生活污泥制备轻质高比表面积陶粒的试验研究

苏子艺，余 江，王 慈，刘建泉，胡 进

1)四川大学建筑与环境学院，成都610065;2)四川大学新能源与低碳技术研究院，成都610065;3)成都工业学院，成都610031;4)瑞士西部应用科学大学，伊韦尔东1400号，瑞士

近年来，中国对城镇生活污水处理等环境公共基础设施的建设相当重视，越来越多的污水处理厂已建成并投入使用.根据《2011中国污泥处理处置市场分析报告》，截至2010年底，全国城镇污水处理量达到343亿m3，脱水污泥产生量近2 200万t，且在“十二五”期间污泥年产量将以246万m3/a的速度递增［1］.因此，公共环境得到改善的同时，污水处理厂会产生大量污泥，而这些污泥因其含水率高、有机物含量多等原因，已成为污水处理厂的巨大负担，若不经有效处理处置就直接进入环境会对人居环境造成二次污染.国内现有污泥处理方式主要有填埋、土地利用和焚烧等［2］，但由于成本高、易造成二次污染等原因，这些方法均不能有效地处置如此大量的脱水污泥.因此，随着污泥产量大幅增加，把污泥变成可利用的物质，实现污泥资源化利用显得尤为重要.

利用生活污泥制备陶粒材料是目前一种较新的实现污泥资源化利用的方式，对开辟新的陶粒原料，开发新的轻质陶粒有重要意义，且城市污泥产量巨大，将其用于陶粒的生产可以取得较大的经济和环境效益［3］.陶粒具有高强度、保温隔音效果好、防火耐化学腐蚀等性能，被应用于建筑、冶金等行业［4］.除此之外，陶粒因其具有较大的比表面积、孔隙率高、机械强度高、表面粗糙、吸附能力强、生物亲和性好及易挂膜等优点［5-8］，被用作污水处理滤料，应用十分广泛.陶粒滤料在污水处理中主要作为微生物载体和吸附剂.比表面积是评价水处理滤料性能的重要常规指标之一［9］，陶粒比表面积越大，越有利于微生物的附着和提高其吸附截留效果.

用脱水污泥制作陶粒可以处理污水处理过程中产生的污泥，达到废物资源化利用的目的，并且该工艺能够充分利用污泥中有机物的热值，减少陶粒烧制过程中的成本.目前我国陶粒市场仍以黏土陶粒和页岩陶粒为主，环保陶粒较少［2］，优质脱水污泥陶粒的开发，填补了这一市场空缺，具有很好的发展前景.本研究以污水处理厂脱水污泥为主料，以粉煤灰和膨润土为辅料，研制一种具有高比表面积的轻质陶粒.该烧结工艺为完善污泥陶粒制作工艺提供技术支持，也为污水处理厂提供污泥处理思路，在提升污泥经济价值的同时，也提高了污水处理厂处理污泥的积极性.

1 材料和方法

1.1 实验材料和设备

实验主要原料取自成都市双流航空港开发区污水处理厂的经带式压滤机脱水而得的新鲜脱水污泥，其含水率 (质量分数)为78%，有机质质量分数 (干基)为53.5%，密度为1.11 kg/m3;辅助原料取自成都金堂县火力发电厂的Ⅰ级粉煤灰和成都市双流神石膨润土制品厂的膨润土.

1.2 制备工艺

采用正交试验方法设计了6种原料组成的配方，即m(污泥)∶m(粉煤灰)∶m(膨润土)依次为58∶35∶7、60∶30∶10、39∶35∶26、62∶35∶3、71∶22∶7 和43∶50∶7.将新鲜污泥采用烘烤 (烘烤温度为120℃，烘烤10 min)和未烘烤2种方式处理后，按原料配方与其他原料及水混合，水掺入量以能造粒成型即可，均化后塑化成球，在烧结温度为900～1 200℃，烧结45 min条件下烧制9种陶粒样品，编号为1#—9#.其中1#—4#陶粒样品的原料配方均为第1种配方 (即污泥、粉煤灰和膨润土的质量比为58∶35∶7)，5#—9#陶粒样品依次采用第2—6 种配方.整个过程符合陶粒烧结机理［10］.工艺流程如图1.

