TWI397511B - 含污水淤泥與其他廢棄物的合成聚集體以及製造此類聚集體的方法 - Google Patents

含污水淤泥與其他廢棄物的合成聚集體以及製造此類聚集體的方法 Download PDF

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Description

含污水淤泥與其他廢棄物的合成聚集體以及製造此類聚集體的方法
本發明係關於合成聚集體，尤其關於包含污水淤泥及矽鋁物質之合成聚集體，以及包含含低及高鈣組合之矽鋁物質之合成聚集體。
聚集體為混凝土、石造建築及補洞絕緣體之必要成分。聚集體之其他應用包括填料助劑或園藝用聚集體。聚集體可由天然來源中經由最小之處理所衍出或由經加熱處理之天然存在之物質中所衍出。聚集體亦可為合成性。來自天然來源諸如採石場、土坑及河床中之聚集體通常(例如)係由岩石碎片、沙礫、石頭及砂所組成，彼等可依所需予以壓碎、清洗並估量尺寸以供使用。來自可用以形成聚集體之天然物質之聚集體包括黏土、頁岩、及板岩，彼等經過高溫處理，導致物質之膨脹。OPTIROC及LECA為市售膨脹黏土聚集體之實例(例如)。合成聚集體可包含工業副產品，其可為廢棄物。LYTAG(例如)為市售之包含粉碎燃料灰(“PFA”)(亦已知為飛灰)之燒結聚集體。粉碎燃料灰(PFA)係由，例如，發電廠中之煤燃燒所產生。
供建築用之天然聚集體之需求量極高。然而，聚集體之來源有限且這些物質之提煉及處理乃因(例如)環境問題、法律問題、可利用性、都市擴展及運輸成本而複雜 化。又各式工業所產生之廢棄物巨幅增加而必需以環境及法律可接受之方式處置。大部分所產生的廢棄物通常係大成本地以填埋處置。由於可利用的填埋地點的用盡，取得新地點的困難性，潛在不利的環境效應，及填埋成本，使得廢棄物質的處置成為多年來明顯的問題。
廢棄物之處理及轉變以產製供混凝土及其他應用中使用之有效合成聚集體將可減輕廢棄物的問題以及天然聚集體來源耗盡的問題。
聚集體可為輕質或常重。如同ASTM說明書C330所定義，輕質聚集體(“LWAs”)具有小於2.0克/立方公分之微粒密度或小於1.1克/立方公分之乾鬆總體密度。來自(例如)砂礫、砂及碎石之常重聚集體通常具有約2.4至約2.9之總體比重(烘乾以及面乾內飽和)及至多約1.7克/立方公分之總體密度。高品質的輕質聚集體(LWAs)具有具均勻結構強度之強但低密度之多孔燒結陶瓷芯及一層密實、連續、相對不可滲透表層以抑制水之吸收。彼等具物理安定性、耐久且具環境惰性。供混凝土之使用方面，輕質聚集體(LWAs)必需具有足夠之抗壓強度及抗破碎性以使所得混凝土具有大於10Mpa之強度及約1.5克/立方公分至約2.0克/立方公分範圍內之乾密度。較低密度之輕質聚集體(LWAs)亦可製得。含輕質聚集體(LWAs)之混凝土(“LWA混凝土”)亦可具有低如約0.3克/立方公分之密度。
合成輕質聚集體(“LWAs”)由於具有實質用於結構 應用上的優勢，故受到大幅的關注。雖然含輕質聚集體(LWAs)之混凝土(“LWA混凝土”)比傳統混凝土輕20-30%，但其可能剛好夠強固。即使當其不似傳統混凝土一般強固時，LWA混凝土可使結構之靜負荷減少而得以能使用較長的跨距、較窄的橫斷面及減少結構中之補強材料。重量較輕之LWA混凝土有助於處理及減少運輸、設備及人力成本。LWA混凝土亦可改善絕緣性質、冷凍-解凍效能、耐火性及降音量。
污水淤泥(其係由生物學廢水處理場所產生)就體積及重金屬量而言，為顯著之廢棄物。污水淤泥包含在處理場各個處理階段期間(諸如初沉或二沉、好氧或厭氧消化或其他過程)所累積繼而由液流中所分離出之沉積固狀物。污水淤泥之組份及特性亦可依所施予之廢水處理過程及污水淤泥處理過程而變。污水淤泥可為未加工、已消化或已脫水。污水淤泥含有顯著量之有機物質且亦可含有高濃度之重金屬及致病原。污水淤泥通常業已經焚化處置以形成惰性灰，其乃藉由曝氣法、填埋法、散佈於陸地上作為肥料或土壤調節劑、及海洋傾棄法處置。
污水淤泥之再循環及處置呈現相當大的經濟及環境問題。廢棄物中重金屬及致病原之存在(其可能由填埋區中瀝濾出)對鄰近的土地及水源造成威脅。填埋位置的可利用性亦降低。此外，污水淤泥中大量水之存在(其增加廢棄物的重量)亦導致顯著之運輸及處置成本。
所產生之另一種顯著之廢棄物為由都市固體廢棄物 (“MSW”)焚化中所產生的灰流。雖然都市固體廢棄物(“MSW”)灰殘料之處置僅佔原始廢棄物之十分之一量，但因相當大量之固體殘料產生(其現今大部分用填埋法)而使處理產生問題。焚化爐底灰(“IBA”)為構成都市固體廢棄物(“MSW”)焚化爐殘料總重之約75%至約80%之主要灰流，其為渣、玻璃、陶瓷、鐵及非鐵金屬、礦物、其他非可燃物、與不燒有機物之多相混合物。焚化爐底灰(“IBA”)現今係以未加工之形式(未經熱處理)用於築堤之建構、鋪面底層及路底基層之鋪設、土的穩定處理、用於磚、塊及鋪路石中、及用以作為特定應用之填料。雖然視為相對惰性之廢棄物，但重金屬亦可能於這些應用中瀝濾出。
都市固體廢棄物(“MSW”)之焚化亦產生懸浮於燃燒氣體中或於排放管制裝置中收集之塵形式之微粒殘料，稱之為空氣污染管制(“APC”)殘料。其包括飛灰、石灰、碳、及於污染管制系統處所收集之殘料。焚化爐濾集塵(“IFD”)為以每1000公斤25-30公斤之速率產製而於分室袋式隔濾器中所收集之空氣污染管制(APC)殘料，而飛灰(其有時包括焚化爐濾集塵(“IFD”))則構成總結合灰流之約10%至15%。都市固體廢棄物(“MSW”)焚化爐飛灰(“IFA”)含有高濃度之危險物質，諸如重金屬、戴奧辛、硫化合物及氯化合物，因而在大多數歐洲國家中將其分類成毒性及危險殘料。因此，其僅可於特殊的填埋區中處置，此乃耗成本且對環境而言為不安全的。
有顯著量之殘料亦經由礦物、礦石及石頭之開採而產生。典型之採礦操作包括提煉、選礦、爆炸、壓碎、清洗、篩選、切割(石頭)、及料堆。這些操作產生了必需加以處置之廢棄物諸如不同尺寸之壓碎物質、粉末、泥殘料及廢水。來自切割裝飾石中之大理石及花崗石丟棄物(例如)亦包括大量的丟棄泥，其乃棄置至河及潟湖中。花崗石鋸機及花崗石切割機亦產生大量的粉末及泥狀廢棄殘料。本文中所用之所謂”採礦廢物”乃意指在這些操作期間所產生之廢物。採礦廢物在曝氣或填埋處置之前必需加以處理以避免環境污染。其他採礦廢物包括(例如)石灰岩及白雲石尾渣。
發電廠亦產生大量之灰殘料，有細粒形式，已知為粉碎燃料灰(“PFA”)，亦有粗粒部分，己之為爐底灰(“FBA”)。較重之灰物質佔所產生總煤灰之20-30%且為落於爐底之部分。爐底灰(“FBA”)現係以其未加工形式用以作為輕質混凝土中、波特蘭水泥製造中及其他瀝青或路底層應用中之聚集體。
其他以高速率產生之廢棄物包括水泥窯灰(“CKD”)及鼓風爐渣(“BFS”)。水泥窯灰(CKD)為水泥製造操作中由製造廠之空氣污染管制塵灰糸統中所捕獲之微細粉狀副產物。美國每年有一千四百二十萬噸之水泥窯灰(CKD)產生，而所產生之總水泥窯灰(“CKD”)中約有64%可於水泥廠中再利用。BFS為鼓風爐中鐵之製造及處理後之非金屬產物。經估計美國每年有約一千五百五十萬 噸之BFS產生，且大多數用於水泥之製造中以作為聚集體或絕緣物質。
廢棄物處置所造成之經濟負擔及危險性有利於發展出其他可將廢棄物轉換成安全且賺錢產物的技術。廢棄物的再利用以製造建築物材料諸如合成聚集體將成為一個有效的選擇，因其大大提供大量廢棄物利用之可能性，且亦可降低對不可更新之未加工物質在供聚集體物質方面的需求。
根據本發明之實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之燃燒灰渣矽鋁廢棄物混合。此方法進一步包含將混合物凝集以形成凝集體，及將凝集體高溫處理以形成聚集體。廢棄物可包含都市固體廢棄物焚化爐殘料、廢玻璃、鼓風爐渣、窯灰及/或採礦廢棄物。都市固體廢棄物焚化爐殘料可包含空氣污染管制殘料及/或焚化爐底灰。空氣污染管制殘料包括焚化爐飛灰及/或焚化爐濾集塵。窯灰包含水泥窯灰。採礦廢棄物包括花崗石鋸切殘料。
一實例中，廢棄物所包含之鈣多於污水淤泥。此實例中，廢棄物包括焚化爐濾集塵、焚化爐底灰、水泥窯灰、廢玻璃或鼓風爐渣。廢棄物可包含大於9乾重%之鈣；且污水淤泥可包含小於3乾重%之鈣。所得聚集體可包含小於約10乾重%之鈣。此方法可包含將佔混合物乾重約99 %至約60%之污水淤泥與佔混合物乾重約1%至約40%之廢棄物混合。理想者，此方法包含將佔混合物乾重約80%至約90%之污水淤泥與佔混合物乾重約10%至約20%之廢棄物混合。
另一實例中，廢棄物所包含之鈣少於污水淤泥。此實例中，廢棄物包括爐底灰、花崗石鋸切殘料及/或廢玻璃。廢棄物可包含小於約10%之鈣，且
污水淤泥包含大於約10%之鈣。聚集體可包含小於約10%之鈣。此方法可包含將佔混合物乾重約5%至約95%之污水淤泥與佔混合物乾重約95%至約5%之廢棄物混合。理想者，此方法包含將佔混合物乾重約30%至約70%之污水淤泥與佔混合物乾重約70%至約30%之廢棄物混合。更理想者，此方法包含將佔混合物乾重約30%至約50%之污水淤泥與佔混合物乾重約70%至約50%之廢棄物混合。
此方法可進一步包含在混合之前先將廢棄物碾磨。埋想之碾磨為濕磨。污水淤泥與廢棄物之混合物最好在凝集之前先予碾磨。理想之凝集化包含丸粒化。至少有一些水可由濕磨之廢棄物中移除且彼些水中至少有一些可於高溫處理之凝集體之丸粒化及/或驟冷期間使用。所得聚集體可具有約3毫米至約40毫米之直徑。
凝集體可包覆以無機粉末。塑性黏合劑可在凝集化之前先與污水淤泥及廢棄物混合。塑性黏合劑可包含黏土。黏土黏合劑可佔混合物乾重之約5%至約20%。
凝集體之高溫處理可於旋轉窯中進行。所得聚集體可(例如)為輕質聚集體或常重聚集體。凝集體可玻璃化。所選定之聚集體性質可以(至少有一部分)污水淤泥與廢棄物之比例以及高溫處理的溫度為基礎來控制。所選定之性質可包括聚集體之密度、水吸收力及/或強度。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造燒結輕質聚集體的方法，此方法包含製備包含來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之燃燒灰渣、矽鋁廢棄物之混合物，將混合物凝集以形成凝集體，及將凝集體燒結。廢棄物可包含焚化爐飛灰、焚化爐濾集塵、焚化爐底灰、爐底灰、廢玻璃、鼓風爐渣、水泥窯灰及/或花崗石鋸切殘料。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種燒結輕質聚集體，此燒結輕質聚集體包含來自廢水處理設施之污水淤泥以及非-煤之燃燒灰渣、矽鋁廢棄物。污水淤泥與廢棄物之混合物係於一溫度下燒結以形成燒結輕質聚集體。廢棄物可包含(例如)焚化爐飛灰、焚化爐濾集塵、焚化爐底灰、廢玻璃、鼓風爐渣、水泥窯灰及/或花崗石鋸切殘料。輕質燒結聚集體可包含約2乾重%之鈣至約10乾重%之鈣。理想者，輕質燒結聚集體可包含約3乾重%至約6乾重%之鈣。輕質燒結聚集體可為化學惰性。
