CN113582592B - 一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法 - Google Patents

一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，采用将活性污泥焚烧灰100份、砂80～120份、碎石50～80份及饱和石灰水95～140份进行拌和均匀，拌合物倒入模具中采用加压成型法制砖，脱模静置养护后采用微波养护法快速提高砖体强度。本发明具有固废利用率高、砖体强度高、制砖效率快且工艺简单等优点，为污泥焚烧灰高效资源化利用提供新技术，具有良好的社会、环境及经济效益，产业化前景良好。

Description

一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的不断推进，我国污水处理能力得到了快速提高，而在此过程中，污水处理厂污泥也同步大幅增加。污水处理厂污泥是经城市污水处理厂多级处理形成的含水率为75％～99％的流体状废弃物，呈黑色或黑褐色，水分和有机物含量很高，易腐败产生刺鼻恶臭味，此外污泥还含有大量的病原体、寄生虫卵、重金属和多种有害的有机污染物。截至2019 年6月底，全国设市城市累计建成污水处理厂5500多座，污水处理能力达2.1亿立方米/日，年产生含水量80％的污泥5000多万吨(不含工业污泥 4000多万吨)，这些体量庞大的污泥因含水率高、组分复杂且存在污染风险等特点而难以直接利用，目前多以填埋处置为主，不仅占用大量土地资源，还极易造成二次污染。
污泥焚烧作为一种先进的污泥热处理技术，具有减量化程度高、处置能力大、速度快且能源可再利用等优点，但焚烧后仍有近焚烧污泥量10％的灰渣产生，针对这些污泥焚烧灰渣目前主要有三种处置方法：1)稳定化后填埋处理；2)经高温熔融处理后资源化利用；3)用于生产水泥等硅酸盐类材料。以上三种处置方法中，填埋处理需要建设填埋场，且污泥焚烧灰未得到有效利用；高温熔融需消耗大量的热量，且需要特殊的设备及专业人员；生产水泥存在掺量小，影响产品性能等不利影响。因此，如何实现污泥焚烧灰的高效资源化利用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掺加污泥焚烧灰制备无熟料免烧环保砖制备方法，主要通过协同焚烧、粉磨及化学激发等方法提高污泥焚烧灰的活性，以其为胶凝材料，与砂、石及饱和石灰水混合后，采用压制成型工艺，在微波养护下制得免烧环保砖。
本发明的一种掺加污泥焚烧灰制备无熟料免烧环保砖制备方法，采用包括以下重量份的原料制成：
活性污泥焚烧灰：100份；
砂：80～120份；
碎石：50～80份；
饱和石灰水：95～140份；
所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法包括如下步骤：
(1)物料拌和：将上述原料按配方量称取并倒入搅拌锅中进行充分拌和，得到均匀的拌合物；
(2)压制成型：将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在3～7MPa压力下完成压制成型，脱模后在标准养护条件下静置养护8～12h；
(3)微波养护：将步骤(2)中静置养护完成的样品放置微波环境中，按设定制度完成微波养护，制得免烧环保砖。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述活性污泥焚烧灰是按如下步骤制得：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土10～22份及石灰3～ 10份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为700～850 ℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂1.5～5.0份及助磨剂0.15～0.50份，粉磨至物料比表面积不小于480m2/kg，即得活性污泥焚烧灰。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述活性污泥焚烧灰的制造步骤(1)中的所述干化污泥为污水处理厂污泥脱水干化后粒料，所述工程渣土为塑性指数大于18的黏土，其质量份为烘干样，所述石灰为钙质石灰，其氧化钙与氧化镁总含量不低于70％。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述活性污泥焚烧灰的制造步骤(3)中的所述激发剂为脱硫石膏与氯化钙的混合物，两者质量比为60～75：40～25，所述助磨剂为三乙醇胺、三异丙醇胺或丙三醇中的一种，溶液浓度为10％。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述砂为天然砂或机制砂中的一种，细度模数为2.5～3.0。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述碎石为天然级配碎石或再生级配碎石，粒径为5～10mm。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述标准养护条件为温度在20±2℃，相对湿度大于95％。
