CN102409169A - 以污水处理中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂 - Google Patents

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何秋慧
葛鹏
王志花
陶娟娟
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Abstract

本发明涉及一种以污水处理中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥，初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥是经过干燥和粉碎处理后得到的粉末状污泥。本发明还涉及所述污泥用于制备球团矿生产中的粘结剂的用途和使用方法，本发明采用污水处理中产生的污泥制备的粘结剂生产球团矿，提高了入炉矿的品位和冶金性能，使得炼铁成本得到进一步的降低，资源消耗量和能源消耗量减少，污染物排放量减少，提高了我国钢铁材料与制品在国际市场竞争中的能力。同时，使得难于处理的污水处理中产生的污泥得到了高效的资源化利用，并节约了膨润土等矿产资源。

Description

以污水处理中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂
技术领域
本发明涉及一种球团矿粘结剂，特别是涉及一种以污水处理中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂。
背景技术
随着高炉向大型化发展，提高高炉入炉矿品位，优化炉料结构，对于提高我国高炉炼铁生产技术经济指标具有重要意义。近年来，球团矿由于具有强度好、粒度均匀、形状规则、含铁品位高、还原性好等优点，在高炉冶炼中可起到增产节焦、改善炼铁技术指标和经济指标、降低生铁成本、提高经济效益的作用，正在受到广泛的青睐和高度重视。
粘结剂是制取球团矿不可缺少的原料。选择球团粘结剂的基本原则：(1)需要具有良好的粘结性和成球性；(2)制备的生球应有良好的抗热爆裂性能，同时具有较高的抗压及落下强度；(3)粘结剂尽可能不影响成品球团矿的铁品位。
我国球团矿生产普遍使用膨润土作为粘结剂，其用量一般为2-3重量％，高的达到5重量％。但是膨润土中SiO2、Al2O3含量高，生产实践证明，90％左右的膨润土仍残留在成品球团中，不仅会降低球团矿铁品位，而且降低了高炉的利用系数，增加了焦比。提高球团矿品质，在高炉冶炼时，可提高产量、降低焦比，减少炉渣排量，从而达到节能减排目的。对于高炉而言，入炉炉料TFe提高1％，焦比可降低2％，高炉利用系数约提高3％，炉渣排量也可大幅度降低。因此，开发低残留量新型球团矿粘结剂取代膨润土，以提高入炉球团矿的TFe品位，是实现高炉炼铁增产节焦和提高钢铁企业经济效益的有效途径。
废水的生物处理方法是利用生物的新陈代谢作用，对废水中的污染物质进行转化和稳定、使之无害化的处理方法。对污染物进行转化和稳定的主体是微生物。由于微生物具有来源广、易培养、繁殖快、对环境适应性强、易变异等特性，因此用生化法促使污染物的转化过程比一般化学法优越得多，其处理废水的费用低廉，运行管理较方便。目前，这种方法已广泛用作生活污水及工业有机废水的二级处理。生物处理的方法可分为好氧处理和厌氧处理两大类型。活性污泥法属于好氧生物处理方法，它是利用悬浮生长的微生物处理废水的一种方法，是污水处理的主要方法。在活性污泥法中起主要作用的是活性污泥。活性污泥是由具有活性的微生物、微生物自身氧化的残留物、吸附在活性污泥上不能被生物降解的有机物和无机物组成。其中微生物是活性污泥的主要组成部分。活性污泥中的微生物是由细菌、真菌、原生动物、后生动物等多种微生物群体相结合所组成的一个生态系统。在污水处理过程中，活性污泥不断增长，有一部分剩余活性污泥需要从系统中排除。另外，在污水处理过程中，还会产生大量的初沉池污泥和混凝沉淀池污泥。
目前我国的污泥处理技术相对滞后，现有的污水处理设施中污泥处理工艺和配套设施较不完善。国内外关于初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥的处置方法主要有卫生填埋，直接土地利用，堆肥，焚烧等。污泥处置存在的问题主要有：卫生填埋存在的突出问题是要占用大量的土地资源，卫生填埋成本高；工业废水中含有许多重金属和有毒有害的有机物，造成污泥中重金属和持久性有机污染物(POPs)普遍超标，难以达到土地利用标准。堆肥的主要缺点是费时、臭气污染、易受天气影响、市场销售困难、原料分散。焚烧的主要缺点在于处理设施投资大，处理费用高昂，难以有效处理量大面广的城市污水处理厂的污泥，而且还存在烟气污染等问题。
由此可见，污水处理过程中产生的各种污泥的主要处置方法都有很大的局限性。因此，开发一种既能利用污泥中有效成分，又能实现污泥减量化、无害化、稳定化和资源化的污泥处理技术，是当前污泥处理技术研究开发的方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是寻求污水处理过程中产生的各种污泥更有价值的应用方法，还有就是为球团矿生产提供一种价格低廉，制备方法简单，残留量小的新型有机粘结剂，该粘结剂能够全部或部分地替代现有粘结剂，提高入炉矿的品位和冶金性能，降低炼铁成本及资源消耗量，减少污染物排放量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种以污水处理过程中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含污水处理过程中产生的初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥中的一种或多种。优选地，污水处理过程中产生的污泥是经过干燥粉碎制备得到的粉末状污泥。
污水处理过程中产生的污泥包括初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥。
其中剩余活性污泥是指：在活性污泥法处理污水的过程中，随着有机污染物被分解，活性污泥不断增长，增加的活性污泥通常从二沉池中排除，以维持活性污泥系统的稳定运行，这部分活性污泥叫做剩余活性污泥。
