二氧化硅含量对污泥底泥制备陶粒性能的影响研究

刘明伟，刘　芳

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100120)

二氧化硅含量对污泥底泥制备陶粒性能的影响研究

刘明伟1，刘芳2

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100120)

摘要：污水污泥处置是环境领域的一个难题，传统工艺如土地填埋，堆肥等易造成二次污染。本文以污水污泥和河道底泥为原料制备轻质陶粒，研究SiO2含量变化对陶粒的吸水率、松散容重、表观密度、表面形态、物相构成和强度的影响。通过研究表明在SiO2含量为35%时可制备出性能最佳的陶粒，SiO2是一个重要的调控陶粒性能的参数。

关键词：污水污泥；河道底泥；陶粒；SiO2

现代污水处理工艺产生大量的污水污泥，其中一些有毒有害有机物、重金属、细菌、病毒等污染物容易富集在污泥中，如果不能得到妥善的处置，会对环境造成较大危害[1～3]。传统污泥处置工艺如土地填埋、堆肥、焚烧等工艺由于易造成二次污染、处理费用高的弊端而受到了一定的限制[4～6]。

污泥资源化利用是当前一个热点研究方向[7，8]，本文中使用污水污泥与河道底泥这两种污泥作为原材料制备轻质陶粒。SiO2是河道底泥和污水污泥中含量最高的化学组分，因此本文主要讨论在陶粒烧制过程中SiO2含量对陶粒性能的影响。考察指标包括SiO2含量变化对陶粒的密度、吸水率、盐酸可溶率等物理性质的影响，以及对陶粒的表面形态、物相构成和强度的影响。

1原料与方法

1.1原料

污水污泥采用哈尔滨文昌污水处理厂的脱水污泥，河道底泥取自哈尔滨何家沟上游。污泥与底泥的成分分析见表1所示。

表1　污水污泥和河道底泥化学成分分析(%)

1.2试验方法

污水厂污泥与河道挖掘后底泥取回自然通风晾干，用研磨机研磨成粉末状(≤100 μm)，为了减小实验误差，在105 ℃的干燥箱中烘干1-2 h 至恒重后放置在密封的聚乙烯塑料容器中保存。污水污泥和河道底泥按质量比1∶1(干重比)的比例混合，水添加比例为泥：水=1.2∶1，搅拌均匀后挤压成型成球形，晾干后放入马弗炉中在在1 100 ℃的条件下烧制 30 min，制备所需陶粒[7]。

1.3分析仪器与方法

采用Philips PW 4400 XR(X-ray fluorescence-XRF)X射线荧光光谱仪(荷兰PANalytical公司)，INSTRON 5569自动材料测试仪(美国INSTRON公司)，Quanta 200FEG扫描电子显微镜(美国FEI公司)，D/max-γβ旋转阳极X射线衍射仪(日本Rigaku公司)对污泥及陶粒的特性进行分析。

2结果与讨论

2.1SiO2含量对陶粒物理性质的影响

调节SiO2或者其它组分的含量，使原料中SiO2含量分别为20%、22.5%、25%、27.5%、30%、35%、40%、45%、50%和55%，在温度1 100 ℃，保温时间30 min条件下烧制陶粒，测试不同SiO2含量时陶粒的物理性质，结果如图1所示。

图1　原料中SiO2含量对陶粒物理性质的影响

从图1可以看出，随SiO2含量的增加，陶粒样品的松散容重和表观密度呈现先增大后减小的趋势，吸水率和盐酸可溶率呈现先减小后增大的趋势。当SiO2含量从20%增加到35%时，陶粒样品的松散容重和表观密度从552 kg/m3和1 160 kg/m3分别增加到868 kg/m3和1 890 kg/m3，吸水率和盐酸可溶率从32.2%和6.37%分别降低到5.8%和0.52%。当SiO2含量从35%增加到55%时，陶粒样品的松散容重和表观密度分别从868 kg/m3和1 890 kg/m3减少到668 kg/m3和1 444 kg/m3，吸水率和盐酸可溶率分别从5.8%、0.52%增加到31%、7.45%。在SiO2含量为35%时，可以得到松散容重、表观密度最高而吸水率、盐酸可溶率最小的陶粒。