根據本發明之另一實施例，高溫處理之聚集體包含來自廢水處理設施之污水淤泥，以及非-煤之燃燒灰渣、矽鋁廢棄物。聚集體可予燒結或玻璃化。聚集體可為常重或輕質聚集體。
根據本發明之另一實施例，高溫處理之聚集體係由污水淤泥所組成。污水淤泥可包含小於40重量%之有機物質。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將來自廢水處理設施之污水淤泥與來自燃煤設施之爐底灰(“FBA”)混合，將混合物凝集以形成凝集體，及將凝集體高溫處理以形成聚集體。根據另一實施例，其揭示一種高溫處理之聚集體，此聚集體包含來自廢水處理設施之污水淤泥以及來自燃煤設施之爐底灰。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將來自廢水處理設施之污水淤泥之濕氣含量降到容許凝集的程度，將污水淤泥凝集，及將凝集體高溫處理以形成聚集體。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將黏土或頁岩中之至少一種予以碾磨，移除來自廢水處理設施之污水淤泥中之至少一些水，及將污水淤泥與黏土或頁岩混合。再將混合物丸粒化，繼而將丸粒於旋轉窯中高溫處理以形成聚集體。污水淤泥與黏土或頁岩之混合物可予濕磨。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將來自廢水處理設施之污水淤泥與板岩、石灰、石灰岩、白雲石及/或石膏混合。將混合物凝集以形成凝集體。而後將凝集體高溫處理以形成聚集體。一或多種天然物質在與污水淤泥混合之前，可先進行處 理。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種高溫處理之聚集體，此高溫處理之聚集體包含來自廢水處理設施之污水淤泥以及板岩、石灰、石灰岩、白雲石及/或石膏。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將第一種物質(其可包含來自煤燃燒之粉煤燃料灰、煤、黏土、頁岩、板岩、花崗石鋸切殘料、廢玻璃及/或爐底灰)與第二種物質(其可包含焚化爐飛灰、水泥窯灰、焚化爐濾集塵、鼓風爐渣、石灰岩、石膏、白雲石及/或廢玻璃)混合。將混合物凝集以形成凝集體，再將凝集體高溫處理以形成聚集體。第一種物質包含小於約3乾重%之鈣且第二種物質包含大於約9%之鈣。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將來自廢水處理設施之污水淤泥與來自都市固體廢棄物焚化爐之焚化爐殘料混合，將混合物凝集以形成凝集體，及將凝集體高溫處理以形成聚集體。焚化爐殘料可包含焚化爐底灰、焚化爐飛灰及/或焚化爐濾集塵。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種製造聚集體的方法，此方法包含將第一種物質(其包含第一種物質：來自煤燃燒之粉煤燃料灰或黏土)與一或多種下列第二種物質：板岩、石灰、石灰岩、白雲石、石膏、鼓風爐渣、焚化爐飛灰、焚化爐濾集塵或水泥窯灰混合。將混合物凝集 以形成凝集體，再將凝集體高溫處理以形成聚集體。
根據本發明之另一實施例，其揭示一種高溫處理之聚集體，此高溫處理之聚集體包含第一種物質(其可為來自煤燃燒之粉煤燃料灰及/或黏土)及第二種物質(其可為板岩、石灰、石灰岩、白雲石、石膏、鼓風爐渣、焚化爐飛灰、焚化爐濾集塵及/或水泥窯灰)。
根據本發明之一實施例，合成聚集體包含污水淤泥及各種不同之天然物及廢棄物。待與污水淤泥混合以供聚集體製造之廢棄物或天然物質之選擇乃依(至少有一部分)未加工之污水淤泥之特性及組份而定。含鈣量高之污水淤泥乃與含鈣量低之物質混合，而含鈣量低之污水淤泥乃與含鈣量高之物質混合。高及低鈣含量之物質亦可混合以形成聚集體。
當加熱時，物質之表現狀態主要係依其組份、粒尺寸及礦物組份而定。欲在產製具有期望密度及水吸收力等性質之燒結及玻璃化產物期間隨著高溫處理的溫度而得到經控制之密實化作用，必需在助熔物質與耐火礦物間存在良好的比率。耐火礦物，諸如矽土及礬土等，通常具有高熔點。助熔礦物(諸如鹼土金屬鈣及鎂，以及鹼金屬鈉及鉀以氧化物、碳酸鹽或硫酸鹽形式存在於物質中)之存在可降低物質中之矽土及礬土及其他耐火礦物之熔點。如果物質中之助熔礦物所佔比率高，則導致玻璃網絡形成元素矽 之比率相應較低。助熔礦物加速於混合物中之組份之最低電點之溫度下燒結及熔化。此外，助熔礦物(其具有低黏性及高可動性)有助於藉液相燒結法形成燒結或玻璃化產物(依所涉及的溫度而定)。
污水淤泥為一種多相廢棄物，其組份相當多變，主要依進入特定廢水處理廠之廢水流入物之特性及供廢水用之處理過程及污水處理過程而定。污水淤泥在本發明之某些實施例用係用以作為供製造高溫處理聚集體用之初始未加工物質。來自兩個不同處理廠之污水淤泥業已根據本發明實施例而接受聚集體之製造處理。來自一廢水處理設施之污水淤泥樣品(樣品X，於下列實例1中討論)包含(一部分)約16.02%矽土(SiO2 )、6.83%礬土(Al2 O3 )及20.28%氧化鈣(CaO)。樣品Y(亦於下列實例1中討論)包含(一部分)約31.24%矽土(SiO2 )、6.22%礬土(Al2 O3 )及12.12%氧化鈣(CaO)。這些樣品含有高量之鹼土金屬鈣，其可降低淤泥中其餘化合物之熔點。因此密實化作用於比耐土礦物矽土及礬土之熔點更低之溫度下發生。此外，鈣組份亦可充作助熔劑，有助於藉液相燒結法以形成燒結或玻璃化產物。混合物是否燒結或玻璃化係依高溫處理的溫度及混合物的組份而定。助熔礦物熔化以形成低黏性及高可動性之液體，其極快速地吸收並溶解餘留之耐火礦物。而且，矽酸鹽熔化物之流動性乃藉由淤泥中揮發性組份的存在而增加。隨著高溫處理溫度之增加，此液體之形成可加速密實化之表現狀態。
來自第二個廢水處理設施之污水淤泥樣品具有低濃度之這些助熔劑。樣品Z(於下列實例4中討論)為具有部分組成物為3.20%氧化鈣(CaO)、3.80%氧化鋁(Al2 O3 )及39.50%二氧化矽(SiO2 )之低鈣污水淤泥之實例。由於有較高濃度之耐火礦物諸如矽土，故密實化作用於較高溫度下及於較廣溫度範圍內發生。
根據本發明之實施例，其揭示包含100%污水淤泥之高溫處理之聚集體及製造該聚集體之方法。經發現，欲使聚集體之製造得到較佳之控制，可藉將污水淤泥與可改良污水淤泥之組份並改變其於高溫處理期間之表現狀態之添加物混合而達成。根據其他實施例，某些廢棄物及天然添加物質乃因而與污水淤泥混合。添加物質之選擇乃依污水淤泥之組份而定。理想者，所選擇之物質為可使所得聚集體具有約2%至約10%鈣含量者。更理想者，鈣含量約2%至約6%。
實施例之一實例中，乃將具有高鈣含量(諸如鈣含量高於10%)之污水淤泥與低鈣之矽鋁物質(“LCSAMs”)(其鈣含量低於污水淤泥)混合以改良污水淤泥之組份且因而改良高溫處理期間之其密實化作用。例如，高鈣之矽鋁污水淤泥可具有大於10%之鈣含量，而低鈣之矽鋁物質(LCSAM)可具有小於約10%之鈣含量。低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)於此實施例中亦稱為A群添加物或A群物質。低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)包括廢棄物諸如廢玻璃(“WG”)、爐底灰(“FBA”)，及某些採礦廢物諸如花 崗石鋸切殘料(“GSR”)。低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)亦包括天然物質板岩。
將低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)加至高鈣污水淤泥中經發現可1)延緩物質之密實化作用，及/或2)藉由低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)中提供低流動性及高黏性熔化物而使聚集體之初始軟化、燒結及熔化間之溫度範圍增加。經發現與100%高鈣污水淤泥之處理相比之下，其可使聚集體製造過程得到較佳的控制。
實施例之另一實例中，乃將具有低鈣含量之污水淤泥與高鈣之矽鋁物質(“HCSAMs”)(於此實施例中稱為B群添加物或B群物質)混合。低鈣污水淤泥可具有小於3%之鈣含量，而高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)可具有大於約9%之鈣含量。此實施例中之高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)包括(例如)：1)廢棄物：都市固體廢棄物(“MSW”)焚化殘料、水泥窯灰(“CKD”)及鼓風爐渣；及2)天然物質：石灰岩、石膏及白雲石。都市固體廢棄物(“MSW”)焚化殘料包括空氣污染管制殘料及焚化爐底灰(“IBA”)。空氣污染管制殘料包括焚化爐飛灰及焚化爐濾集塵。
將高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)加至低鈣污水淤泥中經發現可1)降低含污水淤泥之聚集體可高溫處理之溫度範圍；2)提供液體熔化物以加速燒結及/或玻璃化；及3)能依溫度及組份而產製具有選定特性(諸如密度)之聚集體。
廢玻璃包含相當大量之助熔組份，諸如鈣及鈉(分別為9重量%及12重量%)，及耐火礦物諸如矽土(71.7重量%)。因此廢玻璃可依污水淤泥之組份而作為A群及B群添加物。換言之，廢玻璃可降低高鈣污水淤泥之鈣含量或增加低鈣污水淤泥之鈣含量。
