CN107721455A - 一种由固体废弃物制备的陶粒、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种由固体废弃物制备的陶粒，由如下质量份数的原料制作而成：污泥10‑40份，生活垃圾飞灰10‑40份，河道淤泥15‑45份，建筑垃圾微粉5‑40份，赤泥3‑8份。本发明的有益效果为：实现多种废物的综合利用，利废范围广泛，各原料成分互补，能够相互结合发挥协同作用，制备的陶粒具备轻质高强的性能，解决大量固废填埋对土地资源的侵占。

Description

一种由固体废弃物制备的陶粒、其制备方法及应用
技术领域
本发明创造属于废弃物(危废)安全综合利用领域，尤其是涉及一种污泥、生活垃圾飞灰、河道淤泥、建筑垃圾微粉和赤泥制备的陶粒及其应用。
背景技术
随着我国社会的发展，生活污水和工业废水的排放量日益增多。据统计，我国2014年废水排放量超过600亿吨，污水处理过程中产生数量巨大的污泥。不同污泥性质各异， 化学组分复杂，其中含有重金属、耗氧有机化合物、有毒有机化合物、病原微生物、放 射性元素等污染物质。污泥处置方式主要有土地利用(包括农用)、填埋、焚烧、建材 利用等，其中填埋由于技术简单成本低，是目前我国最主要的污泥处置方式，但是侵占 土地严重，有地下水和土壤污染的风险，在欧美等许多国家填埋比例逐渐下降；由于我 国部分污水有机质含量低，重金属含量较高，污泥的土地利用受到限制；而焚烧虽然是 污泥处理速度最快并且最彻底的方法，但是由于一次性投资较高，在我国应用并不广泛； 污泥建材资源化从概念上被认为是处置城市污泥一个很好的方案。污泥的无机成分与烧 制陶粒原料相近，利用污泥为原料烧制陶粒可以使污泥中的有机物在高温焙烧阶段氧化 分解，并且能够去除污泥中大量微生物，将有毒重金属稳定成无毒害重金属氧化物熔融 固定在烧结体内，解决污泥处置中重金属浸出二次污染的问题。此外，污泥含有一定的 热值，利用污泥烧结陶粒可以节省生产消耗的天然矿物原料和能源，这对于我国这样一 个资源相对匮乏的发展中国家有着十分重要的意义。
飞灰是城市生活垃圾在焚烧过程中排出的含有多种有毒物质的粉尘，垃圾焚烧飞灰 富集了垃圾中的大部分重金属元素和易溶盐类物质，同时焚烧过程中产生的二噁英类物 质也大部分富集在垃圾焚烧飞灰中。目前对垃圾焚烧飞灰主要采取填埋处置技术，包括： 直接密封填埋、水泥固化后填埋、熔融固化后填埋和化学稳定化后再填埋，采用此类填埋技术会占用大量的土地资源，且利用填埋法处理飞灰存在有毒物质渗出、对环境造成 二次污染的隐患，不能很好的实现资源循环利用。
随着城市水环境治理的逐步发展，河道疏浚清淤出的大量河道淤泥的处理处置也成 为热点问题之一。淤泥中含有有机物质、腐殖质和各类有毒有害物质，极易造成二次污染，淤泥的处理处置方式主要有海洋倾倒、土地填埋、肥料化、能源化和建材化等。海 洋倾倒易引起海洋污染；填埋场的选址及运费等问题限制了土地填埋的应用，同时，与 污泥和飞灰填埋问题相同，填埋不当会造成对地下水源的污染，填埋场的废气排放也会 对周边大气产生污染，并且造成对土地资源的浪费；肥料化和能源化对淤泥成分要求较 高，各地淤泥性质差异较大，因此这两种方法使用范围有限。由于淤泥中含有大量无机 质，可以作为制砖、水泥和陶粒等建筑材料的原料，淤泥的建材资源化利用在目前呈现 出稳健发展的态势。
随着城市化进程的不断加快，城市中建筑垃圾的产生和排出数量也在快速增长。目 前建筑垃圾约占垃圾总量的30％～40％，因此如何处理和利用越来越多的建筑垃圾，已经 成为各级政府部门和建筑垃圾处理单位所面临的一个重要课题。建筑垃圾的处理一般分 为两大类：第一类是新建建筑垃圾堆放场所，将建筑垃圾掩埋或倾倒至固定场所；第二类是将建筑垃圾再生，使用建筑垃圾再生设备将建筑垃圾粉碎、加工成可以再次使用的 建筑建材。长远看来，建筑垃圾再生利用是最佳的建筑垃圾处理途径。由于建筑垃圾含 有大量烧制陶粒所需的无机成分，建筑垃圾烧制陶粒的研究已经有所开展。