SiO2是构成陶粒内部骨架结构硅酸盐晶体的重要组分，在烧制过程中Si4+能与-O-形成稳定的正四面体结构。当SiO2含量过低时，在烧结过程中原料不能提供充足的Si4+以形成足够稳定的硅酸盐骨架，所以在此条件下烧制出来的陶粒体积收缩系数不明显、易破碎，导致陶粒密度小、耐腐蚀性差、吸水率偏高。SiO2的熔点是1 725 ℃，SiO2含量过高时，会提升原料组分的低共熔点，需要更高的烧结温度，增加能耗，不利于组分熔化形成液相。所以在1 100 ℃下烧制时，由于组分低共熔点的升高导致陶粒烧结不完全，体积无明显收缩，造成陶粒内部结构松散不稳定，松散容重和颗粒表观密度下降，吸水率和盐酸可溶率升高。综合以上分析，在选择河道底泥和污水污泥为原料制取轻质陶粒的过程中，原料中SiO2含量控制在25%-45%是比较理想的，此时吸水率较低，且盐酸可溶率控制在2%以下，符合污水处理滤料的要求。

2.2SiO2含量对陶粒物理性质的影响

取SiO2含量分别为22.5%、35%和50%的陶粒样品作为测试目标进行SEM测试，考察SiO2含量变化对陶粒表面形态的影响，结果如图2所示。

图2可以看出，在SiO2含量为22.5%时，陶粒样品表面比较致密，并有一些相互独立的孔径约为10-30 μm的微小孔隙，图像放大后可观察到一些狭长的裂隙，这会影响陶粒的吸水率和盐酸可溶率。当原料中SiO2所占比例减少时，MgO、Fe2O3等一些碱土氧化物含量增加，这些起助熔作用的物质有利于降低原料的低共熔点，产生如Na2O-CaO-SiO2系统熔体，促进液相生成并形成性质稳定的晶体。在陶粒的高温烧制过程中，原料中的碱土氧化物在熔化形成液相的过程中并释放出气体，气体包裹在液相内形成气泡。伴随气体的不断产生，气泡内部的压强不断增加，到一定程度时使气泡破裂，气体会冲破液相的束缚，溢出体外，因此在陶粒表面形成具有一定孔径的孔隙或裂隙，而内部没有破裂的气泡随液相冷却后会在陶粒内部形成蜂窝状的圆孔。

图2　SiO2含量为22.5%(A)、35%(B)和50%(C)的陶粒表面形态分析

当SiO2含量为35%时，陶粒表面比较致密，孔隙孔径比较均匀，出现微玻璃化现象，晶体颗粒发育较为完整。表面致密化程度高，有利于降低吸水率和盐酸可溶率，增加陶粒的强度。

当SiO2含量为50%时，表面出现比较大的碎渣，并有一些狭长型的缝隙，此时吸水率和盐酸可溶率都偏高。SiO2含量过高时，会提升原料组分的低共熔点，不利于组分熔化形成液相和稳定的硅酸盐晶体系，因此需要更高的烧结温度才能推动烧结的进行。所以在1 100 ℃时陶粒会烧结不完全的现象，影响陶粒的性能。

2.3SiO2含量对陶粒物相组成的影响

陶粒的物相组成会直接影响陶粒的性能和用途，在陶粒的烧制过程中，由于原料成分含量不同，会导致陶粒中物相组成出现差异，进而影响陶粒产品的性能。本节中以原料中SiO2含量为22.5%、35%和50%时制备的陶粒样品作为测试目标进行X射线衍射分析(XRD)测试，考察SiO2含量对陶粒物相组成的影响，结果如图3所示。

图3　SiO2含量为22.5%、30%和50%的陶粒物相组成分析

由图3可以看出，当SiO2含量为22.5%、35%和50%时，陶粒中主要晶体为石英、钠长石、钙长石、蓝晶石、赤铁矿和顽辉石，以及少量硅线石晶体等。当SiO2含量增加时，可以观察到石英的衍射峰值会相应的升高。陶粒中的晶体主要属于硅酸盐类晶体，在硅酸盐晶体结构中，硅与氧之间的结合力起主要作用，结构中每个Si4+都被4个O2-所包围，构成四面体，成为硅氧四面体[SiO4]，其中4个O2-分布于正四面体的顶点，而Si4+处于正四面体的中心，硅氧四面体[SiO4]是硅酸盐晶体的基本结构单元。硅酸盐结构具有如下几个特点[10]：