實施例之另一實例中，乃由至少一種低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)與至少一種高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)之混合物中製造合成聚集體。一實例中，低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)包含小於3%之鈣，而高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)包含大於10%之鈣。低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)與高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)之混合物經發現可在耐火與助熔礦物間提供良好比率，因而使高溫處理獲得控制。此實施例中之低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)包括(例如)廢棄物：來自燃煤設施之粉碎燃料灰(“PFA”)及上文所討論之其他低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)，以及黏土、頁岩及板岩。黏土可(例如)為膨潤土及/或高嶺土。此實例中之高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)與上文所討論者相同，惟不包括都市固體廢棄物(“MSW”)焚化爐底灰。將高鈣之矽鋁物質(HCSAMs)加至低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)中乃意在提供助熔與耐火礦物間具有適當比例之期望組份，以求使具有期望性質之聚集體之製造過程得到較佳控制。
另一實施例中，藉由控制污水淤泥與第二種物質/添加物之比例及高溫處理之溫度，即可得具有一範圍內密 度、多孔性及水吸收力之合成聚集體。
圖1為密度(克/立方公分)隨著包含污水淤泥之聚集體(下列實例2中之樣品X)之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著包含污水淤泥與花崗石鋸切殘料之混合物之聚集體之高溫處理溫度(℃)而變化之圖，且溫度範圍在約920℃至約1,150℃間。曲線A(相當於100%污水淤泥(SS))顯示當溫度由約920℃增至約960℃時，密度由低至約1.2克/立方公分增至約2.5克/立方公分之最大密度。當溫度由約960℃增至約980℃時，密度由約2.5克/立方公分之最大密度降至約1.7克/立方公分。具2.0克/立方公分及更低密度之聚集體稱為輕質聚集體，而超過2.0克/立方公分密度之聚集體稱為常重聚集體。
密度隨著溫度由920℃至960℃而增加，此乃因當產物燒結時，污水淤泥內的助熔劑熔化以形成液相，其藉由毛細作用而填入污水淤泥之微粒間。當孔被填補且樣品之體積降低，則密度增加。此外，液相中之較小微粒朝較大之微粒擴散。熔化之物質在硬化後形成堅硬、玻璃狀、無定形骨架或基質。當處理溫度增加時，污水淤泥中之更多化合物熔化，實質消除所有的孔且形成更玻璃狀、晶狀之固態基質。於最大密實化溫度下，所有的孔均實質填滿且產物玻璃化。
密度隨著溫度由960℃至980℃而快速降低，此乃因進一步之溫度增加導致樣品之熔化及膨脹。膨脹係因樣品中之某些組份揮發導致氣體截留於熔化之液相中所致。所 截留之氣體則形成孔。
如同圖1所示，污水淤泥於極窄之溫度範圍間燒結。例如，欲製造包含100%污水淤泥且密度範圍約1.4克/立方公分至約1.8克/立方公分之燒結輕質聚集體，燒結溫度必需在930℃-940℃之範圍內，其僅有10℃之寬度。此外，所提供污水淤泥樣品中之組份之變化導致不同污水淤泥樣品於加熱期間之表現狀態有顯著多樣性。因此不同污水淤泥之溫度與密度間之關聯可能變化廣泛。結果，極難以得到具有期望密度、多孔性、水吸收力等特性之污水淤泥終產物。具有與此樣品類同組份(高鈣)之污水淤泥沒有辦法以溫度來控制密實化作用之表現狀態成為大規模產製具有期望性質之聚集體的一個顯著障礙。
本發明實施例中所用之低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)包含比污水淤泥多的矽土及比污水淤泥少之鈣。如上所述，下列實例1及2中所用之污水淤泥樣品(樣品X)包含約16.02%矽土(SiO2 )、6.83%礬土(Al2 O3 )及20.28%氧化鈣(CaO)。天然低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)黏土(例如膨潤土及高嶺土)、頁岩及板岩包含約48%至58%矽土(SiO2 )、約18%至約29%礬土(Al2 O3 )及小於約3%氧化鈣(CaO)。花崗石鋸切殘料(“GSR”)(其為可用於本發明某些實施例中之採礦廢棄物實例)包含約65%矽土(SiO2 )，約15%礬土(Al2 O3 )，及約2.6%氧化鈣(CaO)。廢玻璃包含約72%矽土(二氧化矽)，約2%礬土(氧化鋁)，及約9% 氧化鈣。廢玻璃亦包含約12%氧化鈉(Na2 O)，其亦為助熔化合物，故其可用以增加或降低污水淤泥中之助熔劑之量。爐底灰(“FBA”)(其具有與粉碎燃料灰(“PFA”)相同的組份)包含約52%矽土(SiO2 )，約26%礬土(Al2 O3 )，及約2%氧化鈣(CaO)。這些低鈣之矽鋁物質(LCSAMs)中之其他組份乃示於下列實例中。
如圖1所示，於(例如)60%/40%污水淤泥(“SS”)/花崗石鋸切殘料(“GSR”)混合物中，欲製造具有約1.5克/立方公分至約1.8克/立方公分密度之燒結輕質聚集體，燒結溫度可在約30℃之範圍內(由約1,010℃至約1,040℃)。於40%/60%污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物中，類同之密度乃在65℃之範圍內(由約1,010℃至約1,075℃)達成。此外，將花崗石鋸切殘料(GSR)濃度增至60%將延緩燒結，因為最大密度於約1,110℃時達到(對照之下，100%污水淤泥(SS)為960℃且60%/40%污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物為1,060℃)。與40%/60%污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物相比之下，進一步將花崗石鋸切殘料(GSR)增至80%及80%以上將使具約1.5克/立方公分至約1.8克/立方公分密度之輕質聚集體於更廣之溫度範圍間產製。儘管污水淤泥(SS)中之組份有所變化，然而較寬廣之溫度範圍有助於製造期望密度及其他性質之聚集體。圖1係以下列實例2之結果為基礎。
圖2為密度(克/立方公分)隨著包含污水淤泥之聚集體(下列實例4中之樣品Z)之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著包含污水淤泥與水泥窯灰之混合物之聚集體之高溫處理溫度(℃)而變化之圖，且溫度範圍在約980℃至約1,110℃間。曲線B(相當於100%污水淤泥)顯示當溫度由約980℃增至約1,060℃時，密度由低至約1.9克/立方公分增至約2.4克/立方公分之最大密度。當溫度由約1060℃增至約1110℃時，密度由2.4克/立方公分之最大密度降至2.0克/立方公分。超過2.0克/立方公分密度之聚集體為常重聚集體。
如圖2所示，由於污水淤泥中之高量耐火組份，故污水淤泥之密實化作用延緩且其初始物質軟化、燒結與熔化間之溫度間隔寬廣。此實例中，所研究之溫度可在110℃(1000-1110℃)之寬廣溫度範圍間製得具有2.0克/立方公分至2.4克/立方公分間之密度之常重聚集體。欲加速物質之密實化表現狀態以在可提供可預測性及製造控制之溫度範圍內製得輕質及常重聚集體，乃將高鈣之矽鋁，B群物質(“HCSAM”)加至污水淤泥中。此實例中，高鈣之矽鋁物質(HCSAM)為水泥窯灰(“CKD”)。既然水泥窯灰(CKD)包含顯著量之氧化鈣(63重量%)，故僅需小量之水泥窯灰(CKD)來提供加速效應。當於與100%污水淤泥混合物相同的溫度範圍高溫處理時，於污水淤泥中加入5%水泥窯灰(CKD)可製得具有約1.7克/立方公分至約2,4克/立方公分密度之輕質聚集體。而在940至1060 ℃之高溫處理範圍間，於污水淤泥中加入10%水泥窯灰(CKD)可製得具有低至1.4克/立方公分密度之輕質聚集體及具有最高約2.4克/立方公分密度之常重聚集體。加入再多之水泥窯灰(CKD)則不理想，此乃因其可進一步加速混合物之密實化作用，此可能成為大規模產製聚集體時以可預測之方式控制製造過程的一個障礙。
根據本發明實施例之方法，聚集體係藉將預定量之污水淤泥與第二種物質(其可為低鈣之矽鋁物質(LCSAM)或高鈣之矽鋁物質(HCSAM))混合，將混合物凝集，及將凝集體於所選定之溫度下高溫處理而形成。如上所討論，低鈣之矽鋁物質(LCSAM)之鈣含量低於原始污水淤泥，而高鈣之矽鋁物質(HCSAM)之鈣含量高於污水淤泥。溫度可以(至少有一部分)污水淤泥與矽鋁物質(“SAM”)的比例，及聚集體之期望密度及其他性質諸如水吸收力及/或強度為基礎，以諸如圖1及2所圖示之資料為基礎來選擇。以導致燒結之溫度較為理想。混合物最好亦在燒結前凝集化以產生具有期望尺寸及形狀之凝集體而形成燒結聚集體。丸粒化為理想之凝集法。污水淤泥可在與第二種物質混合之前先予乾燥。此外，污水淤泥可以具有期望濕氣量之濕形式加入以令凝集化進行。
圖3為包含低鈣之矽鋁物質(LCSAM)微粒12，諸如黏土、頁岩、板岩、花崗石鋸切殘料、廢玻璃及爐底灰等，或高鈣之矽鋁物質(HCSAM)微粒12，諸如水泥窯灰、鼓風爐渣、石灰岩、石膏及白雲石等，及污水淤泥微 粒14之凝集體10實例。孔16亦示。凝集體10可根據本發明之實施例高溫處理(例如燒結)以形成聚集體。在高溫處理期間，助熔化合物諸如氧化鈣、鈉、鉀及鎂及熔點低於原始污水淤泥微粒14及高或低矽鋁物質(“SAM”)微粒12中之處理溫度之其他化合物乃熔化且流至孔16中。如果矽鋁物質(SAM)微粒12為廢玻璃(其為非晶狀固體)，則密實化作用乃藉軟化玻璃微粒藉於通常比其他、晶狀矽鋁物質(SAM)微粒之熔化溫度低得多之溫度下進行黏燒結融合而發生。
圖4為根據本發明實施例之將凝集體10燒結所得之聚集體20實例之圖示橫斷面。聚集體20包含污水淤泥與矽鋁物質(SAM)之混合物。凝集體10係於依污水淤泥與矽鋁物質(SAM)之比率及期望密度及/或其他特性而定之溫度下燒結。燒結聚集體20包含眾多經由部分玻璃狀及部分晶化之基質24(其係由組份之熔化及/或結晶所導致)而彼此黏結之小粒22。小粒22可包含矽土、礬土及熔點超過處理溫度之其他礦物。小粒22在燒結期間完全或部分結晶，提供小粒22之間之其他黏結方式。聚集體20最好具有密實、連續、相對不可滲透之表層26，其係如以下所討論地將凝集體10隨意覆以無機物質而得。內孔28(其可為管道狀)及小表孔28a(其可為微視的)亦存在。表孔可與內孔連接，使得聚集體20能吸收水。水之吸收程度顯示孔的體積及連接性。