如所述的掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述制备方法步骤(3)采用的微波养护，其频率为2400～2500MHz，微波养护制度为： 1)100W养护5min，停3min，如此往复3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)在不显著改变污泥焚烧工艺及设备的前提下，显著提高污泥焚烧灰渣中的活性组分含量，并利用机械粉磨与化学激发获得活性污泥焚烧灰；
(2)微波养护具有传热均匀、速度快且热效率高等优点，可快速激发活性污泥焚烧灰中的活性组分与碱液及激发剂发生胶凝反应，胶结体系中的砂石集料，填充内部孔隙，实现强度快速增长；与此同时，大量生成的胶凝产物可固化污泥焚烧灰中的重金属，起到快速固化稳定的效果，提高产品的安全性；
(3)本发明有效利用污泥焚烧灰制备环保砖，且制备工艺简单、制砖工艺周转快，具有良好的推广应用前景。
附图说明
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
图1为本发明不同养护制度下实施例1～4的抗压强度对比示意图；
图2为本发明不同养护制度下实施例5～8的抗压强度对比示意图；
图3为本发明不同养护制度下实施例9～12的抗压强度对比示意图；
图4为本发明不同养护制度下实施例13～16的抗压强度对比示意图。
具体实施方式
本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本发明权利要求的范围内。
本发明的一种掺加污泥焚烧灰制备无熟料免烧环保砖制备方法，采用包括以下重量份的原料制成：
活性污泥焚烧灰：100份；
砂：80～120份；
碎石：50～80份；
饱和石灰水：95～140份；
掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法包括如下步骤：
(1)物料拌和：将上述原料按配方量称取并倒入搅拌锅中进行充分拌和，得到均匀的拌合物；
(2)压制成型：将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在3～7MPa压力下完成压制成型，脱模后在标准养护条件下静置养护8～12h；
(3)微波养护：将步骤(2)中静置养护完成的样品放置微波环境中，按设定制度完成微波养护，制得免烧环保砖。
以某污水处理厂干化污泥为原料，先进行四种活性污泥焚烧灰的制备，具体过程如下：
活性污泥焚烧灰S1按如下步骤制备而成：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土10份及石灰3份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为700℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂1.5份及助磨剂0.15份，粉磨至物料比表面积485m2/kg，即得活性污泥焚烧灰S1。
其中，工程渣土塑性指数为19.6，钙质石灰中氧化钙及氧化镁总含量为82％，激发剂按脱硫石膏与氯化钙质量比为60：40进行配制，助磨剂选用10％浓度的三乙醇胺溶液。
活性污泥焚烧灰S2按如下步骤制备而成：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土16份及石灰7份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为800℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂3.3份及助磨剂0.29份，粉磨至物料比表面积536m2/kg，即得活性污泥焚烧灰S2。
其中，工程渣土塑性指数为21.3，钙质石灰中氧化钙及氧化镁总含量为76％，激发剂按脱硫石膏与氯化钙质量比为68：32进行配制，助磨剂选用10％浓度的丙三醇溶液。
活性污泥焚烧灰S3按如下步骤制备而成：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土20份及石灰10份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为850℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂4.2份及助磨剂0.43份，粉磨至物料比表面积513m2/kg，即得活性污泥焚烧灰S3。
其中，工程渣土塑性指数为18.9，钙质石灰中氧化钙及氧化镁总含量为79％，激发剂按脱硫石膏与氯化钙质量比为75：25进行配制，助磨剂选用10％浓度的三异丙醇胺溶液。
活性污泥焚烧灰S4按如下步骤制备而成：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土22份及石灰10份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为750℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂5.0份及助磨剂0.50份，粉磨至物料比表面积556m2/kg，即得活性污泥焚烧灰S4。
