CN102757255A

CN102757255A - 利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法

Info

Publication number: CN102757255A
Application number: CN2012102434415A
Authority: CN
Inventors: 许国仁; 李圭白; 邹金龙
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-10-31

Abstract

利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，涉及一种轻质陶粒的制备方法。以给水污泥和污水污泥为原料，利用烧结技术制成。给水污泥/污水污泥中含有多种有用物质，如含有较多的无机成分——硅、铝、铁、钙、镁等，是一种可以利用的、储量巨大的资源。而且，它们的成分与粘土的主要成分有相似之处，如果配比得当，应该可以替代粘土中的一些物质。因此，针对现阶段给水污泥和污水污泥资源化利用技术的优缺点、难以同时对两种污泥进行资源化利用的现状及两种污泥中所含成分的特点，本发明提出利用给水污泥和污水污泥为原料制备陶粒的技术路线。

Description

利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法

技术领域

本发明涉及一种轻质陶粒的制备方法。

背景技术

目前，世界上多数水源受到不同程度的污染，造成水源污染的主要原因是污水、废弃物未经处理或仅经部分处理就直接排入地表水体，与此同时，深受水源污染之害的自来水行业，却也向河流排放大量生产废水。因为城市给水厂在生产饮用水的同时，也产生了大量的污水。给水厂生产废水一般约占总净水量的4%-7%，其中包括浓缩后的悬浮物和有机物，以及残存在泥中的混凝剂，主要是沉淀池排泥水和滤池反冲洗排水。排泥水经浓缩后含固率增大，这种浓缩的排泥水常被称为给水污泥（Drinking-Water Treatment Sludge）。我国大部分给水厂的给水污泥基本上是不经处理直接排入水体，或直接排入市政排水管网。随着给水厂数量的增加和规模的不断扩大，给水污泥的排放量也日益增大，如果直接排入水体会造成淤塞河道，抬高河床，影响通航及行洪，污染水源，影响环境卫生和破坏生态平衡等后果。在当前水资源严重紧缺，水环境污染日益严重的情况下，给水污泥处理和处置的重要意义越来越受到人们的重视。实施给水污泥处理，不但可以控制水源污染，有效缓解水资源日益紧缺的矛盾，同时还具有节约引水工程的基建投资和日常运行费用的重要意义。

污水污泥（Wastewater Treatment Slduge或Biosolids）是污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物质以及污水表面漂出的物质，其成分复杂，含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等。污水污泥是城市污水处理厂处理污水过程中的必然产物，一个稳定运行的城市污水处理厂都会产生一定量的污水污泥。因此污水污泥的产生量和城市污水的总量有线性关系，并随着城市污水量的增加而增加。显然，如此大量的污泥如果处理不当，不仅会影响污水厂的正常运行，而且由于污泥中含有大量的有害物质，如重金属、细菌、各种寄生虫卵、大量的病源微生物等，很容易形成“二次污染”。但污泥中也含有许多营养元素，如氮、磷、钾等，即污泥也是一种有用的资源，如不利用会造成资源浪费。

如何安全有效地进行给水污泥和污水污泥处理和处置，既能降低成本，又不引起二次污染，实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化，是目前环境领域急需解决的问题，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提供了利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法。

本发明利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将给水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛，

步骤二、将污水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛；

步骤三、将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按（8/11~1.5）：1的质量比混合，置于球磨机中研磨10~15min，得到混合料；

步骤四、向混合料中加入硅酸钠（水玻璃具有很好的粘结性和凝胶性，与空气中的CO₂相作用可以逐渐分解成Na₂CO₃和SiO₂而使陶粒样品硬化）和水，硅酸钠用量是混合料质量的8%~15%，控制含水率为10%~20%，搅拌均匀，置于颗粒机内挤压成型，获得粒径为8~12mm的陶粒生料；

步骤五、将陶粒生料自然干燥1~3天，在100~110℃干燥1~2h（充分脱去陶粒中的水分，以免在烧制过程中陶粒因水分过多而开裂）；

步骤六、然后将经步骤五处理后的陶粒生料以8~10℃/min进行升温，在105~300℃预热10~15min，升温至500℃处保温10~15min，升温至800℃处保温10~15min，升温至1000℃处保温25~35min，随炉冷却，即得到轻质陶粒。

