CN102050586B - 一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，以重量百分比计，将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙按原料配方配置后混合，以重量份数计，向100份生料中加入0.5～2.5份污泥，污泥为城市污水厂污泥；混合均匀后在温度为1450℃～1500℃进行煅烧45min～60min，制成水泥熟料；最后按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量份数比研磨成水泥产品。本发明利用水泥厂现有生产工艺，添加少量城市污水厂污泥开发合格水泥标号产品，使之减少污染，实现资源的再生利用，产品性能同水泥级别为P.O42.5普通硅酸盐水泥基本一致，可适应于同类型的工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种普通硅酸盐水泥，特别是涉及一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，具体涉及一种利用城市污水厂污泥、石灰石、砂页岩、铁矿石、河沙、粉煤灰和石膏生产级别为P.O42.5普通硅酸盐水泥的方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，城市污水的排放量越来越大，相应的污水处理能力以及污水处理率也在不断提高，然而污水处理厂的污泥产量也不断随之增长，由于其量较大，含水率高，含有大量有机质、病菌，寄生虫和重金属等，如果处理处置不当，会给环境带来严重的二次污染。现有的填埋、污泥堆肥、农用和污泥焚烧等传统的污泥处理方式由于自身的不足使污水厂污泥处理成为解决城市环境问题的热点，而处理过程中实现污泥的资源化又成为了探索污泥彻底根治的最有效途径之一。对于现有水泥行业来说，属于高能耗产业，随着我国产业政策的变化，利用水泥窑处理废物将是一大发展趋势，对于水泥厂协同处理城市污水厂污泥在国内却少有报道。所以，利用城市污水厂污泥作为现有水泥厂生产工艺中的少量煤质添加剂开发生态水泥，使之减少污染，实现污泥的有效的减量化、无害化和资源化是一项具有经济效益和环境效益的资源再利用工程。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，在处理城市污水厂污泥的同时实现变废为宝。
本发明中，生料是指水泥厂用于生产普通硅酸盐水泥所用到的石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙经过率值计算并进行配比得到的。城市污水厂污泥是指处理污水所产生的固态、半固态及液态的废弃物，包括从废水中直接分离出来的和在废水处理过程中产生的剩余污泥。
本发明利用水泥窑自身所产生的高温环境来处理城市污水厂污泥中的含有大量有机质、病菌，寄生虫和重金属等，特别是其中的病菌、寄生虫、难降解有机物，如POPs(Persistent Organic Pollutants)等。对于重金属的处理主要是利用水泥在进行熟料煅烧过程中将其固定在Si、Al、Fe和O开成的八面体和四面体结构中，特别是利用重金属代替Al3+和Ca2+而被包围在Si-O所形成的网状结构中。而别一部分则是能用水泥产品的水化将重金属固定在其天成的C-S-H相中，如Cr、Cd、Ni、Zn和Pb等。
本发明目的通过以下的技术方案实现：
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤和工艺条件：
(1)生料配置：以重量百分比计，将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙按如下原料配方配置后混合，石灰石87.50±0.2％、砂页岩5.84±0.2％、河沙1.12±0.1％和铁矿石5.82±0.2％；所述原料配方中各种原料以烘干、破碎后的重量计；
(2)熟料制备：以重量份数计，向100份生料中加入0.5～2.5份污泥，所述的污泥为城市污水厂污泥；所述污泥的用量是指去除天然水分的污泥的重量；混合均匀后在温度为1450℃～1500℃进行煅烧45min～60min，制成水泥熟料；
(3)水泥产品制备：按水泥熟料∶粉煤灰∶石膏重量比为79.5～81.0∶14.2～16.2∶4.5～5.0混合，用球磨机细磨至200～300目以上，制成水泥产品。
为进一步实现本发明目的，所述原料配方中各种原料以烘干、破碎后的重量计是将各种原料在105±2℃烘干，去除水分，用球磨机细磨至200～300目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，然后在扣除其天然含水率后进行配比计算。
所述污泥的用量优选为1-2份。
本发明具有如有优点和有益效果：