圖5為根據本發明另一實施例之玻璃化聚集體30實 例之圖示橫斷面，其包含比圖4燒結聚集體較少之小粒22及較大之基質24。玻璃化係由凝集體10於供特定比例污水淤泥/矽鋁物質(SAM)所用最大密實作用之溫度下或超過此溫度下高溫處理(此處大多數的凝集體組份均熔化)而致。
具有低如1.2克/立方公分及水吸收力超過約40%、同時具有極低強度之高度多孔輕質聚集體，以及密度最高至2.0克/立方公分之極強、充分燒結之輕質聚集體可根據本發明之實施例製得。密度大於約2.0克/立方公分且最高至約2.6克/立方公分且水吸收力幾近於零之常重聚集體亦可根據本發明之實施例製得。以污水淤泥及矽鋁物質(SAMs)所製之聚集體，以及在某些廢棄矽鋁物質(SAMs)當中，呈現有利之再利用方面的應用。
圖6為根據本發明實施例之製造聚集體之方法100之實例。步驟105係先將污水淤泥乾燥。淤泥可(例如)於烤箱中、於110℃下乾燥。如果未加工之淤泥之水含量極高，則在進入烤箱乾燥之前，先藉(例如)過濾法、重力沉降法、絮凝法或沉澱法以移除過量的水。乾燥之污水淤泥通常形成團塊狀。團塊之大小可能繼而需予降低。步驟110中，適於供接續處理之細粉最好藉乾磨或碾磨，或藉使用研缽和研杵製得。大規模製造方面，乾燥固塊可藉(例如)錘磨機碾磨成粉末。步驟115中，將碾磨之污水淤泥粉經由(例如)篩予以分離以移除大微粒。污水淤泥中所存在之粗粒諸如石頭、岩石或金屬最好亦移除以供進 一步之處理。分離作用可藉於具有(例如)150微米或80微米洞孔之ASTM標準不鏽鋼篩目之篩上機械搖動來進行。再將微粒尺寸小於150微米之污水淤泥進行進一步之處理。
具有細粒尺寸分佈(小於約710微米)之粉末具有有利之特性，此乃因高表面積/體積比可增加小微粒經由液相擴散至較大微粒處以及因為粉末可較佳地分佈於整個聚集體中而具有良好之填集密度之故。
污水淤泥可以其未加工之濕形式使用，只要物質具有可與矽鋁物質(SAM)直接混合之適當濕氣量即可，以得以(例如)根據圖6步驟125-150進一步處理。過量之水可再度藉乾燥、過濾及/或其他方法移除，以於與添加物混合之前達到適當之濕氣量。此情況下，則不提供步驟105-120。
繼而於步驟125中將由步驟120中所得之碾磨污水淤泥粉與具有細粒分佈之粉末形式之適當矽鋁物質(SAM)混合。混合可分批或連續進行。如果矽鋁物質(SAM)具有粗粒尺寸分佈，其可在與淤泥粉一起加至混合器之前，預先(例如)使用乾或濕磨技術於錘磨或球磨機中碾磨。任何高或低鈣量之矽鋁物質(SAM)可分別加至低或高鈣之污水淤泥中以改善高溫處理之效能。污水淤泥與矽鋁物質(SAM)之理想範圍乃依污水淤泥是否為高或低鈣之污水淤泥而定。
理想者，乃將佔混合物乾重(“BDWM”)約5%至約 95%之高鈣污水淤泥與佔混合物乾重(“BDWM”)約95%至約5%之低鈣之矽鋁物質(LCSAM)混合。更理想者，將佔混合物乾重(“BDWM”)約30%至約70%之高鈣污水淤泥與佔混合物乾重(“BDWM”)約70%至約30%之低鈣之矽鋁物質(LCSAM)混合。此範圍內，所得聚集體具有約6乾重%至約15乾重%之鈣含量。更理想者，將佔混合物乾重(“BDWM”)約30%至約50%之高鈣污水淤泥與佔混合物乾重(“BDWM”)約70%至約50%之低鈣之矽鋁物質(LCSAM)混合。此範圍內，所得聚集體具有約6乾重%至約10乾重%之鈣含量。經發現當聚集體之鈣含量約2%至約10%時，混合物之密實化作用可得到較佳之控制而能製得具有期望特性之聚集體，當鈣含量約3%至約6%時，則甚至得到更佳之控制。
理想者，乃將佔混合物乾重(“BDWM”)約99%至約70%之低鈣污水淤泥與佔混合物乾重(“BDWM”)約1%至約30%之高鈣之矽鋁物質(HCSAM)混合。更理想者，將佔混合物乾重(“BDWM”)約80%至約90%之低鈣污水淤泥與佔混合物乾重(“BDWM”)約20%至約10%之高鈣之矽鋁物質(HCSAM)混合。這些範圍提供聚集體之鈣含量類同於上文所討論者。
塑性黏合劑(諸如黏土)可於粒化期間(其述於步驟125中)與水一起加入以增強個別微粒的物理黏合力。塑性黏合劑可包含(例如)黏土。所謂”塑性黏合劑”意指有高塑性指數之黏合物質。以至少10之塑性指數較為理 想。黏土黏合劑可佔污水淤泥(SS)、矽鋁物質(SAM)、及黏土黏合劑之混合物乾重之約5%至約20%。所用之黏合劑之量可依污水淤泥及矽鋁物質(SAM)之型式及特性，諸如混合物中個別組份之塑性而定。
將粉末徹底混合後，於步驟130中將水加入以形成供凝集之適當稠性。混合物最好具有(例如)黏土樣稠性。所加入之水量乃與混合物中添加物之量及型式有關。例如，如果污水淤泥與黏土之比例為約80%污水淤泥(“SS”)對20%黏土，則所需之水量經發現佔污水淤泥(SS)/黏土混合物總乾重之約25重量%。如果比例為60%/40%，所需之水量經發現約為28重量%。如果比例為20%/80%，所需之水量經發現約為32重量%。如果污水淤泥以其濕形式使用，且污水淤泥(SS)/矽鋁物質(SAM)及隨意黏土之混合物具有適當之濕氣量以令進一步之處理，則不需將水加至混合物中。
步驟135係將所得混合物凝集化。凝集化為微粒尺寸擴大技術，其中之小、細之微粒諸如塵或粉末乃積聚成較大的團塊諸如丸粒。混合物最好藉丸粒化法予以凝集化，其中分散於氣體或液體中之細粒乃藉由輾轉法(無需其他外部之加壓力)擴大。(例如)丸粒化之旋轉筒或旋轉盤可予使用。所得丸粒之強度乃如同技藝中已知地依微粒之性質，介質中之濕氣量，及機械處理參數諸如旋轉筒之轉速及傾斜角度而定。旋轉筒之使用實例乃述於下列實例中。所得丸粒幾近為球形或略微有角，且顏色依混合物中 之碳及鐵含量而於淡至暗棕色中變化。彼等之尺寸範圍(例如)約3毫米至約40毫米。如上所討論，圖3為丸粒10之實例。擠壓法亦可取代丸粒化法。擠壓可得磚樣物質，其於硬化後可壓碎成較小的微粒。此外，壓縮法可用以製造圓筒形凝集體諸如片劑或其他形狀。
步驟140中，凝集化之混合物可隨意地於表面包覆，而後乾燥。所用之無機物質之量可為小量。丸粒可包覆以無機物質，其於燒結溫度下不會熔化。丸粒可藉將塵噴灑在其上或將丸粒於塵中滾動而包覆。包覆物質之使用乃依污水淤泥與所選擇之添加物之特性而定。如果污水淤泥為高鈣之污水淤泥，則無機物質可包含A群之低鈣之矽鋁物質(LCSAM)，諸如塵形式之花崗石鋸切殘料或爐底灰，而(例如)黏土、碾磨之頁岩、及板岩亦可使用。如果污水淤泥為低鈣之污水淤泥，則無機物質可包含B群之高鈣之矽鋁物質(HCSAM)，諸如水泥窯灰、焚化爐飛灰、焚化爐濾集塵、石灰岩、石膏及碾磨之粒化鼓風爐渣(“GGBS”)。
將丸粒表面覆蓋上非黏性材質之薄層將導致丸粒表面有皮之形成，其降低丸粒之簇集，增強丸粒之強度且於聚集體上產生密實之薄外皮(例如如圖4所示)。如果將黏土黏合劑加至混合物中，因為黏土可提供增強之內部黏合，故不需要包覆以增強丸粒之完整性或形成包覆層。然而，包覆與否是隨意的。乾燥作用可(例如)於約110℃下、於烤箱中進行。乾燥步驟最好要進行，因為濕丸粒於 窯中高溫處理會因快速之溫度變化而導致丸粒之破裂及爆炸。
步驟145係將包覆及乾燥之丸粒高溫處理。高溫處理可如以下所更詳盡討論地依混合物之組份及聚集體之期望性質而於(例如)約1,000℃至約1,350℃之溫度下進行。高溫處理可為燒結，其係於低於最大密實化作用之溫度下進行，或者可為玻璃化，其係於最大密實化溫度或超過最大密實化溫度之溫度下進行。高溫處理最好於旋轉窯中進行。燒結可使先前鬆散黏結之微粒經由微粒間之黏結形成而使強度及密度增加。玻璃化於最大密實溫度下產生更高之強度。然而，當於更高之溫度下進展玻璃化過程時，密度及強度乃如上所討論地由於玻璃狀無定形基質之膨脹而降低。
步驟150係將高溫處理之聚集體於水中驟冷。驟冷可使丸粒冷卻而停止熔化。如果驟冷，所得聚集體20將具有比風乾(其得以再結晶)時更無定形之基質24。技藝中已知驟冷可增加高溫處理聚集體之強度、韌度及耐磨度。水可(例如)於室溫(約30℃)下。
高溫處理及驟冷後，如有提供，則於步驟155中將丸粒壓碎及分類成期望之聚集體尺寸。粗粒聚集體約在4.75至約19毫米之範圍內。較小之聚集體亦可用以作為(例如)混凝土中之細聚集體。
由於丸粒於高溫處理期間皺縮，故如果丸粒在約3毫米至約40毫米之尺寸範圍內，則高溫處理之聚集體可在 (例如)約2毫米至約30毫米之尺寸範圍內。供分類聚集體方面之適當尺寸範圍可約4毫米至約8毫米，其可用於過濾之應用中，及約12毫米至約19毫米，其可用於混凝土中。較小之聚集體(向下至約2毫米)亦可用以作為(例如)混凝土中之細聚集體。
根據本發明實施例之高溫處理之結果咸信，聚集體於正常環境下對大多數物質而言為化學惰性。
圖7為根據本發明實施例之於約990℃下高溫處理之由包含80%/20%污水淤泥(SS)/膨潤土之混合物中所得之多個燒結聚集體之實例。
圖8為根據本發明實施例之製造聚集體之另一方法200之實例，其中具有粗粒分佈之特定矽鋁物質(SAMs)乃在與污水淤泥混合之前，先予濕磨。本發明所用之具有此分佈之添加物包括焚化爐底灰(IBA)、爐底灰(FBA)及廢玻璃。
步驟205係將焚化爐底灰(IBA)加至球磨機之桶中，再於步驟210中以水碾磨。碾磨係用以降低焚化爐底灰(IBA)之微粒尺寸分佈達到細粒分佈之程度以改善高溫處理。具有細粒尺寸分佈之粉末具有有利之特性，此乃因高表面積/體積比可增加小微粒經由液相擴散至較大微粒處以及因為粉末可較佳地分佈於整個聚集體中而具有良好之填集密度之故。所得微粒最好具有約45微米及更低(例如)之平均微粒尺寸。以濕磨較為理想，因經發現其可提供較均勻之微粒尺寸分佈之故。此外，濕磨法中所用 的液體有使凝集體崩解之傾向且降低粉末微粒之密結。此外，焚化爐底灰(IBA)可於錘磨機(例如)中乾磨。雖然圖8之方法200係說明有關焚化爐底灰(IBA)之用法，但如果使用爐底灰(FBA)或廢玻璃，當然最好亦予碾磨。
焚化爐底灰(IBA)可在密閉式圓筒形容器(例如)中進行，其中，於液態介質諸如水或乙醇中之球形碾磨介質諸如濕磨球，可施予足夠的力以使懸浮於介質中的微粒破裂。活動則可藉由輾轉、振動、行星式旋轉及/或攪動而參與至濕球磨機中。控制粉末微粒尺寸分佈之最要變數為碾磨速度(rpm)、碾磨時間、碾磨介質之量、未加工物質之初始微粒尺寸，及期望之產物尺寸。欲得最有效之結果，碾磨機必需填滿至少一半的碾磨介質。碾磨介質可為(例如)具有總重為固體量約四倍之高密度鋁球。此處推薦使用小之碾磨介質以供最理想之碾磨。當使用鋁或鋼球時，尺寸最好介於1/2至5/8英吋之範圍間。所提供之液體量最好約為固體之兩倍。碾磨可進行約8小時(例如)。
