CN113200760A - 一种污泥基生物炭制备陶粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，选用污泥基生物炭和黄土作为原料；将污泥基生物炭和黄土研磨成粉，筛分后烘干备用；将研磨干燥后的污泥基生物炭和黄土按照重量比为1:1‑6的比例，混合均匀生料；将混合均匀生料进行造粒，制成粒径为0.5‑1cm的生料颗粒；烧制分为三个阶段,第一阶段为低温烘干阶段，第二阶段为中温预热阶段，第三阶段为高温烧结阶段。本发明提供了一种利用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化产生的污泥基生物炭制备陶粒的方法，实现了污泥基生物炭的大规模综合利用，将污泥进行废物再利用，为污泥热解炭化的终端产品应用提供了良好的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及污泥热解炭化技术领域，具体为一种污泥基生物炭制备陶粒的方法。
背景技术
市政污泥是城市污水处理过程中产生的副产物，是一种特殊的泥水混合物，它含有大量水分、有机物、无机物和微生物。随着我国城市化进程的加快，污水的产生量在持续增加，污水处理过程中产生的大量污泥造成的环境问题日益突出。如何妥善处理城市生活污水处理厂污泥，实现污泥处置与资源化利用，是当前我国城市化进程中面临的一项重大课题，也是无废城市建设和绿色低碳发展的必然要求。
近年来，污泥热解炭化技术被认为是环境和经济都适宜的污泥处理处置技术，其作为污泥“四化”的新手段受到了污泥处置市场的广泛关注。污泥热解炭化，就是通过绝氧条件下给污泥“加温和加压”，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来同时又最大限度地保留了污泥中炭质的过程。污泥炭化的优势在于其能源消耗少，剩余产物中的炭含量高，发热量大，N、P含量高。除此之外，污泥热解炭化过程可以降低重金属的生物有效性，促进酸可溶态和可还原态向稳定的可氧化态和残渣态转化，从而显著降低了污泥资源化利用所带来的生态环境风险，有效解决污泥基生物炭资源化利用时的负面效应，使得污泥基生物炭的资源化利用成为可能。
目前，国内外关于污泥热解炭化的研究多侧重于产能，而非以物质利用尤其是固态产物的资源化处置技术为其主要目标，利用污泥炭化产物-污泥基生物炭制备陶粒的研究鲜见报道。
现有污泥制备陶粒技术主要存在以下缺陷：
(1)大部分只针对污水厂未经处理的原污泥，污泥体量大，占地面积广，易造成污泥大规模运输，成本高，鲜有结合污泥炭化技术制备污泥基生物炭陶粒；
(2)现有污泥烧制陶粒技术存在污泥利用率低，污泥陶粒使用时有重金属溶出等问题；
(3)现有污泥制备陶粒技术由于污泥的高含水率问题进一步限制了污泥的规模化利用。
为此我们提出一种污泥基生物炭制备陶粒的方法用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种污泥基生物炭制备陶粒的方法
(1)材料选择：选用污水处理厂产生的含水率80％的污泥经过热解炭化技术得到的污泥基生物炭和黄土作为原材料；
(2)干燥：将污泥基生物炭和黄土进行粉碎研磨，并过100目筛进行筛分和在105℃下烘干备用；
(3)混合：将筛分过的污泥基生物炭和黄土按照重量比为1:3的比例进行混合，得到混合均匀生料；
(4)造粒：将混合均匀生料加水搅拌调湿，再将湿生料成型造粒，制成粒径为0.5-1cm的生料颗粒；
(5)烧制：烧制分为三个阶段，第一阶段为低温烘干阶段，将生料颗粒放在电热恒温鼓风干燥器内于100℃下进行烘干；第二阶段为中温预热阶段，将干燥后的生料球放入马弗炉中升温至350℃，预热30min；第三阶段为高温烧结阶段，烧制温度为950℃-1050℃，烧制时间为40min，自然降温，取出后冷却到室温，即制得污泥基生物炭陶粒。
与现有技术相比，本发明具有如下有益功能：
(1)本发明提供了一种利用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化产生的污泥基生物炭制备陶粒的方法，实现了污泥基生物炭的大规模综合利用，将污泥进行废物再利用，为污泥热解炭化的终端产品应用提供了良好的解决方案；
(2)通过热解炭化技术形成的污泥基生物炭，不但实现了污泥的减量化、稳定化、无害化，而且能够降低重金属的生物有效性；利用高温烧结工艺，进一步高效固化了污泥基生物炭中的重金属元素，有效避免污泥基生物炭土地利用时因重金属累积引起潜在的二次污染问题，最终使污泥能够安全应用于实际生产当中；
(3)以污泥基生物炭为原料制取的陶粒具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震、防火等功能，其是一种性能优良的新型建筑基础材料，市场需求量很大；而且陶粒表面有许多微孔，具有一定的机械强度，吸水、透气、保肥能力强，也可做为无土栽培的载体、水处理的过滤介质等，应用途径广泛；
(4)本发明工艺简单实用，利用热解炭化减量后的污泥基生物炭作为制取陶粒的原料，设备投资少，能源消耗低，污泥运输成本低，不易造成环境的二次污染，具有很好的经济效益和环境效益。
附图说明
图1为本发明中Riley三相图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，包括以下步骤：