(1)本发明中利用现有水泥窑处置的生产工艺的基础上加入并处理部分城市污水厂污泥是实现水泥工业可持续发展的一大突破，是变城市污泥为水泥工业的部分原煤材料，变城市污泥为资源，减少了环境负荷，是环保、资源综合利用技术的新方法，使水泥工业由耗能工业转变为能够处理环境问题、与环境相容性好的绿色产业。
(2)本发明所制备的P.O42.5普通硅酸盐水泥具有同未加入城市污水厂污泥生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥具有相同的抗压的抗拆强度，有部分强度甚至高于市场相同类型产品，因此该普通硅酸盐水泥产品可适应于相同类型普通硅酸盐水泥的工业应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，本发明要求保护的范围并不局限于实施例的记载。
实施例1
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤：
(1)生料配置：将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙烘干后混合制成生料。通过XRF测定各种原料的成分，进行化学全分析(见表1)后，得到在去除天然含水率后100克生料的原料组成为石灰石87.40克、砂页岩5.72克、铁矿石5.73克和河沙1.15克。各种原料是在105±2℃烘干，用球磨机细磨至200目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，得出石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙各原料的含水率分别为：0.185％、1.001％、1.513％和0.004％。
表1各种原料的成分分析如下表所示
(2)熟料制备：以100克烘干后生料为基准，分别向其加入干污泥0.5克，其中污泥来自城市生活污水厂离心浓缩后的污泥，在105±2℃烘箱烘24h后其含水率为83.0％～85.0％，取实验8个样的平均值为84.15％，所以得出折算成湿污泥后湿污泥的加入量应为3.15g。进行烘干，研磨并过筛后，再在105±2℃烘箱烘24h后的含水率为6.97％，所以得出相应过筛污泥的加入量分别为0.54g。本试验采用加入的污泥为过筛后的污泥，将混合均匀制成五种待煅烧的生料，同时和100克扣除天然含水率后的生料进行煅烧水泥熟料，其中在1450±5℃保温50min后，并立即取出于空气中用风扇急冷，待冷却后将熟料破碎至全部能过200目的筛。
(3)水泥产品制备：按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量比，在球磨机和玛瑙研磨机中磨至熟料、粉煤灰和石膏全部能过200目的筛，得到相应的水泥产品。经检测，所得的水泥制备性能情况如表2所示。水泥的强度试验：水泥与标准砂1∶2.5重量比，水灰比为0.5做成试件(尺寸为40mm×40mm×160mm)进行养护并折强度、抗压强度试验(GB175-2007)；熟料中的用甘油-乙醇法测定其中的f-CaO(GB/T 176-2008)；采用气体BET法测定熟料中的比表面积(GB/T19587-2004)。
实施例2
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤：
(1)生料配置：将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙烘干后混合制成生料。通过XRF测定各种原料的成分，进行化学全分析(见表1)后，得到在去除天然含水率后100克生料的原料组成为石灰石87.40克、砂页岩5.72克、铁矿石5.73克和河沙1.15克。各种原料是在105±2℃烘干，用球磨机细磨至200目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，得出石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙各原料的含水率分别为：0.185％、1.001％、1.513％和0.004％。
(2)熟料制备：以100克烘干后生料为基准，向其加入干污泥1.0克，其中污泥来自城市生活污水厂离心浓缩后的污泥，在105±2℃烘箱烘24h后其含水率为83.0％～85.0％，取实验8个样的平均值为84.15％，所以得出折算成湿污泥后湿污泥的加入量应为6.31g。进行烘干，研磨并过筛后，再在105±2℃烘箱烘24h后的含水率为6.97％，所以得出相应过筛污泥的加入量分别为1.07g。本试验采用加入的污泥为过筛后的污泥，将混合均匀制成五种待煅烧的生料，同时和100克扣除天然含水率后的生料进行煅烧水泥熟料，其中在1450±5℃保温50min后，并立即取出于空气中用风扇急冷，待冷却后将熟料破碎至全部能过200目的筛。