步驟215中，將濕磨之焚化爐底灰(IBA)經由(例如)篩予以分離以移除大微粒。如果微粒太大，則將不能形成均相之丸粒。分離可以多重步驟進行。例如，焚化爐底灰(IBA)可於具有(例如)355微米或150微米洞孔之ASTM標準不鏽鋼篩目之篩上機械搖動。微粒尺寸小於150微米之焚化爐底灰(IBA)乃進一步處理。而大於150 微米之部分則可分離成不同型式之物質，彼等可再利用以作為矽鋁物質(SAM)添加物、作為廢玻璃。
步驟225係將由步驟220中所得之較細部分之碾磨漿液予以脫水。最好將所有之自由態水移除。所移除之水稱為放流水，其可用於以下所進一步討論之步驟265中。水可於(例如)壓濾機或其他過濾儀器中移除。步驟230中，脫水將導致固體濕塊殘料之形成。
於步驟235中，將塊狀物乾燥及碾磨。此步驟乃將塊狀物轉換成粉末。塊狀物可(例如)於烤箱中、於110℃下乾燥。粉末可藉(例如)研缽和研杵碾磨。大規模製造時，乾燥固塊可(例如)於具有刀片之混合器中或於乾錘磨機中碾磨成粉末，因而使已乾磨之焚化爐底灰(IBA)固塊可同時碾磨成粉末及與亦為粉狀之未加工添加物協調地混合。
在將碾磨之焚化爐底灰(IBA)與污水淤泥混合之前，先於步驟240中將淤泥乾燥。淤泥可(例如)於烤箱中、於110℃下乾燥24小時。步驟245係將所製得之固塊碾磨成粉末。粉末可藉乾磨或碾磨法或使用(例如)研缽和研杵製得。步驟250係令淤泥粉末通過150微米或80微米之篩中以移除粗粒。步驟260係將步驟255中小於150微米之部分與碾磨之焚化爐底灰(IBA)粉徹底混合。步驟265係在將濕黏土樣混合物丸粒化之前，先將水加至混合物中。水可為上文所討論之步驟225脫水步驟中所生之一些或所有放流水。步驟265-285相當於圖6之步 驟130-155。此外，污水淤泥可以其濕形式與焚化爐底灰(IBA)混合。然而，需要適當之濕氣量以避免要進一步加水以供混合物之粒化。此情況下，則不必步驟240-255。
當污水淤泥與焚化爐底灰(IBA)一起於球磨機中濕磨之前，可使用其他之處理方法以製得漿液。繼而令碾磨之漿液通過一系列篩中篩濾，再於過濾儀器中脫水以形成黏土樣之固塊。而後將固塊於110℃下乾燥，再碾磨成細粉，其乃於水之存在下進一步丸粒化並予高溫處理以形成聚集體。由兩種物質濕磨後所成之碾磨漿液亦可予脫水成所需之濕氣量而得以令混合物直接丸粒化。再於進入窯中進行高溫處理之前，將所形成之丸粒於110℃下乾燥。
下列實例業已進行：
實例1
此實例中，所製之合成聚集體包含污水淤泥(“SS”)及廢玻璃(“WG”)。此實例中所用之三種不同污水淤泥(SS)樣品之平均化學組份(主要氧化物)乃示於下列表A中。下列表B展示三種樣品中所存在之次要及痕量構份。樣品X及樣品Y係得自相同設施但相隔約六個月，而樣品Z則得自第二個設施中。樣品X之氧化鈣含量為20.28重量%；樣品Y之氧化鈣含量為12.12重量%；樣品Z之氧化鈣含量為3.20重量%；樣品X及Y視為高鈣之污水淤泥(SS)，而樣品Z為低鈣之污水淤泥(SS)。所用 廢玻璃(WG)之平均化學組份亦示於表A中。廢玻璃(WG)係由鹼石灰玻璃所產製，鹼石灰玻璃佔美國所產製玻璃之約90%。其主要由二氧化矽(71.7重量%)、氧化鈉(12.1重量%)、及氧化鈣(9.4重量%)以及其他次要之組份諸如鋁及鎂之氧化物所組成。此玻璃中之組份藉於比現今用以製造陶瓷所用之其他玻璃更低之溫度下進行液相燒結而導致物質之密實，因而降低能量產生之成本。依污水淤泥(SS)之組份而定，廢玻璃(WG)可用以作為低鈣之矽鋁物質(LCSAM)以增加密實化之溫度範圍且亦可作高鈣之矽鋁物質(HCSAM)以充作助熔劑來加速密實化。例如，廢玻璃(WG)可與污水淤泥(SS)樣品X、Y及及Z一起使用以製得合成聚集體。
令污水淤泥(SS)樣品X及廢玻璃(WG)接受下述之處理。此實例中，廢玻璃(WG)係於丸粒化之前加至已乾燥之污水淤泥(SS)粉末中。
將樣品X於110℃下烘乾24小時。再將所得乾塊加至球磨機中以供碾磨成粉末。碾磨機為Pascal工程有限公司之機型No.21589，含有約2.172公斤之3/4英吋(19.05毫米)高密度礬土球狀碾磨介質。令已碾磨之粉末通過150微米篩中以移除粗粒。
所用廢玻璃(WG)有一部分係由未加工之焚化爐底灰(IBA)中分離出之瓶子及窗玻璃中所衍出。再將此廢玻璃(WG)清洗及於110℃下烘乾過夜。而後將廢玻璃 (WG)於頷式壓碎機中壓碎，再予分離以將微粒尺寸降於2毫米至6毫米間，繼而於碳化鎢Tema碾磨機(得自Gy-Ro,Glen Creston Ltd.,Brownfields,England)中使用震動環予以碾磨成有95%量(d95 值)之微粒尺寸小於710微米之微粒。而後再度於碳化鎢碾磨機中乾磨另4分鐘以進一步降低微粒尺寸分佈。此細廢玻璃(WG)用於此實例中。已壓碎之廢玻璃(WG)之d50 值為197.6微米，其於乾磨4分鐘後降至19.8微米。此外，亦可使用來自焚化爐底灰(IBA)(以710微米之篩分離出)之濕磨漿液中之廢玻璃(WG)。將此部分亦於Tema乾磨機中碾磨4分鐘，再與第一個部分結合。
以100%/0%、40%/60%、60%/40%、0%/100%(SS/WG)之選定比例將碾磨之廢玻璃(WG)加至淤泥粉末中。再將已碾磨之污水淤泥(SS)與廢玻璃(WG)之粉末混合物於分批混合器中與水(最多佔所得混合物總乾重之約40%)混合，而後送至具有40公分直徑及1公尺長度且於約17rpm下、於與水平成30°的角度下旋轉之旋轉筒丸粒化器中。所得之”綠色”丸粒通常為球形且略為有角。彼等直徑平均約4毫米至約9.5毫米。將小於4毫米之丸送回筒中以供再度丸粒化。大於9.5毫米之丸粒則以手弄破成較小的丸粒並亦送回丸粒化器中。
將丸粒包覆以煤燃燒所產生之粉碎燃料灰(PFA)的方法係將粉碎燃料灰(PFA)粉末噴灑至其上。而後將丸粒於約110℃下乾燥，再送入具有77毫米內徑及1,500毫 米長度之旋轉窯(其中已加熱的範圍有900毫米長)中。將窯設定於920℃至1,220℃間運行以供不同污水淤泥(SS)/廢玻璃(WG)之混合物所用。丸粒以約2.8rpm之速沿著旋轉窯之管行進及旋轉約10分鐘至約12分鐘。此實例中，窯為得自Carbolite Hope Valley,England,Model No.GTF R195之電燒旋轉爐。高溫處理之丸粒乃由窯中排出，再令其於室溫下冷卻。
值得注意的是，溫度對密度的曲線(諸如於圖1中所示)可於每一個窯中變化。例如，對應於特定比例污水淤泥(SS)/廢玻璃(WG)或其他矽鋁物質(SAMs)之曲線所具有之最大密實化溫度乃略低於或高於彼些使用上述之特定窯者。曲線的位移可歸因於一些與特定窯之操作效能有關的因素，諸如溫度方面之穩定性，能量喪失等。因此必需製備一些於待使用之特定窯中之樣品以鑑定出可使聚集體具有期望特性之溫度範圍。
結果
下列表C-D概示此實例所形成之聚集體之物理及機械性質。值得注意的是，彼等之性質顯示乃隨著污水淤泥(SS)中廢玻璃(WG)濃度的增加而實質變化。
下列表C概示於不同溫度(攝氏十度之漸增)中高溫處理之包含不同比例污水淤泥(SS)與廢玻璃(WG)之聚集體所得之結果。資料在100%污水淤泥方面為4個值的平均，而在所有含廢玻璃(WG)之樣品方面則為2個 值的平均。資料繪在圖9的圖上。高溫處理的聚集體的相對乾密度係使用阿基米德(Archimedes’)法計算，而水吸收力則於浸水24小時後測量”表面乾燥”的樣品所增加之重量算出。
如上所討論，增加廢玻璃(WG)於混合物中之量，由於增量之廢玻璃(WG)使污水淤泥之化學組份及礦物學獲得改良，故使樣品之初始軟化、最大密實化與完全或幾近完全熔化間的溫度間隔變寬。亦觀察到最大密實化作用隨著廢玻璃(WG)之增加而於更高溫時發生，此乃因矽土存在於所得混合物中之濃度增加所致。例如，100%樣品X污水淤泥(SS)於約960℃具有最大之密實化溫度。60%污水淤泥(SS)/40%廢玻璃(WG)之比例之混合物於約1,030℃具有最大之密實化溫度，而40%污水淤泥(SS)/60%廢玻璃(WG)之比例於約1,060℃具有最大之密實化溫度。
然而，在使丸粒燒結之溫度範圍寬化方面，將廢玻璃(WG)置入污水淤泥(SS)中經發現並不如置入其他低鈣之矽鋁物質(LCSAM)有效。例如，雖然100%污水淤泥(SS)係於約930℃至約940℃(攝氏度數10度)下燒結以形成約1.4克/立方公分至約1.8克/立方公分之輕質聚集體，但60%污水淤泥(SS)/40%廢玻璃(WG)混合物則於約970℃至約1,000℃(攝氏度數30至約35度)下燒結以形成具彼密度範圍之聚集體。此溫度範圍類同於40%污水淤泥(SS)/60%廢玻璃(WG)丸粒供相同聚集 體密度範圍所用者。咸信此乃由於高濃度的鈉及鈣氧化物存在於廢玻璃(WG)中充作助熔劑之故。亦咸信助熔劑及熔化玻璃可產生低黏度的熔化物，因而製造比其他低鈣之矽鋁物質更密實且多孔性更低之產物。
如同下列圖9及表C明顯已知，在既定之污水淤泥 (SS)與廢玻璃(WG)之組合中，溫度可用以決定燒結產物之密度及其他特性。例如，在40%/60%污水淤泥(SS)/廢玻璃(WG)之混合物中，於1000℃下燒結可得密度約1.4克/立方公分之輕質聚集體(LWA)。相同之混合物於1060℃下燒結則可得密度約2.6克/立方公分之常重聚集體。
表C亦顯示廢玻璃(WG)之添加對不同聚集體之水吸收力之效應。輕質聚集體(其於低於最大密實化溫度之溫度下產製)通常具有一些多孔性。當達到最大密實化時，因孔內填入熔化物質，故孔之尺寸及數目漸次降至零。含高量污水淤泥(SS)之聚集體之水吸收力隨著溫度而快速降低，而高廢玻璃(WG)之聚集體之水吸收力則顯現隨著溫度而較為逐步地降低。100%廢玻璃(WG)之聚集體於任何檢測之溫度下均具有比其他所有混合物實質較少之水吸收力，此乃因熔化之玻璃填入揮發所產生的孔內所致。
下列表D概示所選定之污水淤泥(SS)與廢玻璃(WG)之混合物於特定高溫處理溫度下之聚集體壓碎值(“ACVs”)(以百分比表示)。所提供之聚集體壓碎值(“ACVs”)為不同比例之廢玻璃(WG)與污水淤泥(SS)於三種不同溫度下之值。聚集體壓碎值(ACV)與聚集體之強度成反比。所選擇之溫度為導致不同產物特性及不同微結構以供比較者。於每一組之較低溫度下，燒結輕質聚集體(LWA)係根據本發明之理想實施例製得。於 中間溫度下，充分燒結或玻璃化且具有小量殘餘孔之常重聚集體係根據本發明之實施例製得。於較高之溫度下，玻璃化之輕質聚集體(LWA)亦根據本發明之理想實施例製得。