图1 工艺合成方法流程图Fig.1 The flow chart of technique process

1.3 性能测定

陶粒的性能指标很多，本研究主要选取陶粒的比表面积、堆积密度和筒压强度3项指标来考察产品性能.陶粒的比表面积采用BET动态氮吸附法测定，堆积密度和筒压强度按照《轻集料及其试验方法 (GB/T 17431.2—2010)》［11］进行测定.

2 结果与分析

2.1 烧结温度对陶粒性能的影响

选取 m(污泥)∶m(粉煤灰)∶m(膨润土)=58∶35∶7的混合原料进行陶粒烧结实验，研究烧结温度对陶粒主要性能的影响，当烧结温度分别为900、1 000、1 100和1 200℃时，得到1#、2#、3#和4#陶粒样品，结果如图2所示.

图2 烧结温度对陶粒性能的影响Fig.2 Effect of sintering temperature on properties of ceramic

陶粒的堆积密度随着烧结温度的升高先增后减，在烧结温度为1 100℃时达到最小，之后随烧结温度继续上升，堆积密度逐渐增大.这是因为当温度小于1 100℃时，陶粒中的发气物质不断气化，但又无法冲破黏接剂融化时形成的液相膜，从而使陶粒被烧胀，堆积密度有所下降;当烧结温度达到1 100℃时，陶粒中的黏接剂形成的液相膜破裂，因此其堆积密度又随着烧结温度的升高而增大.

陶粒的比表面积随烧结温度的升高而渐减.这是因为温度越高，液相量越大，且液相黏度有所降低，使烧结中形成的液相更容易填充到产生的气孔中，使得陶粒空隙内粗糙度越低，所以比表面积会随温度的升高而降低［12］.当烧结温度达到1 100℃左右时，液相膜破裂后，陶粒内部空隙更容易被液相填充，导致比表面积骤降.

陶粒的筒压强度随着烧结温度的升高而逐渐增大.当煅烧温度为900℃时，原料中的黏接剂未熔融，陶粒结构松散，筒压强度很低;而当温度继续升高时，黏接剂融化后冷却，黏接剂形成的液相膜破裂后陶粒变得更密实，从而筒压强度随烧结温度的升高而增大［13］.

实验结果表明，3项性能指标和烧结温度间的变化关系都符合陶粒烧结理论，烧结温度控制在约1 100℃时最优.

2.2 烘烤对陶粒性能的影响

陶粒烧结工艺中烘烤阶段即为预热过程，该过程主要起到2个作用:一是将原料中的大部分有机质热解为气体去除，使陶粒轻质化;二是除去原料中水分，避免升温过程中水蒸发过快而导致原料炸裂，影响烧结体的强度性能［9］.

表1比较了3#与5#陶粒样品的各项性能指标.由表1可见:3#陶粒红褐色，颗粒表面粗糙，有颗粒状凸起，表面连通内部的气孔较多，陶粒内部气孔小而多;5#陶粒黑褐色，颗粒表面熔融状，有裂纹，较为平滑，连通内部的气孔几乎没有，陶粒内部气孔大而互不相通.3#仅堆积密度略高于5#，比表面积和筒压强度均优于5#.主要是由于在烘烤阶段 (烘烤温度为120℃，烘烤10 min)原料中的自由水和结合水被蒸发出来，同时原料中的有机质得以分解，放出大量气体致使陶粒产生多孔结构，表面液相与膨胀气体构成动态平衡，最终形成优质多孔陶粒.且新鲜污泥中含有的大量发气物质使其内部孔洞巨大，污泥经烘烤之后发气物质大大减少，从而取得很好的效果［14］.