其中，工程渣土塑性指数为27，钙质石灰中氧化钙及氧化镁总含量为 73％，激发剂按脱硫石膏与氯化钙质量比为72：28进行配制，助磨剂选用 10％浓度的三乙醇胺溶液。
实施例1
一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖，采用如下工艺进行制备：
(1)将活性污泥焚烧灰(S1)100份，细度模数2.5的天然砂80份，粒径5～10mm的天然级配碎石50份与饱和石灰水95份加入搅拌锅中拌和均匀，饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液；
(2)将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在3MPa压力下成型，脱模后在20±2℃温度及相对湿度大于95％环境下静置养护8h；
(3)将步骤(2)中完成静置养护的样品放置微波环境中，微波频率为2400～2500MHz，微波养护制度为：100W养护5min，停3min，如此往复 3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次。
由此制得免烧环保砖B1。
实施例2
一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖，采用如下工艺进行制备：
(1)将活性污泥焚烧灰(S1)100份，细度模数2.7的机制砂96份，粒径5～10mm的天然级配碎石67份与饱和石灰水122份加入搅拌锅中拌和均匀，饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液；
(2)将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在4.5MPa压力下成型，脱模后在20±2℃温度及相对湿度大于95％环境下静置养护9h；
(3)将步骤(2)中完成静置养护的样品放置微波环境中，微波频率为2400～2500MHz，微波养护制度为：100W养护5min，停3min，如此往复 3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次。
由此制得免烧环保砖B2。
实施例3
一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖，采用如下工艺进行制备：
(1)将活性污泥焚烧灰(S1)100份，细度模数2.9的机制砂120份，粒径5～10mm的再生级配碎石72份与饱和石灰水135份加入搅拌锅中拌和均匀，饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液；
(2)将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在5.5MPa压力下成型，脱模后在20±2℃温度及相对湿度大于95％环境下静置养护11h；
(3)将步骤(2)中完成静置养护的样品放置微波环境中，微波频率为2400～2500MHz，微波养护制度为：100W养护5min，停3min，如此往复 3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次。
由此制得免烧环保砖B3。
实施例4
一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖，采用如下工艺进行制备：
(1)将活性污泥焚烧灰(S1)100份，细度模数2.7的天然砂106份，粒径5～10mm的再生级配碎石80份与饱和石灰水140份加入搅拌锅中拌和均匀，饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液；
(2)将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在7MPa压力下成型，脱模后在20±2℃温度及相对湿度大于95％环境下静置养护12h；
(3)将步骤(2)中完成静置养护的样品放置微波环境中，微波频率为2400～2500MHz，微波养护制度为：100W养护5min，停3min，如此往复 3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次。
由此制得免烧环保砖B4。
实施例5～8
将活性污泥焚烧灰(S2)替代活性污泥焚烧灰(S1)，参照实施例1～ 4的原料配比分别进行实施例5～8，并制得免烧环保砖B5～B8。
实施例9～12
将活性污泥焚烧灰(S3)替代活性污泥焚烧灰(S1)，参照实施例1～ 4的原料配比分别进行实施例9～12，并制得免烧环保砖B9～B12。
实施例13～16
将活性污泥焚烧灰(S4)替代活性污泥焚烧灰(S1)，参照实施例1～ 4的原料配比分别进行实施例13～16，并制得免烧环保砖B13～B16。
测试实施例
如上所述，先后选用活性污泥焚烧灰S1～S4，分别参照实施例1～4 的配比进行制样，共制得16组免烧环保砖B1～B16，各实施例产品编号如表1所列。