於最大密實化溫度(中間溫度)下之聚集體壓碎值(ACVs)較低且聚集體強度較高。低於彼溫度時，則密度較低，聚集體壓碎值(ACVs)較高且個別或總體聚集體之強度較低。超過彼溫度(中間溫度)時，由於樣品之熔化增加，故聚集體壓碎值(“ACVs”)開始增加而密度及聚集體強度降低。如所預期，聚集體強度乃隨著溫度的增加而與密度呈現相同的趨勢，增加到最大值，隨後降低。根據本發明實施例之於表D中所示之包含40%污水淤泥(SS)與60%廢玻璃(WG)之輕質聚集體(LWAs)亦具有比LYTAG低之聚集體壓碎值(ACVs)及比LYTAG高之強度，LYTAG乃如下所示地具有約34%之聚集體壓碎值(ACV)。
以高溫處理溫度之效應以及廢玻璃(WG)之加入對 高溫處理聚集體之性質為基準(如圖9及表C及D所示)，以於1000℃至約1100℃之溫度範圍下燒結之40%污水淤泥(SS)/60%廢玻璃(WG)之混合物(其可得具有由約1.4克/立方公分至約2.6克/立方公分密度之聚集體)較為理想。此聚集體可廣範圍地應用，包括作為混凝土中之常重及輕質聚集體。此組合係在100度之最寬廣攝氏度數範圍間燒結以形成聚集體。此混合物在燒結及其他高溫處理期間之表現狀態及所得聚集體之最終性質可因而比包含100%污水淤泥(SS)之聚集體更易於控制。此組合之聚集體之水吸收力之降低係由於熔化之玻璃所致。
表E概示於三種選定溫度下之包含40%污水淤泥(SS)/60%廢玻璃(WG)混合物之聚集體之某些物理性質(得自表C之相對乾密度及水吸收力，以及總體密度)及機械性質(得自表D之聚集體壓碎值(ACV))。市售聚集體LYTAG(燒結之粉碎燃料灰(“PFA”))及OPTIROC(膨脹黏土)之相應性質亦提供於表E中。個別聚集體之性質為20次測量之平均值，而總體聚集體性質則為2次測量之平均值。
將LYTAG與包含40%/60%污水淤泥(SS)/廢玻璃(WG)混合物且於1000℃下燒結之聚集體之性質相比較後顯示，含廢玻璃(WG)之聚集體具有可相比之個別及總體聚集體密度，較高之水吸收力及顯著低於LYTAG之聚集體壓碎值(ACVs)，表示彼等當總體地負載於壓縮時，可扺抗較高的壓力。OPTIROC具有極低的密度、相對低的水吸收力及極低的強度。此乃令人預期的，因為OPTIROC具有高量之分離球形多孔性之蜂窩微結構之故。
實例2
此實例中，所製之合成聚集體包含高鈣污水淤泥(SS)樣品X及Y以及花崗石鋸切殘料(“GSR”)，其為B群之低鈣之矽鋁物質(LCSAM)(2.61%氧化鈣(CaO))。這些實驗中所用的污水淤泥(SS)樣品及花崗石鋸切殘料(GSR)之平均化學組份乃示於下列表F中。此處使用與實例1相同的設備。
令污水淤泥(SS)樣品X及Y及花崗石鋸切殘料(GSR)接受上述及圖6所示之處理。將通過250篩目之篩(63微米)中之花崗石鋸切殘料(GSR)加至已乾燥之淤泥粉末中，其後將混合物丸粒化及高溫處理。
以100%/0%、80%/20%、60%/40%及40%/60%之污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)比例，將花崗石鋸切殘料(GSR)粉末(已篩濾成小於63微米)加至污水淤泥(SS)粉末中。將水(最多佔所得混合物總乾重之35%)加至於分批混合器內之混合物中直至混合物之稠性允許丸粒化為止(如上所討論)。將混合物送入旋轉筒中，再令旋轉筒末端所收集之丸粒通過4毫米及9.5毫米篩中篩濾。而後將丸粒以噴灑法包覆以粉碎燃料灰(PFA)，繼而於烤箱中、於約110℃下乾燥過夜。而後 將所得綠色丸粒於旋轉窯中燒結約10分鐘至約12分鐘。將由污水淤泥(SS)樣品X及花崗石鋸切殘料(GSR)中所形成之丸粒於約970℃至1150℃之溫度間燃燒，而由污水淤泥(SS)樣品Y及花崗石鋸切殘料(GSR)中所形成之丸粒則於約970℃至1140℃之溫度間燃燒。
結果
下列表G-H概示藉上述方法所形成之聚集體之物理及機械性質。
燒結丸粒之相對乾密度及水吸收力係依實例1所述之法測定。此實例中，抗壓強度係藉將個別聚集體負載於兩個平行板間直到破碎為止而計算出。壓力分析顯示，當球狀體以此方式於兩個直徑相對點上測試時，球狀體之抗壓強度σ係以下列方程式算出： 其中“IACS”=個別聚集體之抗壓強度，d=球狀體之直徑(毫米)，且P=破碎負載量(N)。抗壓強度之平均值係由每個溫度下製得至少十二個聚集體所完成之試驗中計算出。負載量係藉由壓縮測試裝置施予直至聚集體破碎為止。裝置上的針盤量規可提供導致破碎之負載量之讀數。負載量可藉下列方程式由讀數中計算出：負載量(磅)=550.95×(讀數)-1620.7；負載量(公斤)= 負載量(磅)/2.205。
下列表G概示包含不同比例之污水淤泥(SS)樣品X及Y與花崗石鋸切殘料(GSR)且於不同溫度下高溫處理之聚集體之測試結果。樣品X及樣品Y之資料分別繪在圖1及圖10的圖上。表G亦概示污水淤泥(SS)與花崗石鋸切殘料(GSR)之特定混合物於特定溫度下之個別聚集體抗壓強度(IACS)之結果。如上所討論，混合物中低鈣之矽鋁物質(此實例中為花崗石鋸切殘料(GSR))濃度之增加將使樣品之初始軟化、最大密實化與完全或幾近完全熔化間的溫度間隔變寬，此乃由於花崗石鋸切殘料(GSR)塵灰使污水淤泥(SS)之化學組份及礦物學獲得改良之故。
得自高濃度污水淤泥(SS)(且尤其是樣品X)之混合物中之聚集體之水吸收力乃隨著溫度的增加而快速降 低，而得自高量花崗石鋸切殘料(GSR)之混合物中之聚集體之水吸收力則顯現隨著溫度而較為逐步地降低。個別聚集體抗壓強度(IACS)如所預期地與密度呈現類同的趨勢，增加至最大密實化之溫度且於更高之溫度下降低。聚集體強度在含100%污水淤泥(SS)混合物之聚集體方面乃隨著溫度而快速增加，然而隨著花崗石鋸切殘料(GSR)量之增加而變得較為漸次增加。
以這些結果為基準，可供應用範圍內(包括混凝土中之輕質聚集體)使用之可製得燒結產物之理想污水淤泥(SS/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物比率在樣品X及Y方面均為40%/60%。與單獨污水淤泥(SS)相比之下，由含花崗石鋸切殘料(GSR)之污水淤泥(SS)之混合物中所得之聚集體乃在較廣之溫度範圍間燒結，故燒結期間之表現狀態及聚集體之最終性質可因而較易於控制。例如供樣品X方面，40%/60%污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物可在1000℃至約1080℃之溫度範圍間燒結以形成密度低於2.0克/立方公分之輕質聚集體(LWA)。具期望性質及特性(多孔性、密度、強度)之輕質聚集體可因而更易於製得。
如同圖1及10及表G明顯已知，當污水淤泥(SS)之特性及組份已知時，在既定之污水淤泥(SS)與花崗石鋸切殘料(GSR)之組合中，控制溫度可用以製得具有預定密度及其他特性之聚集體。例如，使用樣品X時，40%/60%污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)混合物可 於1000℃下燒結以得密度約1.4克/立方公分至約1.5克/立方公分之輕質聚集體(LWA)，而於1110℃下燒結則可得密度約2.5克/立方公分之常重聚集體。
表H概示由40%/60%樣品Y污水淤泥(SS)/花崗石鋸切殘料(GSR)之混合物中、於四種不同溫度下所製得之燒結聚集體之物理性質(相對乾及總體密度、水吸收力)及機械性質(聚集體壓碎值(ACV))，市售LYTAG之相應性質亦提供於表H中。於低於最大密實化溫度以下之溫度下所製得之聚集體具有小於2.0克/立方公分之密度，相對低之水吸收力，及高強度。因此極適於用於輕質混凝土中。LYTAG具有比這些聚集體較低之相對密度及聚集體強度。
實例3
此實例中，所製之高溫處理聚集體包含中等高鈣污水淤泥(SS)(氧化鈣(CaO)為12.12%)以及板岩，其 為低鈣之矽鋁物質(LCSAM)(1.82%氧化鈣(CaO))。這些實驗中所用的樣品Y污水淤泥(SS)及板岩之平均化學分析乃示於下列表I中。污水淤泥(SS)樣品Y乃用於這些實驗中。此處使用與實例1相同的設備。
令板岩接受如同圖6及先前實例更詳細說明之處理。
將污水淤泥於110℃下乾燥24小時，其後將固塊碾磨成細粉。以100%/0%、80%/20%、60%/40%及40%/60%之污水淤泥(SS)/板岩選定比例，將板岩加至污水淤泥(SS)粉末中。再將水(最多佔所得混合物總乾重之45%)加至於分批混合器內之混合物中以形成供丸粒化之黏土樣混合物。既然板岩具有細粒尺寸分佈，故可直接與污水淤泥(SS)混合。板岩在以污水淤泥(SS)粉末進一步處理之前，可能必需先碾磨成微細尺寸。所得綠色 丸粒乃在4毫米至9.5毫米範圍內。而後將含板岩之丸粒包覆以板岩粉末，繼而於110℃下乾燥，再送至上述旋轉窯中。將所得丸粒於約970℃至1210℃之溫度間燃燒約10至12分鐘，其後由窯中排出，再令其冷卻至室溫。
結果
下列表J至K概示由選定之污水淤泥(SS)/板岩混合物及高溫處理溫度中所得之高溫處理聚集體之物理及機械性質。高溫處理聚集體之相對乾密度及水吸收力係依實例1所述之法測定。個別聚集體之抗壓強度亦定義為如下之聚集體強度質量指數(“ASMI”)： 其中P=破碎負載量(公斤)且m=丸粒的質量(公斤)。抗壓強度之平均值係由每種高溫處理之溫度及於不同比例下製得至少十二種聚集體所完成之試驗中計算出。
表J概示物理性質結果(相對乾密度、水吸收力)及機械性質(聚集體強度質量指數(ASMI))。資料乃繪於圖11之圖上。如上所討論，混合物中板岩濃度之增加將使樣品之初始軟化、最大密實化與熔化間的溫度間隔變寬，此乃由於板岩使得污水淤泥(SS)之化學組份及礦物學獲得改良之故。
得自高濃度污水淤泥(SS)之混合物中之丸粒之水吸收力乃隨著溫度的增加而較快速降低，而得自高量板岩之混合物中之聚集體之水吸收力則顯現隨著溫度而較為逐步地降低。個別聚集體抗壓強度(IACS)及聚集體強度質量指數(ASMI)如所預期地與密度呈現類同的趨勢，增加至最大密實化之溫度且於更高之溫度下降低。聚集體強度 在含100%污水淤泥(SS)之丸粒方面乃隨著溫度而較快速增加，但隨著混合物中板岩量之增加而變得較為漸次增加。
以溫度之效應以及板岩之加入對燒結聚集體之性質為基準，以於1080℃至約1160℃之溫度範圍下燒結之40%/60%樣品Y污水淤泥(SS)/板岩之混合物(其可產生由約1.6克/立方公分至約2.4克/立方公分之密度)較為理想。此混合物在燒結期間之表現狀態及所得燒結輕質聚集體(LWAs)之最終性質可因而比100%樣品Y污水淤泥(SS)及其他污水淤泥(SS)/板岩組合更易於控制，故更易於製造。具有較低密度及較高水吸收力之聚集體亦可藉將污水淤泥(SS)/板岩丸粒於比這些實驗所用者更低之溫度下處理而製得。