(3)水泥产品制备：按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量比，在球磨机和玛瑙研磨机中磨至熟料、粉煤灰和石膏全部能过200目的筛，得到相应的水泥产品。经检测，所得的水泥制备性能情况如表2所示。水泥的强度试验：水泥与标准砂1∶2.5重量比，水灰比为0.5做成试件(尺寸为40mm×40mm×160mm)进行养护并折强度、抗压强度试验(GB175-2007)；熟料中的用甘油-乙醇法测定其中的f-CaO(GB/T 176-2008)；采用气体BET法测定熟料中的比表面积(GB/T19587-2004)。
实施例3
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤：
(1)生料配置：将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙烘干后混合制成生料。通过XRF测定各种原料的成分，进行化学全分析(见表1)后，得到在去除天然含水率后100克生料的原料组成为石灰石87.40克、砂页岩5.72克、铁矿石5.73克和河沙1.15克。各种原料是在105±2℃烘干，用球磨机细磨至200目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，得出石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙各原料的含水率分别为：0.185％、1.001％、1.513％和0.004％。然后将烘干后的各种原料混合制成生料。
(2)熟料制备：以100克烘干后生料为基准，向其加入干污泥1.5克，其中污泥来自城市生活污水厂离心浓缩后的污泥，在105±2℃烘箱烘24h后其含水率为83.0％～85.0％，取实验8个样的平均值为84.15％，所以得出折算成湿污泥后湿污泥的加入量应为9.46g。进行烘干，研磨并过筛后，再在105±2℃烘箱烘24h后的含水率为6.97％，所以得出相应过筛污泥的加入量分别为1.61g。本试验采用加入的污泥为过筛后的污泥，将混合均匀制成五种待煅烧的生料，同时和100克扣除天然含水率后的生料进行煅烧水泥熟料，其中在1450±5℃保温50min后，并立即取出于空气中用风扇急冷，待冷却后将熟料破碎至全部能过200目的筛。
(3)水泥产品制备：按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量比，在球磨机和玛瑙研磨机中磨至熟料、粉煤灰和石膏全部能过200目的筛，得到相应的水泥产品。经检测，所得的水泥制备性能情况如表1所示。水泥的强度试验：水泥与标准砂1∶2.5重量比，水灰比为0.5做成试件(尺寸为40mm×40mm×160mm)进行养护并折强度、抗压强度试验(GB175-2007)；熟料中的用甘油-乙醇法测定其中的f-CaO(GB/T 176-2008)；采用气体BET法测定熟料中的比表面积(GB/T19587-2004)。
实施例4
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤：
(1)生料配置：将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙烘干后混合制成生料。通过XRF测定各种原料的成分，进行化学全分析(见表1)后，得到在去除天然含水率后100克生料的原料组成为石灰石87.40克、砂页岩5.72克、铁矿石5.73克和河沙1.15克。各种原料是在105±2℃烘干，用球磨机细磨至200目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，得出石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙各原料的含水率分别为：0.185％、1.001％、1.513％和0.004％。然后将烘干后的各种原料混合制成生料。
(2)熟料制备：以100克烘干后生料为基准，向其加入干污泥2.0克，其中污泥来自城市生活污水厂离心浓缩后的污泥，在105±2℃烘箱烘24h后其含水率为83.0％～85.0％，取实验8个样的平均值为84.15％，所以得出折算成湿污泥后湿污泥的加入量分别为12.62g。进行烘干，研磨并过筛后，再在105±2℃烘箱烘24h后的含水率为6.97％，所以得出相应过筛污泥的加入量分别为2.15g。本试验采用加入的污泥为过筛后的污泥，将混合均匀制成五种待煅烧的生料，同时和100克扣除天然含水率后的生料进行煅烧水泥熟料，其中在1450±5℃保温50min后，并立即取出于空气中用风扇急冷，待冷却后将熟料破碎至全部能过200目的筛。
