85％：10％：5％；
(3)浓缩混合物的脱水
同权利要求5，特征是：采用转筒式离心脱水机进行脱水，离心速率为6000r/min，混合物建材的含水率为40％。
9.按照权利要求5所述的一种污泥建材的制备方法，其特征在于：
(1)原料粉的制备
同权利要求5；
(2)生污泥的重力浓缩
同权利要求5，特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为92％：5％：3％；
(3)浓缩混合物的脱水
同权利要求5，特征是：采用带式压滤机进行脱水，其滤带张力为0.3MPa，混合物建材的含水率为45％。
10.按照权利要求5所述的一种污泥建材的制备方法，其特征在于：
(1)原料粉的制备
同权利要求5；
(2)生污泥的重力浓缩
同权利要求5，特征是：污泥：页岩：粉煤灰的重量百分比为99％：0.5％：0.5％；
(3)浓缩混合物的脱水
同权利要求5，特征是：采用带式压滤机进行脱水，其滤带张力为0.7MPa，混合物建材的含水率为55％。
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