给水污泥/污水污泥中含有多种有用物质，如含有较多的无机成分——硅、铝、铁、钙、镁等，是一种可以利用的、储量巨大的资源。而且，它们的成分与粘土的主要成分有相似之处，如果配比得当，应该可以替代粘土中的一些物质。因此，针对现阶段给水污泥和污水污泥资源化利用技术的优缺点、难以同时对两种污泥进行资源化利用的现状及两种污泥中所含成分的特点，本发明提出利用给水污泥和污水污泥为原料制备陶粒的技术路线。

陶粒的制备工艺关键是烧制过程，陶粒在有空气存在条件下进行烧制，无需气体保护。其温度变化如下所示：干燥后的陶粒放入马弗炉中，设定升温速率为8~10℃/min；温度升至200℃处保温10~15min，这一过程为预热过程，可以将陶粒中的结晶水去掉；温度升至500℃处保温10~15min，此阶段（200℃~500℃）为失重速率最大阶段，主要为含碳物质的燃烧与挥发及少量无机物质的挥发；温度升至800℃处保温10~15min，此阶段（500℃~800℃）陶粒失重较少，主要为无机物质的反应；在1000℃保温25~35min，此阶段为陶粒的晶型转变期，伴随着强烈的热力学变化。保温完成后，停止电炉加热，让陶粒在炉内自然冷却，达到室温后，把陶粒取出，去除其中个别破裂的样品，对样品进行各种性能指标的测试。

由于两种污泥的组成较复杂，原料是以SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO和MgO为主要成分的多元硅酸盐，高温烧制时发生液体与固体氧化物间的各种反应现象。原料在高温阶段的烧制过程中的化学反应包括无机氧化物及金属氧化物向陶粒材料内部或表面渗透，盐类或蒸汽沉积在陶粒材料气孔结构内以及由于烧制过程中的热力学作用使陶粒结构中发生化学物理变化等。因为原料中主要无机氧化物（SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO和MgO在混合污泥中的百分含量都在1%以上，所以本发明中对SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、CaO和MgO含量的变化对陶粒性质的影响进行了测试，并通过一些测试指标来分析它们的影响机制及机理具有重要意义。

（1）选择利用给水污泥和污水污泥为原料时，混合物中SiO₂的最佳含量范围为22.5%-45%。并针对原料SiO₂含量为22.5%、30%和45%的陶粒进行表面形态（SEM）、物相组成（XRD）、陶粒的强度性能的表征，结果表明：随着SiO₂含量的增加，陶粒表面的小孔隙逐渐转换为大孔隙，晶界连接在一起，耐压强度增加，α-石英晶体相增加，钠、钙长石等晶体减少。

（2）选择利用给水污泥和污水污泥为原料时，混合物中Al₂O₃的最佳含量范围为14%-26%。并对原料Al₂O₃含量为14%、18%和26%的陶粒进行具体性质的表征，结果表明：在晶格核正期（大于900℃）时，3种不同Al₂O₃含量的原料的吸热强烈程度是不同的，是随着Al₂O₃含量的增加逐渐变强；当原料的Al₂O₃含量较大时，陶粒中的晶粒逐渐变得相对细小，结构致密，晶相主要为α-石英、蓝晶石、钠长石和钙长石等，而且此时陶粒的孔隙较少，孔隙结构合理，利于提高陶粒的强度。

（3）选择制备陶粒的原料中Fe₂O₃的最佳含量范围为5%-8%，并指出铁质的存在是陶粒出现烧成颜色的最主要来源，并对其影响颜色的机理进行了简单的探讨。对原料Fe₂O₃含量为5%、6%和8%的陶粒进行表面形貌等性质表征的结果显示：在加热过程中，当Fe₂O₃含量高时，炉内形成的微弱还原气氛，将使Fe²⁺含量相应提高，从而使陶粒提前致密烧结；随着Fe₂O₃含量的增加，陶粒的孔隙及孔径均大幅度减小，耐压强度逐渐升高（幅度较小）；当Fe₂O₃含量为8%时，陶粒中出现镁铁辉石晶体。