表K概示LYTAG聚集體之物理性質。
如同表J及圖11所示，在既定之污水淤泥(SS)與板岩之組合方面，藉由控制溫度則可製得具有預定密度及其他特性之聚集體。具有可與LYTAG相比或優於LYTAG性質之輕質聚集體可根據所需之聚集體性質而由此組合中製得。
表L概示由污水淤泥(SS)與板岩之混合物中所得之高溫處理之聚集體之表現狀態。其顯示聚集體所高溫處理之溫度範圍，相應密度、水吸收力、及聚集體強度質量指數(ASMI)，以及不同型式及比例之板岩與污水淤泥之最大密實化溫度。
實例4
此實例中，所製之合成聚集體包含樣品Z，低鈣污水淤泥(SS)(氧化鈣(CaO)為3.20%)以及水泥窯灰(“CKD”)，其為A群之高鈣之矽鋁物質(HCSAM)(氧化鈣(CaO)為63.6%)。這些實驗中所用的水泥窯灰(CKD)之平均化學組成乃示於下列表M中。
令樣品Z污水淤泥(SS)及水泥窯灰(CKD)接受上述及圖6所示之處理。將污水淤泥(SS)於110℃下乾燥24小時，而後磨成細粉。將具有細粒尺寸分佈(95%量(d95 )之微粒細於45微米)之水泥窯灰(CKD)加至已乾燥之污水淤泥(SS)粉末中，其後將混合物丸粒化及高溫處理。
以100%/0%、95%/5%及90%/10%(污水淤泥(SS)/水泥窯灰(CKD))之選定比例，將水泥窯灰(CKD)加至污水淤泥(SS)粉末中。將粉末與水(最多佔所得混合物總乾重之35%)於分批混合器中混合直至混合物之稠性允許丸粒化為止。將混合物送入旋轉筒中， 再令旋轉筒末端所收集之丸粒通過4毫米及9.5毫米篩中篩濾。而後將丸粒以包覆以水泥窯灰(CKD)，繼而於烤箱中、於約110℃下乾燥過夜。而後將所得綠色丸粒於旋轉窯中、於約940℃至1110℃之溫度間高溫處理約10分鐘至約12分鐘。
結果
下列表N至O概示藉上述方法所形成之聚集體之物理及機械性質。聚集體之相對乾密度、水吸收力及聚集體強度質量指數(ASMI))乃如同上文實例所述地測定。
下列表N概示包含不同比例之污水淤泥(SS)與水泥窯灰(CKD)且於不同溫度下燒結之聚集體之測試結果。資料乃繪於圖2之圖上。表O概示物理性質結果(得自表N之相對乾密度及水吸收力)及機械性質(得自表N之聚集體強度質量指數(ASMI))。混合物中水泥窯灰(CKD)濃度之增加導致高溫處理溫度範圍略微變窄，此乃由於初始混合物之組份獲得改良之故。既然水泥窯灰(CKD)具有如此高之鈣含量，故僅需小量以增加熔化物之流動性並加速混合物中丸粒之密實化。
由高濃度污水淤泥(SS)之混合物中所得之聚集體之水吸收力較低，此乃由於混合物中較低量之助熔劑可達到較高密度所致。如所預期地，聚集體強度質量指數(ASMI)顯示與密度呈現類同的趨勢，增加至最大密實 化之溫度且於更高之溫度下降低。將水泥窯灰(CKD)加至具有比這些實例中所用之樣品Z更低之氧化鈣濃度之污水淤泥中乃預期比此實例中所示者更為顯著，而可能需要加入更高濃度之水泥窯灰(CKD)至污水淤泥(SS)中以達到期望之聚集體組份。
以溫度之效應以及水泥窯灰(CKD)之加入對燒結聚集體之性質為基準，以於940℃至約1090℃之溫度範圍下燒結之90%/10%樣品Z污水淤泥(SS)/水泥窯灰(CKD)之混合物(其可產生由約1.4克/立方公分至約2.0克/立方公分之密度)較為理想。此些聚集體可供應用範圍內使用，包括作為混凝土中之輕質聚集體。然而此實例中所用之樣品Z污水淤泥(SS)方面，既然原始污水淤泥(SS)中已包括一些量之助熔劑，諸如組份中之氧化鈣，故甚至亦可選擇95%/5%污水淤泥(SS)/水泥窯灰(CKD)之混合物以供製造聚集體。當由污水淤泥(SS)/水泥窯灰(CKD)之混合物中所製之聚集體於比此實例中所用者更低之溫度下燃燒時，則可製造具有更低密度及更高水吸收力之聚集體。助熔劑存在於物質中咸信可提供更為改善之微粒堆積及密實化，製造出具有比不含助熔劑之高溫處理聚集體更為優良性質之聚集體。
表O概示由90%/10%污水淤泥(SS)/水泥窯灰(CKD)之混合物中、於三種選定溫度下所製得之聚集體之某些物理及機械性質。
如上所示，在既定之污水淤泥(SS)與水泥窯灰(CKD)之組合中，控制高溫處理之溫度可用以製得具有預定密度及其他特性之聚集體。
實例5
此實例中，所製之合成聚集體包含污水淤泥(樣品Z)及石灰岩。這些實驗中所用的石灰岩之平均化學組成乃示於下列表P中。
令污水淤泥(SS)(樣品Z)及石灰岩粉末接受上述及圖6所示之處理。將污水淤泥(SS)於110℃下乾燥24小時，而後將固塊碾磨成細粉。將石灰岩加至已乾燥之淤泥粉末中，其後將混合物丸粒化及高溫處理。
以100%/0%、95%/5%、90%/10%及80%/20%(污水淤泥(SS)/石灰岩)之選定比例，將石灰岩加至污水淤泥(SS)粉末中。將粉末與水(最多佔所得混合物總乾重之32%)於分批混合器中混合直至混合物之稠性允許丸粒化為止。將混合物送入旋轉筒中，再令旋轉筒末端所收集之丸粒通過4毫米及9.5毫米篩中篩濾。而後將丸粒以包覆以石灰岩，繼而於烤箱中、於約110℃下乾燥過夜。而後將所得綠色丸粒於旋轉窯中、於約940℃至1110℃之溫度間高溫處理約10分鐘至約12分鐘。
結果
下列表Q至R概示藉上述方法所形成之聚集體之物理及機械性質。聚集體之相對乾密度、水吸收力及聚集體強度質量指數(ASMI))乃如同上文實例所述地測定。
下列表Q概示包含不同比例之污水淤泥(SS)與石灰 岩且於不同溫度下燒結之聚集體之測試結果。資料乃繪於圖12之圖上。表R概示所選定聚集體之物理及機械性質。混合物中水石灰岩濃度之增加導致聚集體之高溫處理溫度範圍略微變窄。
由高濃度污水淤泥之混合物中所得之聚集體之水吸收力較低，此乃由於混合物中較低量之助熔劑可達到較高密度所致。如所預期地，聚集體強度質量指數(ASMI)顯示與密度呈現類同的趨勢。
將石灰岩加至具有比此實例中所用之樣品Z更低之氧化鈣濃度之污水淤泥(SS)中乃預期具有比本發明中所顯示者更為顯著之效應。以溫度之效應以及石灰岩之加入對燒結聚集體之性質為基準，以於940℃至約1090℃之溫度範圍下高溫處理之90%/10%污水淤泥(SS)/石灰岩之混合物(其可產生由約1.6克/立方公分至約2.4克/立方公分密度之聚集體)較為理想以供作為常重或輕質聚集體使用。然而此實例中所用之污水淤泥(SS)樣品方面，既然原始污水淤泥(SS)已於組份中具有一些量之助熔劑氧化鈣，故理想者甚至可選擇95%/5%污水淤泥(SS)/石灰岩之混合物以供製造聚集體。
表R概示由90%/10%污水淤泥(SS)/石灰岩之混合 物中、於三種選定溫度下所製得之聚集體之某些物理及機械性質。
實例6
此實例中，所製之合成聚集體包含(樣品Z)及都市固體廢棄物(“MSW”)焚化爐飛灰(“IFA”)。這些實驗中所用的焚化爐飛灰之平均化學組成乃示於下列表S中。
令污水淤泥(SS)(樣品Z)及焚化爐飛灰(IFA)接受上述及圖6所示之處理。將污水淤泥(SS)於110℃下乾燥24小時，而後將固塊碾磨成細粉。將焚化爐飛灰(IFA)加至已乾燥之污水淤泥(SS)粉末中，其後將混合物丸粒化及高溫處理。
以100%/0%、95%/5%、90%/10%及80%/20%(污水淤泥(SS)/焚化爐飛灰(IFA))之選定比例，將焚化爐飛灰(IFA)加至污水淤泥(SS)粉末中。將粉末與水(最多佔所得混合物總乾重之37%)於分批混合器中混合直至混合物之稠性允許丸粒化為止。將混合物送入旋轉筒中，再令旋轉筒末端所收集之丸粒通過4毫米及9.5毫米篩中篩濾。而後將丸粒以包覆以飛灰，繼而於烤 箱中、於約110℃下乾燥過夜。而後將所得丸粒於旋轉窯中、於約980℃至1110℃之溫度間高溫處理約10分鐘至約12分鐘。
結果
下列表T至U概示藉上述方法所形成之聚集體之物理性質。資料乃繪於圖13之圖上。混合物中焚化爐飛灰(IFA)濃度之增加導致樣品之初始軟化、最大密實化與熔化間的溫度間隔略微變窄，此乃由於污水淤泥(SS)之化學組份及礦物學獲得改良之故。
以溫度之效應以及焚化爐飛灰(IFA)之加入對聚集體之性質為基準，以80%/20%污水淤泥(SS)/焚化爐飛灰(IFA)之混合物較為理想(其可製得具有1.5克/立方公分至約2.4克/立方公分間密度之聚集體)。然而，在相同高溫處理範圍內之90%/10%污水淤泥(SS)/焚化爐飛灰(IFA)之混合物亦理想。
表U概示由80%/20%污水淤泥(SS)/焚化爐飛灰(IFA)之混合物中、於三種選定溫度下所製得之聚集體之某些物理性質。
實例7
此實例中，所製之合成聚集體包含污水淤泥(SS)(樣品Z)及粒化鼓風爐渣(“GGBS”)。這些實驗中所用的粒化鼓風爐渣(GGBS)之平均化學組成乃示於下列表V中。
令污水淤泥(SS)(樣品Z)及粒化鼓風爐渣接受上述及圖6所示之處理。將污水淤泥(SS)於110℃下乾燥，而後將固塊碾磨成細粉。將粒化鼓風爐渣(GGBS)加至已乾燥之淤泥粉末中，其後將混合物丸粒化及高溫處理。
以100%/0%、95%/5%、90%/10%及80%/20%(污水淤泥(SS)/粒化鼓風爐渣(GGBS))之選定比例，將粒化鼓風爐渣(GGBS)加至淤泥粉末中。將粉末與水(最多佔所得混合物總乾重之35%)於分批混合器中混合直至混合物之稠性允許丸粒化為止。將混合物丸粒化，再通過4毫米及9.5毫米篩中篩濾。而後將丸粒以粒化鼓風爐渣(GGBS)包覆，繼而於烤箱中、於約110℃下乾燥過夜。而後將丸粒於旋轉窯中、於約970℃至1110℃之溫度間高溫處理約10分鐘至約12分鐘。
結果
下列表W至X概示藉上述方法所形成之聚集體之物理性質。下列表W概示包含不同比例之污水淤泥(SS)與粒化鼓風爐渣(GGBS)且於不同溫度下燃燒之聚集體之測試結果。資料乃繪在圖14的圖上。可觀察到污水淤泥混合物中之粒化鼓風爐渣(GGBS)濃度之增加具有與水泥窯灰(CKD)、焚化爐飛灰(IFA)及石灰岩類同之效應。
以溫度之效應以及粒化鼓風爐渣(GGBS)之加入對所製得聚集體之性質為基準，以80%/20%污水淤泥(SS)/粒化鼓風爐渣(GGBS)之混合物較為理想(其可於980℃至1110℃間燒結製得具有1.5克/立方公分至約2.4克/立方公分密度之聚集體)。然而，此實例中所用之污水淤泥(SS)樣品Z方面，既然原始污水淤泥(SS)中已包括一些量之助熔劑，諸如組份中之氧化鈣，故甚至90%/10%污水淤泥(SS)/粒化鼓風爐渣(GGBS))之混合物亦可有效以供聚集體之製造。
表X概示由80%/20%污水淤泥(SS)/粒化鼓風爐渣(GGBS)之丸粒中所得之聚集體之某些物理性質。
實例8