实施例1：
(1)材料选择：选用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化技术产生的污泥基生物炭和黄土作为原料；
(2)干燥：将污泥基生物炭和黄土通过小型球磨机研磨成粉，过100目筛进行筛分后经105℃的电热恒温鼓风干燥器烘干备用；
(3)混合：将研磨干燥后的污泥基生物炭和黄土按照重量比为1:3的比例送入搅拌机进混合，得到混合均匀生料；
(4)造粒：将混合均匀生料放入600型圆盘造粒机进行造粒，造粒机一边匀速旋转，一边喷水，使其自然成形，制成粒径为0.5-1cm的生料颗粒；
(5)烧制：烧制分为三个阶段，第一阶段为低温烘干阶段，将生料颗粒放在电热恒温鼓风干燥器内于100℃下进行烘干；第二阶段为中温预热阶段，将干燥后的生料球放入马弗炉中升温至350℃，预热30min；第三阶段为高温烧结阶段，烧制温度为950℃，烧制时间为40min，自然降温，取出后冷却到室温，即制得污泥基生物炭陶粒。
收集实施例1所制得的陶粒，对陶粒的部分性能进行检测，检测数据如下：
表1：实施例1所制得的污泥基生物炭陶粒浸出毒性实验数据
参照HJ557-2010《固体废物浸出毒性浸出方法—水平振荡法》，进行泥基生物炭陶粒浸出毒性实验，采用原子吸收分光光度法测定陶粒浸出液的重金属含量，重金属元素Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As、Hg均为检测出来，说明重金属含量均符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)标准的要求。
表2：实施例1所制得的污泥基生物炭陶粒的性能数据
| 序号 | 烧结温度(℃) | 筒压强度(Mpa) | 堆积密度(kg/m<sup>3</sup>) | 吸水率(％) |
| 实施例1 | 950 | 4.3 | 900 | 16.18 |
通过本发明提供一种利用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化产生的污泥基生物炭制备陶粒的粒径较为平均，且强度与吸水率的性能指标均较为优秀，相对于市面上普通的陶粒也有较大的优势，并且通过本发明制备的陶粒更为环保，将污泥热解炭化形成的污泥基生物炭进行回收利用，成本也相对较低。
实施例2：
(1)材料选择：选用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化技术产生的污泥基生物炭和黄土作为原料；
(2)干燥：将污泥基生物炭和黄土通过小型球磨机研磨成粉，过100目筛进行筛分后经105℃的电热恒温鼓风干燥器烘干备用；
(3)混合：将研磨干燥后的污泥基生物炭和黄土按照重量比为1:3的比例送入搅拌机进混合，得到混合均匀生料；
(4)造粒：将混合均匀生料放入600型圆盘造粒机进行造粒，造粒机一边匀速旋转，一边喷水，使其自然成形，制成粒径为0.5-1cm的生料颗粒；
(5)烧制：烧制分为三个阶段，第一阶段为低温烘干阶段，将生料颗粒放在电热恒温鼓风干燥器内于100℃下进行烘干；第二阶段为中温预热阶段，将干燥后的生料球放入马弗炉中升温至350℃，预热30min；第三阶段为高温烧结阶段，烧制温度为1050℃，烧制时间为40min，自然降温，取出后冷却到室温，即制得污泥基生物炭陶粒。
收集实施例1所制得的陶粒，对陶粒的部分性能进行检测，检测数据如下：
表3：实施例2所制得的污泥基生物炭陶粒浸出毒性实验数据
参照HJ557-2010《固体废物浸出毒性浸出方法—水平振荡法》，进行泥基生物炭陶粒浸出毒性实验，采用原子吸收分光光度法测定陶粒浸出液的重金属含量，重金属元素Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd、As、Hg均为检测出来，说明重金属含量均符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)标准的要求。
表4：实施例2所制得的污泥基生物炭陶粒的性能数据
| 序号 | 烧结温度(℃) | 筒压强度(Mpa) | 堆积密度(kg/m<sup>3</sup>) | 吸水率(％) |
| 实施例1 | 1050 | 5.2 | 955.14 | 15.2 |
通过本发明提供一种利用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化产生的污泥基生物炭制备陶粒的粒径较为平均，且强度与吸水率的性能指标均较为优秀，相对于市面上普通的陶粒也有较大的优势，并且通过本发明制备的陶粒更为环保，将污泥热解炭化形成的污泥基生物炭进行回收利用，成本也相对较低。
发明人在实验室进行污泥基生物炭造粒相关实验，获取污泥基生物炭造粒的实验数据如下：
1、原料配比对陶粒性能影响
为烧制性能良好的陶粒，其成分配比可以参照Riley三相图，如图1所示；
由Riley三相图可以得到各物质成分的组成范围为：SiO2占总质量比例为53％～79％，Al2O3的占比为10％～25％，CaO、MgO等助熔成分之和的占比为13％～27％。实验所用原料干基元素组成表见表5和表6。
根据原料测的各氧化物含量确定造粒原料的配比，烧结程序为：预热温度350℃，预热时间30min；高温烧结温度1050℃，烧结时间40min。
