污水处理厂污泥制备陶粒的试验研究

2017-01-13赵文涛占攀科李坤坤崔鹏

黄河水利职业技术学院学报 2016年1期

赵文涛，占攀科，李坤坤，崔鹏

污水处理厂污泥制备陶粒的试验研究

赵文涛，占攀科，李坤坤，崔鹏

（黄河水利职业技术学院，河南开封475004）

以污水处理厂污泥为主要原料，粉煤灰和黏土为辅料，烧制陶粒。通过对原材料化学成分分析，确定了陶粒的最佳配合比为1∶1∶1（活性污泥︰粉煤灰︰黏土），分析了预热时间、预热温度、烧结时间、烧结温度对陶粒的吸水率、堆积密度和颗粒密度的影响，得出烧制陶粒的最佳工艺条件为：预热时间为15min，预热温度为550℃，烧结时间为10min，烧结温度为950℃。

污水处理厂污泥；粉煤灰；黏土；陶粒制备；工艺条件

0　引言

随着我国经济社会的发展和城市化进程的加快，城市污水排放量不断增加，污水处理厂的规模也越来越大，污泥的数量也不断增加。污泥中含有重金属、致病菌、寄生虫卵等有害物质。如果不能合理地处理污泥，将会造成二次污染和资源浪费。目前，我国污泥的主要处置方法有焚烧、填埋和堆肥。污泥焚烧耗能巨大，设备投资和运行费用都很高［1］；污泥填埋占地面积过大［2］；污泥堆肥影响土壤质量，造成二次污染［3］。因此，选择一种将污泥资源化的处理方法，具有十分重要的意义。

污泥陶粒由于具有密度低、强度高、保温隔热效果好、耐化学腐蚀、耐细菌腐蚀、抗震性好及施工适应性强等优良性能，被广泛应用于污水处理、建筑、农业等领域。大量试验证明，污泥陶粒可以作为一种净水滤料［4～6］。本研究以生活污水处理厂的污泥为主要原料，电厂粉煤灰和黏土为辅料制备陶粒。通过分析不同预热时间、预热温度、烧结时间、烧结温度对陶粒性能的影响等，来确定陶粒的最佳制备条件［7］。

1　试验部分

1.1试验原材料

本研究所用污泥来自于开封污水处理厂，粉煤灰和黏土分别来自于开封电厂和黄河开封段黄河滩。

1.2试验仪器

本试验用到的仪器主要有：TU－1810型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司生产）、AB204－L型电子天平（梅特勒－托利多公司生产）、HH－4型数显恒温水浴锅（河南诚智科技发展有限公司生产）、FW－80型万能破碎机（北京中兴伟业仪器有限公司生产）、101－1A型干燥箱（天津泰斯特有限公司生产）、SX－4－10型马弗炉（北京中兴伟业仪器有限公司生产）。

1.3试验步骤

将污泥、粉煤灰、黏土依照相应的质量比混合在一起，搅拌均匀后揉成球。然后，烘干24 h，在马弗炉中预热一定时间后，烧结一定时间，待测。

1.4试验方法

试验中，陶粒原料的化学成分分析，陶粒的各项物理性评价指标及检测方法均按国家标准进行。根据陶粒的各项指标的优劣来确定试验的最佳工艺条件［8］。

2　结果与讨论

2.1配合比的确定

制备陶粒的原材料成分分析如表1所示。

由表1可以看出，活性污泥中的SiO2、A12O3及助溶剂成分的含量较低，其化学成分与制备陶粒所要求的材料相差很多。所以，试验选择粉煤灰和黏土为制备陶粒的辅料。制备陶粒的原料配合比暂定为1∶1∶1（活性污泥∶粉煤灰∶黏土）。经计算，陶粒原料中SiO2含量约占55%，A12O3含量占14%，Fe2O3，CaO，MgO等氧化物之和约占18%，符合Riley相图中SiO2含量占53%～79%，A12O3含量占10%～25%，Fe2O3，CaO，MgO等氧化物之和占13%～26%等制备陶粒的要求［9］。因此，确定制备陶粒的最佳配合比为1∶1∶1（活性污泥∶粉煤灰∶黏土）。

表1　制备陶粒的原材料化学成分分析（w t%）Tab.1 Raw material chem ical com position analysis of ceram site preparation（Unit:w t%）

2.2最佳工艺条件的选择

按最佳配合比例制成生料球，以吸水率、堆积密度和颗粒密度为指标，考察制备陶粒的最佳工艺条件。

2.2.1预热时间和预热温度对陶粒性能的影响

分别选择预热时间为10min、15min、20min，预热温度为450℃、500℃、550℃、600℃、650℃烧制陶粒。测定不同条件下陶粒的吸水率、堆积密度和颗粒密度，研究不同时间下预热温度对陶粒的影响，结果如图1～图3所示。

由图1可以看出，陶粒的吸水率随预热温度的增加而不断减小，且当预热温度为550℃，预热时间超过15min时，陶粒的吸水率明显降低。当预热时间为15min和20min时，陶粒的吸水率差异不大。

由图2和图3可以看出，在预热时间为10min、15min和20min，预热温度小于550℃时，陶粒的堆积密度和颗粒密度均不断减小。当预热温度超过550℃时，陶粒的堆积密度又在迅速增加，且预热时间为15min，预热温度为550℃时，达到最低；当预热温度超过550℃时，陶粒的颗粒密度在预热时间10min和20min下缓慢增加，而在预热时间为15min下迅速增加，且在预热时间为15min，预热温度为550℃时，达到最低。

图1　不同预热时间下预热温度对吸水率的影响Fig.1 Influence of p reheating tem perature on water absorption under different preheating time

图2　不同预热时间下预热温度对堆积密度的影响Fig.2 Influence of preheating temperature on bulk density under different preheating time

图3　不同预热时间下预热温度对颗粒密度的影响Fig.3 Influence of preheating tem perature on particle density under different preheating time

因此，确定制备陶粒的最佳预热时间为15min，预热温度为550℃。

2.2.2烧结时间和烧结温度对陶粒性能的影响

分别选择烧结时间为5min、10min、15min，烧结温度为850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃烧制陶粒。分别测定不同条件下陶粒的吸水率、堆积密度和颗粒密度，研究不同时间下烧结温度对陶粒的影响，结果如图4～图6所示。

图4　不同烧结时间下烧结温度对吸水率的影响Fig.4 Influence of sintering temperature on water absorption under different sintering time

图5　不同烧结时间下烧结温度对堆积密度的影响Fig.5 Influence of sintering tem perature on bulk density under different sintering time

由图4～图6可以看出，在烧结温度小于950℃时，陶粒的吸水率、堆积密度和颗粒密度都随着烧结温度的升高而不断减小；当烧结温度超过950℃时，它们随着烧结温度的升高而不断增加。当烧结时间为10 min，烧结温度为950℃时，陶粒的吸水率达到最低，为11.3%；陶粒的堆积密度和颗粒密度也达到最低，分别为425 kg／m3和718 kg／m3。

因此，确定制备陶粒的最佳烧结时间为10min，烧结温度为950℃。