此實例中，合成聚集體係由低鈣之矽鋁物質粉碎燃料灰(PFA)及倫敦黏土，以及高鈣之矽鋁物質鼓風爐渣(“BFS”)，及石灰廢棄物之混合物中製得。將鼓風爐渣(BFS)碾磨。廢玻璃亦充作低鈣矽鋁物質或高鈣矽鋁物質而用於混合物中。廢玻璃之平均組成已示於上文之實例1中。粉碎燃料灰(PFA)及粒化鼓風爐渣(GGBS)之顯著構份則示於下列表Z1中。
既然這些物質具有細粒尺寸分佈，故彼等可直接彼此混合而不必碾磨。黏土係作為塑性黏合劑地以佔混合物總 乾重10%至30%之比例範圍加入。表Z2提供製造聚集體所用之物質及其比例，其中低鈣矽鋁物質經確認為物質1且高鈣矽鋁物質經確認為物質2。
將諸物質以上示之比例混合，再使用上示實例中所述 之設備將水加入予以丸粒化。而後將丸粒於烤箱中、於約110℃下乾燥過夜。繼而將所得丸粒於形狀像三葉草的三葉式(Frefoil)旋轉窯中、使用燃料丙烷、於約1000℃至約1250℃間之溫度下高溫處理約15至約20分鐘。再將聚集體風乾。
當由窯中移除後，聚集體仍保留其完整性。彼等幾近為球形或略微有角，且顏色乃依混合物而有所變化。例如，含高量粒化鼓風爐渣(GGBS)之聚集體呈現白色，而含高量粉碎燃料灰(PFA)之聚集體則呈現暗棕色。聚集體具有硬且平滑之表面且為輕質。彼等當隨機壓碎時，乃具有相對之硬結構。
本文中所述之實施例為完成本發明之實例。只要不脫離本發明之精髓及範圍(由下列申請專利範圍所定義)，亦可進行這些實例之改良。
10‧‧‧凝集體
12‧‧‧低鈣之矽鋁物質(LCSAM)微粒或高鈣之矽鋁物質(HCSAM)微粒
14‧‧‧污水淤泥微粒
16‧‧‧孔
20‧‧‧聚集體
22‧‧‧小粒
24‧‧‧基質
26‧‧‧表層
28‧‧‧內孔
28a‧‧‧小表孔
30‧‧‧玻璃化聚集體
圖1為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥(樣品X)之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與花崗石鋸切殘料之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖2為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與水泥窯灰之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖； 圖3為根據本發明方法所產製之凝集體(agglomerate)實例之圖示橫斷面；圖4為根據本發明實施例之燒結聚集體實例之圖示橫斷面；圖5為根據本發明實施例之玻璃化聚集體實例之圖示橫斷面；圖6為根據本發明實施例之製造聚集體之方法之實例；圖7為根據本發明實施例之燒結聚集體實例之照片；圖8為根據本發明另一實施例之製造聚集體之另一方法之實例；圖9為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與廢玻璃之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖10為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥(樣品Y)之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與花崗石鋸切殘料之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖11為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與板岩之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖12為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨 著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與石灰岩之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖13為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與焚化爐飛灰之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；圖14為根據本發明實施例之密度(克/立方公分)隨著污水淤泥之高溫處理溫度(℃)而變化以及密度隨著污水淤泥與碾磨粒化鼓風爐渣之混合物之高溫處理溫度(℃)而變化之圖；
10‧‧‧凝集體
12‧‧‧低鈣之矽鋁物質(LCSAM)微粒或高鈣之矽鋁物質(HCSAM)微粒
14‧‧‧污水淤泥微粒
16‧‧‧孔

Claims (28)

  1. 一種製造輕質聚集體之方法，包含：將來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之灰渣矽鋁廢棄物混合，其中該廢棄物比該污水淤泥含較多的鈣；將混合物凝集以形成凝集體(agglomerate)；及將凝集體於旋轉窯中高溫處理以形成具有相對密度低於2克/立方公分之玻璃狀結晶多孔輕質聚集體。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：廢棄物包含大於9乾重%之鈣；且污水淤泥包含小於3乾重%之鈣。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：聚集體包含小於約10乾重%之鈣。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，包含：將佔混合物乾重約90%至約60%之污水淤泥與佔混合物乾重約10%至約40%之廢棄物混合。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，進一步包含：以，至少有一部分，污水淤泥與廢棄物之比例以及高溫處理之溫度為基礎來控制聚集體之一或多個性質。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，包含：以，至少有一部分，該比例及溫度為基礎來控制聚集體之密度。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，包含： 高溫處理該凝集體至一溫度以燒結該凝集體而形成燒結輕質聚集體。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，包含：玻璃化該凝集體至一溫度以引起揮發並使揮發氣體截留於熔化之液相中，因而使該凝集體膨脹形成輕質聚集體。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，包含：藉丸粒化以將混合物凝集。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，包含：藉擠壓將混合物凝集。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中廢棄物包含一或多種下列者：焚化爐殘料、廢玻璃、鼓風爐渣、窯灰或採礦廢棄物。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中焚化爐殘料包含一或多種下列者：焚化爐底灰，焚化爐飛灰或焚化爐濾集塵。
  13. 一種製造燒結輕質聚集體之方法，包含：將來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之灰渣矽鋁廢棄物混合，其中該廢棄物比該污水淤泥含較少的鈣；將混合物凝集以形成凝集體；及將凝集體於旋轉窯中高溫處理以形成具有相對密度低於2克/立方公分之玻璃狀結晶多孔輕質聚集體。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中：廢棄物包含一或多種下列者：採礦廢棄物或廢玻璃。
  15. 如申請專利範圍第13項之方法，其中：廢棄物包含小於約10%之鈣。
  16. 如申請專利範圍第13項之方法，其中：聚集體包含小於約10乾重%之鈣。
  17. 如申請專利範圍第13項之方法，包含：將佔混合物乾重約30%至約70%之污水淤泥與佔混合物乾重約70%至約30%之廢棄物混合。
  18. 如申請專利範圍第13項之方法，包含：藉丸粒化以將混合物凝集。
  19. 如申請專利範圍第13項之方法，包含：藉擠壓將混合物凝集。
  20. 如申請專利範圍第13項之方法，包含：高溫處理該凝集體至一溫度以燒結該凝集體而形成燒結輕質聚集體。
  21. 如申請專利範圍第13項之方法，包含：玻璃化該凝集體至一溫度以引起揮發並使揮發氣體截留於熔化之液相中，因而使該凝集體膨脹形成輕質聚集體。
  22. 如申請專利範圍第13項之方法，進一步包含：以，至少有一部分，污水淤泥與廢棄物之比例以及高溫處理之溫度為基礎來控制聚集體之一或多個性質。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，包含：以，至少有一部分，該比例及溫度為基礎來控制聚集體之密度。
  24. 一種製造輕質聚集體之方法，包含：將來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之灰渣矽鋁廢棄物混合，其中：該廢棄物包含大於9乾重%之鈣；且該污水淤泥包含小於3乾重%之鈣；將混合物凝集以形成凝集體；及將凝集體於旋轉窯中高溫處理以形成具有孔洞、相對密度低於2克/立方公分、水吸收力低於30乾重%之玻璃狀結晶多孔輕質聚集體。
  25. 如申請專利範圍第24項之方法，包含：高溫處理該凝集體至一溫度以燒結該凝集體而形成燒結輕質聚集體。
  26. 如申請專利範圍第24項之方法，包含：玻璃化該凝集體至一溫度以引起揮發並使揮發氣體截留於熔化之液相中，因而使該凝集體膨脹形成輕質聚集體。
  27. 一種製造輕質聚集體之方法，包含：將來自廢水處理設施之污水淤泥與非-煤之灰渣矽鋁廢棄物混合，其中：該廢棄物比該污水淤泥含較少的鈣；將混合物凝集以形成凝集體；及高溫處理該凝集體至一溫度以使該凝集體膨脹形成輕質聚集體，此聚集體具有孔洞、相對密度低於2克/立方公分、以及水吸收力為10乾重%或更低。
  28. 如申請專利範圍第27項之方法，包含： 高溫處理該凝集體以引起揮發並使揮發氣體截留，因而使該凝集體膨脹。
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