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣。中国作为世界第4大氧化铝生产 国，每年排放的赤泥高达数百万吨。目前，大量的赤泥主要依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。赤泥中一般含氧化铁量大，对陶粒制备轻 质化有良好的作用。
综上所述，污泥、生活垃圾焚烧飞灰、河道淤泥、建筑垃圾和赤泥都属于量大、处理困难、填埋侵占土地、易对环境产生严重污染、急需处理处置和资源化方案的固废或 危废。已有大量对上述原料烧制陶粒的研究，但目前的文献报道均针对两种或三种固废 进行研究，使用范围有限，没有针对上述固废的综合资源化技术方法，此外目前的研究 还存在以下问题：需要添加粘土、钠基膨润土等自然资源，对自然资源有大量消耗，特 别是对粘土的消耗违背了我国目前保护粘土”禁粘”政策；(2)添加玻璃粉、粉煤灰、 煤矸石等辅料或其它化学试剂，成本较高，提高了飞灰制备陶粒的成本，而随着我国对 清洁能源开发及对燃煤的限制，粉煤灰、煤矸石的来源也会越来越困难；(3)污泥需要 一定程度的干化脱水，增加能耗和成本，降低了陶粒的市场竞争力；(4)辅料的添加降 低了固废添加比例，废物利用程度不高。
发明内容
针对背景技术中的以上问题，本专利开发的技术方法将上述固废(危废)进行协同处置和综合利用，发挥其成分的互补、协同作用，制备超轻陶粒，并利用该陶粒制备轻 骨料混凝土和小型空心砌块，均达到相关标准要求，本技术方法对重金属进行有效固化， 利废程度达到100％，且原料不需脱水干化，降低了处理成本，多种废物的综合利用使本 技术方法适用范围广泛，达到经济性和环境性的兼顾，实现了固废的减量化、无害化和 资源化。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：
一种由固体废弃物制备的陶粒，由如下质量份数的原料制作而成：污泥10-40份，生 活垃圾飞灰10-40份，河道淤泥15-45份，建筑垃圾微粉5-40份，赤泥3-8份。
进一步，所述污泥为污水厂脱水湿态污泥，含水量≤80％。
进一步，所述河道淤泥含水量≤35％。
进一步，飞灰、建筑垃圾微粉和赤泥球磨后过筛0.15mm，将原料混合搅拌经挤出机挤出成型，挤压成型的压力为4-5MPa，生料球直径5-10mm，挤出成型后生料球陈化12-24 小时，回转窑中升温速度5℃/min至120℃保温1h干燥坯体(防止坯料在预热过程因水分 大量溢出而发生破裂)，5℃/min 400℃预热30min，升温速度10℃/min至1225℃，保温 5min，冷却。
制备所得陶陶粒的颗粒级配符合连续粒级5-31.5mm，堆积密度395kg/m3(符合400级)，筒压强度1.4MPa，1h吸水率14％，含泥量0.2％，泥块含量0.4％，粒型系数1.4，煮 沸质量损失2.0％，软化系数0.9，烧失量0.2％，硫化物和硫酸盐含量0.1％，氯化物含量0.01％，放射性内照射指数0.3，外照射指数0.5，有机物含量试样上部溶液颜色浅于标准溶液颜色，全部指标均达到GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》 标准要求。
进一步，上述陶粒在制备混凝土中的应用，主要包括以下步骤：
(1)参照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》，设计混凝土试样的配合比， 设计等级LC15，水灰比0.45，单方水泥(42.5级)用量280kg，矿粉80kg，粉煤灰(I级) 70kg，河砂(中砂)935kg，陶粒230kg，外加剂(萘系减水剂)2.8kg。
(2)按所设计配合比称量原料，按照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》中拌合方法进行混合搅拌。陶粒浸泡24h，晾至饱和面干，与细骨料、水泥、掺和料、外加 剂一起拌和1min后，再加入拌和用水量，继续拌和2min，搅拌过程完成后进行振动成型， 并在标准条件下将所成型的混凝土试样养护至一定龄期进行性能测试。