其中初沉池污泥是指：初沉池是污水处理中第一次沉淀的构筑物，主要用于降低污水中的悬浮固体浓度。初沉池污泥就是初沉池产生的沉淀物。
其中混凝沉淀池污泥是指：混凝沉淀是在混凝沉淀池中投加混凝剂，以提高难以生物降解的有机物、难被氧化的物质和产色物质等的去除效率。混凝沉淀池污泥就是混凝沉淀池产生的沉淀物。
具体的，本发明提供了一种以剩余活性污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含剩余活性污泥。优选地，剩余活性污泥是经过干燥粉碎制备得到的粉末状剩余活性污泥。
具体的，本发明提供了一种以初沉池污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含初沉池污泥。优选地，初沉池污泥是经过干燥粉碎制备得到的粉末状初沉池污泥。
具体的，本发明提供了一种以混凝沉淀池污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含混凝沉淀池污泥。优选地，混凝沉淀池污泥是经过干燥粉碎制备得到的粉末状混凝沉淀池污泥。
其中干燥包括自然干化干燥或者是烘干干燥等。
自然干化干燥(或称作自然晾干干燥)是指将污泥放置于地面上，依靠渗透、蒸发等作用干燥脱水。
烘干干燥是指将污泥放入烘箱中，在合适的温度下除去污泥中的水分。
优选地，上述粘结剂还可以包含球团矿生产常用的其他粘结剂，例如膨润土、水玻璃、消石灰、石灰石、水泥、白云石以及其他粘结剂中的一种或多种等。
优选地，上述粘结剂由干燥粉碎污泥制备得到的粉末状初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥组成。
本发明还提供了初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥用于制备球团矿生产中的粘结剂的用途。
上述用途中，其中初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥可以是经过干燥和粉碎处理后得到的粉末状污泥。
本发明还提供了一种使用上述粘结剂进行球团矿生产的方法，该方法包括将上述粘结剂与矿物混合均匀、造球、干燥、预热和焙烧得到球团矿。优选地，其中粘结剂是由初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥制备得到，特别优选地，粘结剂是由初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥经过干燥和粉碎制备得到的粉末状污泥。
上述方法中，矿物优选为含铁原料和二次含铁原料，含铁原料为磁铁精矿、赤铁精矿、褐铁精矿、混合精矿、富铁矿粉等，二次含铁原料为硫酸渣、浸出处理残渣、厂内含铁尘泥，厂内含铁废渣等；厂内含铁尘泥为转炉尘、高炉尘、平炉尘、电炉尘或炼钢炼铁污泥，厂内含铁废渣为钢渣或轧钢氧化铁皮等。
优选地，上述方法中粘结剂占矿物的1-3重量％，特别优选地占1.5-2.5重量％。
初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥含大量有机物，具有一定的粘结性能，作为有机粘结剂用于球团矿生产中，完全或部分替代膨润土，在满足生球质量要求的基础上，能够达到降低膨润土用量、提高球团矿品位的目的。实现了剩余活性污泥的无害化、资源化处理。
初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥的无机成分含量远远低于传统无机粘结剂(如膨润土)的无机成分含量，而有机物质在250℃左右就燃烧掉了。在工业生产中球团矿经过高温焙烧后，以初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥为原料制备的球团矿有机粘结剂残留在球团矿中的无机成分很少，取代或部分代替膨润土可以提高球团品位，是实现高炉增产节焦和提高钢铁企业经济效益的有效途径。
本发明采用初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥制备的有机粘结剂生产球团矿，提高了入炉矿的品位和冶金性能，使得炼铁成本得到进一步的降低，资源消耗量和能源消耗量减少，污染物排放量减少，提高了我国钢铁材料与制品在国际市场竞争中的能力，应用前景良好。当前我国钢铁工业急需开展采用有机粘结剂生产优质球团矿的产业化推广研究工作，在短时间内实现我国高炉冶炼原料的合理配比，降低焦比，提高高炉利用系数，降低生铁冶炼成本，对于应对国外钢铁工业的制约，为我国国民经济建设提供有力支撑具有重要现实意义。
球团矿经过焙烧，初沉池污泥、混凝沉淀池污泥和剩余活性污泥在高温下被处理，避免了对环境造成污染的可能。我国球团矿的产能很大，目前，国内已经投产和在建的球团生产能力已超过1亿吨，仅占高炉炉料比例的12％左右。国内外合理炉料结构研究和实践表明，球团矿合适的入炉比例一般不低于25％，可见我国球团矿缺口至少为1亿吨。为了优化炉料结构和提高入炉原料品位，在今后几年内，球团矿生产将得到优先发展，由此带来的球团矿粘结剂市场也将快速增长。由此可见，今后一段时间内需要的球团矿粘结剂量很大，这样污泥的使用量也很大。全国按每年1亿吨球团产能、膨润土配比平均2％计算，年用膨润土量为200万吨，有机粘结剂替代80％-90％的膨润土，可减少膨润土开采量160-180万吨。
具体实施方式
为了理解本发明，下面以实施例进一步说明本发明，但不限制本发明。
实施例1球团矿粘结剂的制备
1号球团矿粘结剂制备：
将北京高碑店污水处理厂剩余活性污泥晾干，粉碎成粉末。
2号球团矿粘结剂制备：
将北京高碑店污水处理厂剩余活性污泥烘干，粉碎成粉末。
3号球团矿粘结剂制备：
将江苏无锡某污水处理厂混凝沉淀池污泥烘干，粉碎成粉末。
对比样品为市售膨润土。
表1：1号、2号和3号球团矿粘结剂的含水率及灰分含量
  粘结剂种类   含水率(重量％)   灰分含量(重量％)
  1号球团矿粘结剂   8.58   33.78
  2号球团矿粘结剂   2.61   36.09
  3号球团矿粘结剂   4.85   35.85
从表1中可看出，1号、2号和3号球团矿粘结剂灰分含量远低于传统无机粘结剂。常用的无机粘结剂如膨润土经过焙烧后，90％左右的无机成分仍残留在成品球团中，降低了球团矿的TFe品位，而球团矿粘结剂经过焙烧后残余的灰分较少。由此可见使用球团矿粘结剂有利于提高球团矿的TFe品位。