表1 烘烤条件对陶粒性能及表观性状的影响Table 1 Effect of preheating condition on properties and apparent traits of ceramic

2.3 原料组成对陶粒性能的影响

8#、3#和9#陶粒的粉煤灰质量分数依次为22%、35%和50%，由图3可知，随着陶粒中粉煤灰的质量分数不断增加，陶粒的比表面积不断增大，筒压强先增大后减小，3#陶粒的筒压强最大.7#、3#和6#陶粒的膨润土质量分数依次为3%、7%和26%，由图4可知，随着陶粒中膨润土的质量分数不断增加，陶粒的比表面积不断减小，筒压强先增大后减小，3#陶粒的筒压强最大.6#、9#、3#、7#和8#陶粒的污泥质量分数依次为39%、43%、58%、62%和71%，陶粒的比表面积、筒压强随着陶粒中污泥质量分数的变化趋势如图5，9#、3#和7#的比表面积较好，3#陶粒的筒压强最大;当污泥质量分数为39%时，比表面积和筒压强均很小.

图3 粉煤灰掺和量对陶粒性能的影响Fig.3 Effect of fly ash percentage on properties of ceramic

图4 膨润土掺和量对陶粒性能的影响Fig.4 Effect of bentonite percentage on properties of ceramic

通过以上结果，可以判定在制作陶粒的原料中，粉煤灰为支撑剂，膨润土为黏接剂.当支撑剂(粉煤灰)与黏接剂 (膨润土)比例适宜时，陶粒比表面积和筒压强达到最优.当支撑剂 (粉煤灰)过多时，气体冲破液相，支撑剂颗粒间黏接不牢靠，导致陶粒比表面积增大而筒压强降低;当黏接剂 (膨润土)过多时，黏接剂液相熔融后填充了空隙，使陶粒比表面积减小，熔融物凝固后硬度却不及支撑剂颗粒，致使陶粒筒压强也降低［15］.

图5 污泥掺和量对陶粒性能的影响Fig.5 Effect of sludge percentage on properties of ceramic

结 语

本研究以生活污泥为主要原料，粉煤灰和膨润土为辅料，通过正交试验证实3#陶粒对应的实验方案最佳，即原料组成(质量分数)为:污泥58%、粉煤灰35%、膨润土7%，在烘烤温度120℃，烘烤时间10 min，烧结温度1 100℃，烧结时间45 min的烧成条件下，可获得最佳轻质高比表面积陶粒，产品的堆积密度为520 kg/m3，比表面积为5.01 m2/g，筒压强为3.05 MPa，性能达到甚至优于国家相关标准［16-17］.

/References:

［1］ Zhang Yun.Planning research of sludge treatment and disposal in China［J］.Wastewater Information，2010(4):13-15.(in Chinese)张 韵.我国污泥处理处置的规划研究 ［J］.给水排水动态，2010(4):13-15.

［2］ Liang Xiangdong，Li Feifei.Research on the sludge reclamation utilization of sewage treatment plant［J］.SCITECH Information Development＆ Economy，2010，20(33):143-147.(in Chinese)梁向东，李飞飞.污水处理厂污泥资源化利用的研究［J］.科技情报开发与经济，2010，20(33):143-147.

［3］ Cao Xiuqin，Du Jinhai.Analysis of the technology development of sludge treatment and disposal［J］.Environmental Engineering，2013，31(S1):561-564.(in Chinese)曹秀芹，杜金海.污泥处理处置技术发展现状及分析［J］.环境工程，2013，31(S1):561-564.

［4］ Sun Xia，Wang Qingjie，Wu Xiaobo.Advances in ceramic fillers［J］.Management and Technology，2010(4):252-253.(in Chinese)孙 霞，王清杰，吴晓波.陶粒填料的研究进展［J］.中小企业管理与科技，2010(4):252-253.

［5］ Wang Qiong，Meng Qinjun.Different fillers used in wastewater treatment［J］.Environmental Science and Technology，2009，15(1):36-38.(in Chinese)王 琼，孟庆俊.不同填料在废水处理中的应用［J］.环保科技，2009，15(1):36-38.