(3)混凝土性能检测。混凝土坍落度按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，轴心抗压强度按GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试 验方法》进行测试，试样尺寸为150mm×150mm×150mm，干表观密度和导热系数按照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》进行测试，干表观密度导热系数测试的试样尺寸为 150mm×150mm×150mm，导热系数试样尺寸为200mm×200mm×30mm(一块)、200mm×200mm ×60mm(两块)。
进一步，上述陶粒在制备空心砌块中的应用，主要包括以下步骤：
原料由水泥(42.5级)、陶粒、河砂(中砂)组成，配合比单方水泥用量400kg，陶 粒150kg，陶粒150kg，河砂450kg，按如下步骤制备：(1)按比例计量原料；(2)将计量 好的原料经过搅拌机搅拌，先进行干搅拌，然后加水搅拌，搅拌成干硬性混凝砂料；(3) 将搅拌好的干硬性混凝砂料经过布料箱送入模具内进行机械振动和挤压成型，砌块成型 尺寸390*190*190(mm)；(4)将成型的半成品脱模，自然养护。按照GBT 15229-2011《轻 集料混凝土小型空心砌块》标准要求进行性能检测
需要说明的是：
本发明技术方案中各成分起到作用如下：
(1)污水厂污泥无机成分与烧制陶粒所需无机成分相同，铁含量较高，可促进陶粒产气膨胀，起到轻质作用，污泥有机质含量较高，含有一定的热值，有效利用可以节省 一部分能源，污泥烧制陶粒可以对污泥有机质进行资源化利用，有效固化重金属。
(2)生活垃圾焚烧灰，碳和氧化钙含量较高，促进陶粒产气膨胀，提供部分能源，氧化钙起到一定助熔作用，陶粒对焚烧灰的重金属有很好的固化效果；
(3)河道淤泥硅含量较高，弥补污水厂污泥和焚烧飞灰硅含量的不足，提高陶粒强度；
(4)建筑垃圾微粉，硅、钙含量较高，提高陶粒强度且起到一定助熔效果；
(5)赤泥，铁含量高，促进陶粒产气膨胀，起到轻质作用。
本发明创造具有的优点和积极效果：
(1)实现多种废物的综合利用，利废范围广泛，各原料成分互补，能够相互结合发挥协同作用，制备的陶粒具备轻质高强的性能，解决大量固废填埋对土地资源的侵占， 陶粒对重金属有效固化，其浸出液浓度不仅符合GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸 出毒性鉴别》中规定的浓度要求，甚至低于GB3838-2002《地面水环境质量标准》限值低 于Ⅰ类水重金属浓度指标，固化率达到90％以上，实现了固废、危废的减量化、无害化、 资源化，减轻填埋压力，避免对水资源、土壤等环境的二次污染风险；
(2)不添加粘土、膨润土等天然资源(利用飞灰制备陶粒的专利中均加入粘土或膨润土)，原料均为固体废弃物，原料来源广泛、易收集、成本低，且对环境危害较大， 处理困难或成本较高，本方法利废程度高(原料100％为废物)，不耗费天然资源，不添 加化学试剂，同时利用污泥和飞灰热能，大量节省能源，降低成本；
(3)污泥及河道淤泥无需干化，节省污泥及河道淤泥干化的能源及费用，陶粒制备采用挤出成型避免盘式成型粉尘污染。
(4)本方法制备的陶粒应用于混凝土和小型空心砌块的制备中，制品均达到相关标 准要求。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以 相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明创造。