（4）选择制备陶粒的原料中CaO的最佳含量范围为2.75%-7%，此范围内，陶粒的吸水率比较低（17.9%-24.0%），松散容重和颗粒表观密度比较大（601.3-723.3 kg/m³和1189.5-1310.1 kg/m³）。并对原料CaO含量为2.75%、5%和6%的陶粒的性质进行表征，结果显示：当CaO含量较少时，陶粒表面的致密度较高，有少量的孔径，晶粒之间接触紧密，形成直接结合，其耐压强度较高；随着CaO含量升高，陶粒的孔隙较多，表面有晶体析出，晶形发育相对较好，主晶相都为α-石英和蓝晶石，耐压强度较低。

（5）选择制备陶粒的原料中MgO的最佳含量范围为1.6%-4%。并对原料MgO含量为1.6%、2%和4%的陶粒进行SEM、XRD等表征，结果显示：随着MgO含量的增加，材料的顽辉石晶体含量逐步增多；当原料中MgO含量为2%时，陶粒表面的孔隙变得细小，晶粒交接处不是很明显，耐压强度最大，为14.94MPa；当原料中MgO含量为1.6%时，晶粒之间接触紧密，形成直接结合，晶粒的形状不规则，表面孔隙较多，耐压强度次之，为14.79MPa；当原料中MgO含量为4%时，陶粒表面的晶体之间晶界消失，表面的孔隙最多，耐压强度最小，为14.35MPa。

附图说明

图1是原料中SiO₂含量对陶粒物理性质的影响图；图2 是原料中Al₂O₃含量对陶粒物理性质的影响图；图3 原料中Fe₂O₃含量对陶粒物理性质的影响图；图4是原料中CaO含量对陶粒物理性质的影响图；图5是原料中MgO含量对陶粒物理性质的影响图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将给水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛，

步骤二、将污水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛；

步骤四、向混合料中加入硅酸钠和水，硅酸钠用量是混合料质量的8%~15%，控制含水率为10%~20%，搅拌均匀，置于颗粒机内挤压成型，获得粒径为8~12mm的陶粒生料；

步骤五、将陶粒生料自然干燥1~3天，在100~110℃干燥1~2h；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按0.8~1.2：1的质量比混合。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按1.0：1的质量比混合。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四所述硅酸钠用量是混合料质量的10%~12%。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式中利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将给水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛，

步骤二、将污水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛；

步骤三、将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按1.0：1的质量比混合，置于四罐行星式球磨机球磨罐中，采用转速比（公转：自转） 1：2，自转转速采用500r/min的转速研磨15min，得到混合料；

步骤四、向混合料中加入硅酸钠和水，硅酸钠用量是混合料质量的10%，控制含水率为10%~20%，搅拌均匀，置于颗粒机内挤压成型，获得粒径为10mm的陶粒生料；

步骤五、将陶粒生料自然干燥3天，在105℃干燥2h；

步骤六、然后将经步骤五处理后的陶粒生料以10℃/min进行升温，在200℃预热15min，升温至500℃处保温10min，升温至800℃处保温10min，升温至1000℃处保温30min，随炉冷却，即得到轻质陶粒。

Claims

1.利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将给水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛，

步骤二、将污水污泥自然干燥，烘干至恒重，破碎后过筛；

步骤五、将陶粒生料自然干燥1~3天，在100~110℃干燥1~2h；

2.根据权利要求1所述利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于步骤三中将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按0.8：1的质量比混合。

3.根据权利要求1所述利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于步骤三中将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按1.0：1的质量比混合。

4.根据权利要求1所述利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于步骤三中将经步骤一处理后的给水污泥和经步骤二处理后的污水污泥按1.2：1的质量比混合。

5.根据权利要求1所述利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于步骤四所述硅酸钠用量是混合料质量的10%。

6.根据权利要求1所述利用给水污泥与污水污泥制备轻质陶粒的方法，其特征在于步骤四所述硅酸钠用量是混合料质量的12%。