表1实施例产品编号对照表
Figure BDA0003156028930000071
参照《砌墙砖试验方法》GB/T 2542-2012对16组微波养护的环保砖及压制成型后放置标准养护环境下养护28d的砖抗压强度进行对比，结果如图1至图4。
由图1至图4可知，采用本发明公开的原料及配比制得的环保砖，标准养护28d的抗压强度高于同配比下微波养护的抗压强度，但微波养护可大大提高其强度发展速率，进而提高制砖效率。按照本发明公开的微波养护工艺，环保砖强度损失较小，参照《烧结普通砖》GB/T 5101-2017中规定可知，参照实施例1工艺制备的B1、B5、B9及B13均达到MU20烧结砖的强度等级，参照实施例2工艺制备的B10达到MU20烧结砖的强度等级，而B2、B6及B14达到MU15烧结砖的强度等级，参照实施例3工艺制备的 B3及B7达到MU15烧结砖的强度等级，而B11及B15达到MU20烧结砖的强度等级，参照实施例4工艺制备的B4达到MU10烧结砖的强度等级，而 B8、B12及B16达到MU15烧结砖的强度等级。
本发明对传统污泥焚烧工艺进行改进，并对焚烧灰渣进行粉磨、激发等改性处理，获得具有高活性的污泥焚烧灰，以其作为胶凝材料，与砂、石及饱和石灰水进行混合，采用压制成型工艺，在微波养护下制得强度高、稳定性好的环保砖。
综上可知，采用本发明公开实施例制得的16组免烧环保砖，除B4达到MU10烧结砖的强度等级外，其余15组强度等级均达到MU15甚至MU20 烧结砖的强度等级，由此表明本发明公开制得的免烧环保砖强度较高，可满足工程建设需求。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，采用包括以下质量份的原料制成：
活性污泥焚烧灰：100份；
砂：80～120份；
碎石：50～80份；
饱和石灰水：95～140份；
所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法包括如下步骤：
(1)物料拌和：将上述原料按配方量称取并倒入搅拌锅中进行充分拌和，得到均匀的拌合物；
(2)压制成型：将步骤(1)所得拌合物加入模具中，在3～7MPa压力下完成压制成型，脱模后在标准养护条件下静置养护8～12h；
(3)微波养护：将步骤(2)中静置养护完成的样品放置微波环境中，按设定制度完成微波养护，制得免烧环保砖；所述制备方法步骤(3)采用的微波养护，其频率为2400～2500MHz，微波养护制度为：1)100W养护5min，停3min，如此往复3次；2)150W养护3min，停3min，如此往复3次；3)220～240W养护3min，停3min，如此往复2次；微波养护快速激发活性污泥焚烧灰中的活性组分与碱液及激发剂发生胶凝反应，胶结体系中的砂石集料填充内部孔隙。
2.根据权利要求1所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，所述活性污泥焚烧灰是按如下步骤制得：
(1)焚烧活化：将干化污泥100份、工程渣土10～22份及石灰3～10份按比例进行混合均匀，在焚烧炉中进行焚烧，焚烧温度为700～850℃；
(2)灰渣急冷：将步骤(1)焚烧所得的灰渣出炉后立即倒入水中进行急冷，随后过滤并沥干；
(3)粉磨制备：将步骤(2)沥干后物料加入球磨机中，并按配方量加入激发剂1.5～5.0份及助磨剂0.15～0.50份，粉磨至物料比表面积不小于480m2/kg，即得活性污泥焚烧灰。
3.根据权利要求2所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述干化污泥为污水处理厂污泥脱水干化后粒料，所述工程渣土为塑性指数大于18的黏土，其质量份为烘干样，所述石灰为钙质石灰，其氧化钙与氧化镁总含量不低于70％。
4.根据权利要求2所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述激发剂为脱硫石膏与氯化钙的混合物，两者质量比为60～75：40～25，所述助磨剂为三乙醇胺、三异丙醇胺或丙三醇中的一种，所述助磨剂的溶液浓度为10％。
5.根据权利要求1所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，所述砂为天然砂或机制砂中的一种，细度模数为2.5～3.0。
6.根据权利要求1所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，所述碎石为天然级配碎石或再生级配碎石，粒径为5～10mm。
7.根据权利要求1所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，所述饱和石灰水为饱和Ca(OH)2溶液。
8.根据权利要求1所述掺加污泥焚烧灰无熟料免烧环保砖制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤(2)的标准养护条件为温度在20±2℃，相对湿度大于95％。
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