各实施例及对比例按照如下过程制备陶粒，首先，将飞灰、建筑垃圾微粉和赤泥球磨后过筛0.15mm；之后，将原料混合搅拌经挤出机挤出成型，挤压成型的压力为4-5MPa， 生料球直径5-10mm，挤出成型后生料球陈化12-24小时；最后，回转窑中升温速度5℃/min 至120℃保温1h干燥坯体(防止坯料在预热过程因水分大量溢出而发生破裂)，5℃/min 400℃预热30min，升温速度10℃/min至1225℃，保温5min，冷却。
按照上述制备过程，各实施例中原料配比(按照质量百分数计算)具体见表1：
表1
按照上述制备过程，各对比例中原料配比(按照质量百分数计算)具体见表2：
表2
实例和对比组涉及到的原料主要化学成分的质量百分比及烧失质量百分比具体见表 3：
表3
从上述表3可以看出污泥和飞灰硅含量略低，烧失量较大，但铁钙钾钠等助熔成分较 高，其有机质和助熔产气成分有利于陶粒制备及轻质化，并提供一定的热能节省能源；河道淤泥、建筑垃圾与粘土、膨润土化学成分及烧失量相近，可以替代稀缺的粘土和膨 润土起到降低烧失量、提高陶粒强度的作用，保护自然资源；河道淤泥与粉煤灰成分相 近，但淤泥铁含量略高，钙含量低，可以使陶粒更好地产气轻质化并有效平衡原料钙含 量，防止烧结温度范围过窄，有利于工程生产实践；且现有技术中，随着国家对煤等不 可再生资源的管控，粉煤灰已极具下降，且可以用于性价比更高产品的制作，已不属于 亟待处理的固废；而赤泥中铁、钙含量较高，加入可以更好的促进陶粒轻质化，并起到 一定助熔作用节省能源，但是同样钙含量过高可能会使烧结温度变窄，且其硅含量较低 不能提供支撑作用骨架，淤泥、建筑垃圾微粉与赤泥混合可以使原料成分有效互补，达 到陶粒强度和膨胀的最佳状态。
上述各实施例及对比例制备所得陶粒的性能指标见表4：
表4
组别 堆积密度(kg/m3)(密度等级) 筒压强度(MPa) 吸水率(％)
实施例1 395(400) 1.40 14.0
实施例2 522(600) 2.39 9.7
实施例3 514(600) 2.27 9.3
实施例4 572(600) 2.15 9.5
实施例5 575(600) 2.24 9.5
实施例6 494(500) 1.87 12.8
实施例7 480(500) 2.02 11.1
实施例8 596(600) 2.60 10.2
实施例9 535(600) 2.11 10.8
实施例10 516(600) 2.14 10.2
实施例11 588(600) 2.35 9.1
实施例12 522(600) 2.09 9.6
对比例1 872(900) 3.55 7.2
对比例2 855(900) 3.58 1.2
对比例3 487(500) 1.62 5.2
对比例4 982(900) 2.33 6.5
由表4可见，实例组制备的陶粒堆积密度普遍低于对比组，且筒压强度和吸水率均满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验方法第1部分：轻集料》中该密度等级对 应标准要求，实例组陶粒其它性能指标均能满足GBT17431.1-2010《轻集料及其试验 方法第1部分：轻集料》标准要求。根据各项指标综合评价实例组1效果最好，其在 强度合格的前提下，密度最低，即可以降低制备轻质混凝土的密度，且可以减少建筑 自重，并且提高保温性能。
采用HJ/T299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》处理陶粒样品，重金属浸出浓度见表5：
表5
由表5可以看出，实施例1-12中重金属浸出浓度低于GB5085.3-2007《危险废物 鉴别标准浸出毒性鉴别》浓度限值要求，甚至低于GB3838-2002《地面水环境质量标 准》限值低于Ⅰ类水重金属浓度指标，重金属固化率均达到92％以上，说明以本方法 中的原料配比烧制陶粒对原料中重金属有很好的固化效果，解决了污泥、焚烧飞灰对 环境二次污染的潜在环境压力。
按照实施例1制备所得陶粒在制备混凝土中的应用。
上述混凝土的制备过程如下：