［6］ Jiang Zhanhong. Sewage treatment filler's type， performance and trends［J］.Environmental Pollution and Control，1994，16(4):13-16.(in Chinese)蒋战洪.污水处理用填料的种类、性能和发展趋势［J］.环境污染与防治，1994，16(4):13-16.

［7］ Long Tengrui，Guo Jingsong，Fang Fang，et al.Development of new bio-enzyme catalyser carrier for water treatment［J］.Journal of Chongqing Jianzhu University，2000，22(3):1-6.(in Chinese)龙腾锐，郭劲松，方 芳，等.水处理酶促生物填料的生产性试验研制 ［J］.重庆建筑大学学报，2000，22(3):1-6.

［8］ Zhu Lehui，Zhu Zhongbang.Study of water treatment filter material:light global ceramsites［J］.Environmental Protection，2000(1):35-36.(in Chinese)朱乐辉，朱衷榜.水处理滤料——球形轻质陶粒的研制 ［J］.环境保护，2000(1):35-36.

［9］ Xu Zhenhua，Liu Jianguo，Song Minying，et al.Technological study on sintering ceramisite with sewage sludge and sediment and fly ash ［J］.Journal of Safety and Environment，2012，12(4):21-26.(in Chinese)徐振华，刘建国，宋敏英，等.污泥、底泥与粉煤灰烧结陶粒的工艺研究 ［J］.安全与环境学报，2012，12(4):21-26.

［10］ Qi Yuanfeng，Yue Qinyan，Yue Min，et al.Preparation of ultra-lightweight ceramic from sewage sludge and fly ash used for fillers［J］.Functional Materials，2010，41(6):1097-1101.(in Chinese)齐元峰，岳钦艳，岳 敏，等.用于水处理填料的超轻污泥-粉煤灰陶粒的研制［J］.功能材料，2010，41(6):1097-1101.

［11］ GB/T 17431.2—2010 Lightweight aggregate and its test methods ［S］.(in Chinese)GB/T 17431.2—2010轻集料及其试验方法 ［S］.

［12］ Xu Zhenghua，Liu Jianguo，Song Minying，et al.Effect of temperature on sintering ceramisite with sewage sludge and sediment［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2013，7(5):1894-1899.(in Chinese)徐振华，刘建国，宋敏英，等.温度对污泥与底泥烧结陶粒性能的影响 ［J］.环境工程学报，2013，7(5):1894-1899.

［13］ Jin Yiying，Wang Xingrun，Du Xin，et al.A feasibility study on technologies of making haydite by sintering municipal sewage sludge［J］.Nonferrous Metals Engineering＆ Research，2007，28(2/3):210-214.(in Chinese)金宜英，王兴润，杜 欣，等.污泥烧结制陶粒技术可行性研究 ［J］.有色冶金设计与研究，2007，28(2/3):210-214.

［14］ Yue Min，Yue Qinyan，Li Renbo，et al.Preparation and characterization of keramzite from municipal sewage sludge［J］.The Chinese Journal of Process Engineering，2008，8(5):972-977.(in Chinese)岳 敏，岳钦艳，李仁波，等.城市污水厂污泥制备陶粒滤料及其特性 ［J］.过程工程学报，2008，8(5):972-977.

［15］ Zhang Weiguo，Yang Bo，Xi Danli.Study on the production of ceramisite using river sediment［J］.Environmental Protection and Technology，2007，13(1):39-43.(in Chinese)张国伟，杨 波，奚旦立.河道底泥制备陶粒滤料的研究 ［J］.环保科技，2007，13(1):39-43.

［16］ QB/T 4383—2012 Ceramsite filter material［S］.(in Chinese)QB/T 4383—2012陶粒滤料 ［S］.

［17］ CJ/T 299—2008 Artifical ceramsite filter material for water treatment［S］.(in Chinese)CJ/T 299—2008水处理用人工陶粒滤料 ［S］.