(1)Si4+之间的连接通过O2-来实现，Si4+与O2-的结合比其它离子与O2-的结合要强得多。在不同硅酸盐结构中，硅氧四面体[SiO4]基本上保持不变，Si—O—Si键的夹角一般在145°左右。

(2)Si4+为4价，其配位数也为4，Si4+分配给每个与之配位的O2-的静电键强度为1，O2-还有剩余的另一半电价可以与另外的离子配位。

(3)[SiO4]四面体可以有共用顶点，每个[SiO4]四面体可以通过共用顶点与另外的一个、两个、三个或四个[SiO4]四面体相连，形成各种形式的硅氧负离子团。

(4)[SiO4]四面体中心的Si4+可以与Al3+发生同晶取代现象，所以部分Si4+离子可以被Al3+替代，取代后晶体的性质会发生一定的变化。

2.4SiO2含量对陶粒强度的影响

陶粒中骨架结构主要由硅酸盐类晶体构成，SiO2含量变化会对陶粒的强度产生影响。试验中选取的SiO2含量为22.5%、35%和50%的陶粒样品作为测试目标进行抗压强度测试，强度测试结果如图4所示。

图4　SiO2含量(22.5%、35%和50%)对陶粒强度的影响

由图4可以看出，当原料中SiO2含量由22.5%变为35%时，陶粒的抗压强度从11.5 MPa变为14.2 MPa，当SiO2含量为50%时，陶粒的抗压强度又减小为11.4 MPa。从测试结果可知，随SiO2含量从22.5%增加到35%时，陶粒的强度升高，结合图2中陶粒的SEM分析可知，SiO2含量为22.5%时，碱性氧化物如Fe2O3、MgO等含量增加，降低了原料组分的低共熔点，有利于组分熔融形成液相并释放更多的气体。伴随气体的不断产生，到一定程度时气体会冲破液相的束缚，溢出体外，在陶粒表面形成具有一定孔径的孔隙或不规则的裂隙增多，因此降低陶粒的强度。而SiO2含量为35%时，陶粒表面致密性增强，形成的晶体结构稳定，陶粒的强度增大。当SiO2含量为50%时，过多的SiO2提高了原料的共熔点，需要更高的烧结温度才能推动烧结的进行，因此在1 100 ℃时会出现陶粒烧结不完全的现象，使陶粒的性能降低。如图2的SEM图(C)中所观察到的陶粒表面出现比较大的碎渣，表面松散，并有一些狭长型的孔隙，所以强度会降低。

3结论

在污泥陶粒的制备过程中，SiO2含量变化对陶粒性能影响显著。在SiO2含量为35%时，可以得到松散容重、表观密度最高而吸水率、盐酸可溶率最小的陶粒；当SiO2含量为35%时，陶粒表面比较致密，孔隙孔径比较均匀，出现微玻璃化现象，晶体颗粒发育较为完整。表面致密化程度高，陶粒的强度最高。在陶粒生产制备过程中，SiO2含量变化是调控产品性能的一个重要参数。

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Effect of SiO2on the Characteristics of Lightweight Aggregate Made from Sewage Sludge and River Sediment

LIU Ming-wei1，LIU Fang2

(1.Architecture Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China Power Coustruction Engineering Co.LTD.Beijing 100120)

Abstract：Sewage sludge disposal has been a serious environmental issue，traditional methods such as landfills，composting can easily lead to secondary pollution.The paper used sewage sludge as a raw material preparation combined with river sediment to produce lightweight aggregates，and the effects of SiO2 content on the characteristics of lightweight aggregates were studied，which including water adsorption，bulk density，particle density physical characteristics，morphological structures analyses，crystalline phases and compressive strength.Research shown that lightweight aggregates with high Performance at SiO2content is 35%，SiO2 content could be used as a useful parameter to control the production process of lightweight aggregates with desired physicochemical properties.

Key words：Sewage sludge；River sediment；Lightweight aggregates；SiO2

收稿日期：2015-12-10.

基金项目：东北电力大学博士科研启动基金 (bsjjxm-201329)

作者简介：刘明伟 (1982-)，男，黑龙江省大庆市人，东北电力大学建筑工程学院讲师，博士，主要研究方向：污水污泥资源化利用.

文章编号：1005-2992(2016)03-0086-05

中图分类号：X705

文献标识码：A