(1)参照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》，设计混凝土试样的配合比， 设计等级LC15，水灰比0.45，单方水泥(42.5级)用量280kg，矿粉80kg，粉煤灰(I级) 70kg，河砂(中砂)935kg，陶粒230kg，外加剂(萘系减水剂)2.8kg。
(2)按所设计配合比称量原料，按照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》中拌合方法进行混合搅拌。陶粒浸泡24h，晾至饱和面干，与细骨料、水泥、掺和料、外加 剂一起拌和1min后，再加入拌和用水量，继续拌和2min，搅拌过程完成后进行振动成型， 并在标准条件下将所成型的混凝土试样养护至一定龄期进行性能测试。
(3)混凝土性能检测试块制备。混凝土坍落度按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，轴心抗压强度按GB/T 50081-2002《普通混凝土力 学性能试验方法》进行测试，试样尺寸为150mm×150mm×150mm，干表观密度和导热系 数按照JGJ 51-2002《轻集料混凝土技术规程》进行测试，干表观密度导热系数测试的 试样尺寸为150mm×150mm×150mm，导热系数试样尺寸为200mm×200mm×30mm(一块)、 200mm×200mm×60mm(两块)。
制备所得混凝土的性能指标如表6所示：
表6
上述结构满足JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中规定的LC 15结构保温轻 骨料混凝土性能要求。
按照实施例1制备所得陶粒在制备空心砌块中的应用。
上述空心砌块的制备过程如下：
原料由水泥(42.5级)、陶粒、河砂(中砂)组成，配合比单方水泥用量400kg，陶 粒150kg，河砂450kg，按如下步骤制备：
(1)按比例计量原料；
(2)将计量好的原料经过搅拌机搅拌，先进行干搅拌，然后加水搅拌，搅拌成干硬性混凝砂料；
(3)将搅拌好的干硬性混凝砂料经过布料箱送入模具内进行机械振动和挤压成型， 砌块成型尺寸390*190*190(mm)；
(4)将成型的半成品脱模，自然养护。按照GBT 15229-2011《轻集料混凝土小型 空心砌块》标准要求进行性能检测。
制备所得空心砌块的性能指标如表7所示：
表7
上述结构符合GBT 15229-2011《轻集料混凝土小型空心砌块》标准中规定的MU3.5、 密度等级800的小型空心砌块要求。
以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较 佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种由固体废弃物制备的陶粒，其特征在于，由如下质量份数的原料制作而成：污泥10-40份，生活垃圾飞灰10-40份，河道淤泥15-45份，建筑垃圾微粉5-40份，赤泥3-8份。
2.根据权利要求1所述的一种由固体废弃物制备的陶粒，其特征在于，所述污泥为污水厂脱水湿态污泥，含水量≤80％。
3.根据权利要求1所述的一种由固体废弃物制备的陶粒，其特征在于，所述河道淤泥含水量≤35％。
4.如权利要求1-3所述陶粒的制备方法，其特征在于，将原料混合搅拌经挤出机挤出成型，挤压成型的压力为4-5MPa，生料球直径5-10mm，挤出成型后生料球陈化12-24小时，回转窑中升温速度5℃/min至120℃保温1h干燥坯体，5℃/min 400℃预热30min，升温速度10℃/min至1225℃，保温5min，冷却。
5.如权利要求4所述陶粒的制备方法，其特征在于，在原料混合前，需要将飞灰、建筑垃圾微粉和赤泥球磨后过筛0.15mm。
6.如权利要求1-3所述陶粒在制备混凝土中的应用。
7.如权利要求1-3所述陶粒在制备空心砌块中的应用。
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