实施例2：利用1号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加1.5重量％的1号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为8.09％，生球抗压强度为10.1N/球，生球落下强度为3.4次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2007N/球。
实施例3：利用1号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加2.0重量％的1号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为8.55％，生球抗压强度为12.0N/球，生球落下强度为4.2次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2127N/球。
实施例4：利用1号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加2.5重量％的1号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先放入预热段在900℃下预热10min，然后再放入焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为8.15％，生球抗压强度为11.4N/球，生球落下强度为3.6次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2158N/球。
实施例5：利用2号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加1.5重量％的2号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为7.97％，生球抗压强度为9.4N/球，生球落下强度为2.9次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为1938N/球。
实施例6：利用2号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加2.0重量％的2号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为7.72％，生球抗压强度为10.5N/球，生球落下强度为3.6次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2071N/球。
实施例7：利用2号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加2.5重量％的2号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为7.98％，生球抗压强度为10.3N/球，生球落下强度为3.8次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2095N/球。
实施例8：利用3号球团矿粘结剂制备球团矿
使用首钢矿业公司水厂选矿厂铁精矿为原料，添加2.0重量％的3号球团矿粘结剂进行配料，混匀后造球，筛出合格粒径的生球测定生球抗压强度和生球落下强度，烘干后测含水率。取一定量的合格生球测爆裂温度。另取一定量的合格生球在105℃烘干2h，放入竖炉中先置于预热段在900℃下预热10min，然后再置于焙烧段在1160℃下焙烧20min，取出冷却后测焙烧球抗压强度。
测得生球含水率为8.06％，生球抗压强度为10.1N/球，生球落下强度为3.5次，爆裂温度大于600℃，焙烧球抗压强度为2058N/球。
本发明的方法已经通过具体的实施例进行了描述。本领域技术人员可以借鉴本发明的内容适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域提术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种以污水处理过程中产生的污泥为原料制备的球团矿粘结剂，该粘结剂包含污水处理过程中产生的初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的粘结剂，其中污水处理过程中产生的污泥是经过干燥粉碎制备得到的粉末状污泥。
3.根据权利要求2所述的粘结剂，其中还可以包含膨润土、水玻璃、消石灰、石灰石、水泥、白云石以及其他粘结剂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的粘结剂，其中粘结剂由干燥粉碎初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥制备得到的粉末状初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥组成。
5.一种初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥用于制备球团矿粘结剂的用途，其中初沉池污泥、混凝沉淀池污泥或剩余活性污泥是经过干燥和粉碎处理后得到的粉末状污泥。
6.一种使用权利要求1-4任一项所述的粘结剂进行球团矿生产的方法，该方法包括将粘结剂与矿物混合均匀、造球、干燥、预热和焙烧得到球团矿。
7.根据权利要求6所述的方法，其中矿物为含铁原料和二次含铁原料，含铁原料为磁铁精矿、赤铁精矿、褐铁精矿、混合精矿、富铁矿粉等，二次含铁原料为硫酸渣、浸出处理残渣、厂内含铁尘泥，厂内含铁废渣等；厂内含铁尘泥为转炉尘、高炉尘、平炉尘、电炉尘或炼钢炼铁污泥，厂内含铁废渣为钢渣或轧钢氧化铁皮等。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中粘结剂占矿物的1-3重量％。
9.根据权利要求8所述的方法，其中粘结剂占矿物的1.5-2.5重量％。
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