(3)水泥产品制备：按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量比，在球磨机和玛瑙研磨机中磨至熟料、粉煤灰和石膏全部能过200目的筛，得到相应的水泥产品。经检测，所得的水泥制备性能情况如表1所示。水泥的强度试验：水泥与标准砂1∶2.5重量比，水灰比为0.5做成试件(尺寸为40mm×40mm×160mm)进行养护并折强度、抗压强度试验(GB175-2007)；熟料中的用甘油-乙醇法测定其中的f-CaO(GB/T 176-2008)；采用气体BET法测定熟料中的比表面积(GB/T19587-2004)。
实施例5
一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，包括如下步骤：
(1)生料配置：将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙烘干后混合制成生料。通过XRF测定各种原料的成分，进行化学全分析(见表1)后，得到在去除天然含水率后100克生料的原料组成为石灰石87.40克、砂页岩5.72克、铁矿石5.73克和河沙1.15克。各种原料是在105±2℃烘干，用球磨机细磨至200目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，得出石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙各原料的含水率分别为：0.185％、1.001％、1.513％和0.004％。然后将烘干后的各种原料混合制成生料。
(2)熟料制备：以100克烘干后生料为基准，向其加入污泥2.5克，其中污泥来自城市生活污水厂离心浓缩后的污泥，在105±2℃烘箱烘24h后其含水率为83.0％～85.0％，取实验8个样的平均值为84.15％，所以得出折算成湿污泥后湿污泥的加入量分别为15.77g。进行烘干，研磨并过筛后，再在105±2℃烘箱烘24h后的含水率为6.97％，所以得出相应过筛污泥的加入量分别为2.69g。本试验采用加入的污泥为过筛后的污泥，将混合均匀制成五种待煅烧的生料，同时和100克扣除天然含水率后的生料进行煅烧水泥熟料，其中在1450±5℃保温50min后，并立即取出于空气中用风扇急冷，待冷却后将熟料破碎至全部能过200目的筛。
(3)水泥产品制备：按熟料∶粉煤灰∶石膏的比例为80∶15∶5的重量比，在球磨机和玛瑙研磨机中磨至熟料、粉煤灰和石膏全部能过200目的筛，得到相应的水泥产品。经检测，所得的水泥制备性能情况如表1所示。水泥的强度试验：水泥与标准砂1∶2.5重量比，水灰比为0.5做成试件(尺寸为40mm×40mm×160mm)进行养护并折强度、抗压强度试验(GB175-2007)；熟料中的用甘油-乙醇法测定其中的f-CaO(GB/T 176-2008)；采用气体BET法测定熟料中的比表面积(GB/T19587-2004)。
如表2可以看到，利用来自水泥厂日常生产水泥的原料生产出的水泥的比表面积和熟料中的游离氧化钙都能够达到水泥日常生产的要求(GB175-2007)，相对于未加入污水厂污泥的水泥样产品，其中游离氧化钙基本波动不大，显示了其易烧性，且熟料的比表面积，相应产品水泥沙胶3、7、28天的抗压和抗压强度基本不变，有部分强度甚至更高。因此该普通硅酸盐水泥产品可适应于相同类型普通硅酸盐水泥的工业应用。
表2
Claims (3)
1.一种利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：
(1)生料配置：以重量百分比计，将石灰石、砂页岩、铁矿石和河沙按如下原料配方配置后混合，石灰石87.50±0.2％、砂页岩5.84±0.2％、河沙1.12±0.1％和铁矿石5.82±0.2％；所述原料配方中各种原料以烘干、破碎后的重量计；
(2)熟料制备：以重量份数计，向100份生料中加入0.5～2.5份污泥，所述的污泥为城市污水厂污泥；所述污泥的用量是指去除天然水分的污泥的重量；混合均匀后在温度为1450℃～1500℃进行煅烧45min～60min，制成水泥熟料；
(3)水泥产品制备：按水泥熟料∶粉煤灰∶石膏重量比为79.5～81.0∶14.2～16.2∶4.5～5.0混合，用球磨机细磨至200～300目以上，制成水泥产品。
2.权利要求1所述的利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述原料配方中各种原料以烘干、破碎后的重量计是将各种原料在105±2℃烘干，去除水分，用球磨机细磨至200～300目，而后于105±2℃烘箱烘18～24h后，测定其含水率，然后在扣除其天然含水率后进行配比计算。
3.权利要求1所述的利用城市污水厂污泥生产硅酸盐水泥的方法，其特征在于：所述污泥的用量为1-2份。
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