表5：实验所用原料干基元素组成表(％)
表6：造粒原料的配比
2、烧结温度对陶粒性能影响
在上述因素最优条件下，烧结温度可选650℃、750℃、850℃、950℃、1050℃这5个温度梯度。
3、烧结时间对陶粒性能影响
在上述因素最优条件下，烧结时间可选10min、20min、40min、60min这4个时间梯度。
4、原料配比对陶粒性能影响
根据原料测的各氧化物含量确定造粒原料的配比，烧结程序为：预热温度350℃，预热时间30min；高温烧结温度1050℃，烧结时间40min。
表7：不同原料配比对陶粒性能影响的实验数据
备注：(1).污泥基生物炭100g+沸石粉100g；
(2).污泥基生物炭100g+黄土100g；
(3).污泥基生物炭100g+黄土150g；
(4).污泥基生物炭100g+黄土300g；
(5).污泥基生物炭100g+粘土100g；
(6).污泥基生物炭100g+粘土400g；
(7).污泥基生物炭100g+黄土600g；
(8).污泥基生物炭100g+水泥100g；
(9).污泥基生物炭100g+水泥100g+黄土400g；
(10).污泥基生物炭100g+水泥100g+沸石粉400g。
根据表7中数据显示，当污泥基生物炭100g+黄土600g时，筒压强度最强，强度值为5.41Mpa；当污泥基生物炭100g+黄土300g时，筒压强度稍微降低，强度值为5.3Mpa；当污泥基生物炭100g+沸石粉100g时，筒压强度最低，强度值为0.84Mpa。
通过表7中数据可以看出，筒压强度越低，陶粒的吸水率越高；陶粒的堆积密度基本随筒压强度的增大而增大；陶粒的空隙率整体变化趋势是随筒压强度的增大而降低；陶粒的表观密度整体变化趋势是随筒压强度的增大而增大。
为了以较低的经济成本获得较大的筒压强度，通过不同原料配比对陶粒性能影响的实验数据分析得出，原料的最优配比选取污泥基生物炭100g+黄土300g。
5、烧结温度对陶粒性能影响
在上述因素最优条件下，原料的最优配比选取污泥基生物炭100g+黄土300g，烧结温度选取650℃、750℃、850℃、950℃、1050℃这5个温度梯度。烧结程序为：预热温度350℃，预热时间30min；高温烧结温度1050℃，烧结时间40min。
表8：不同烧结温度对陶粒性能影响的实验数据
根据表8中数据显示，随着温度的升高，陶粒的筒压强度逐渐增大，陶粒的吸水率逐渐降低，陶粒的表观密度和空隙率变化不显著；当烧结温度为950℃，陶粒的堆积密度最大。
六、烧结时间对陶粒性能影响实验
在上述因素最优条件下，原料的最优配比选取污泥基生物炭100g+黄土300g，烧结程序为：预热温度350℃，预热时间30min；烧结温度1050℃，烧结时间选取10min、20min、40min、60min这4个梯度。
表9不同烧结时间对陶粒性能影响的实验数据
根据表9中数据显示，随着烧结时间的升高，陶粒的筒压强度逐渐增大，当烧结时间为40min时，陶粒的筒压强度最大；当烧结时间为60min时，陶粒的筒压强度没有发生变化；随着烧结时间的升高，陶粒的吸水率整体呈现下降趋势；随着烧结时间的升高，陶粒的表观密度和空隙率变化不显著。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，其特征在于：
S1：材料选择：选用污泥基生物炭和黄土作为原料；
S2：干燥：将污泥基生物炭和黄土研磨成粉，筛分后烘干备用；
S3：混合：将研磨干燥后的污泥基生物炭和黄土按照重量比为1:1-6的比例，混合均匀生料；
S4：造粒：将混合均匀生料进行造粒，制成粒径为0.5-1cm的生料颗粒；
S5：烧制：烧制分为三个阶段,
S5.1：第一阶段为低温烘干阶段，将生料颗粒放在电热恒温鼓风干燥器内于100℃下进行烘干；
S5.2：第二阶段为中温预热阶段，将干燥后的生料球放入马弗炉中升温至300-350℃，预热30min；
S5.3：第三阶段为高温烧结阶段，烧制温度为650-1050℃，烧制时间为10-60min，自然降温，取出后冷却到室温，制得污泥基生物炭陶粒。
2.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，其特征在于：所述污泥基生物炭由城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化技术产生，其中污泥基生物炭包括沸石粉、凹凸棒粘土、水泥、炭粉。
3.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，其特征在于：S2中污泥基生物炭和黄土粉末过100目筛进行筛分。
4.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，其特征在于：S2中污泥基生物炭和黄土粉末筛分后经105℃的电热恒温鼓风干燥器烘干。
5.根据权利要求1所述的一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，其特征在于：所述烧制温度为650℃、750℃、850℃、950℃、1050℃，烧制时间为10min、20min、40min、60min。
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