污泥陶粒的制备及研究
2019-01-03薛凯旋林聪杨翔杨国良石力
薛凯旋，林聪，杨翔，杨国良，石力
（镇江建科建设科技有限公司，江苏 镇江 212004）
0 引言
污泥中含有大量的重金属、病菌、毒性有机质等，已成为影响水质及水域生态的重要因素。目前，污泥的主要处理方法包括填海、土地堆放及填埋等，但这些方法并未在根本上解决污泥的潜在危害。
通过分析污泥的化学组成成分，与其他材料进行混合，达到能够烧制出陶粒的条件，明确了污泥烧制陶粒的可操作性。利用污泥烧制陶粒，既实现了污泥的无害化处理，又具有巨大的经济效益。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
1.1.1 污泥
污泥源于镇江市高姿污水处理厂，含水率为76.7%，化学成分见表1。
表1 污泥化学成分
1.1.2 黄土
黄土源于公司附近，化学成分见表2。
表2 黄土化学成分
1.1.3 膨润土
膨润土为句容天王的膨润土，化学成分见表3。
表3 膨润土的化学成分
1.2 试验方法
陶粒烧制过程如图1所示，首先将污泥烘干，按比例与黄土和膨润土一起粉磨后，将原材料拌合水制成料球，将料球在 （100±5）℃条件下干燥2 h后，放入高温炉300℃下预热20 min，再在高温1 100~1 200℃下焙烧20 min。
图1 陶粒烧制过程
1.3 试验配比
根据相关研究表明，适合烧制优质陶粒的原材料化学成分为：SiO240%~79%；Al2O310%~25%；氧化物溶剂 （K2O+Na2O+MgO+CaO+Fe2O3）13%~26%。设污泥的范围为X，黄土的范围为Y，膨润土的范围为Z，可列出如下方程式：
得出，烧制污泥陶粒的质量百分比的取值范围：污泥0%~51%，黄土25%~100%，膨润土0%~49%。
据此制定初步实验配比如下表4。
表4 实验配比
烧制方案：烘干温度105℃，时间2 h；预热温度300℃，时间30 min，焙烧温度1 100~1 200℃，初步方案见表5。
表5 初步方案
2 试验结果及讨论
由图2可以看出堆积密度最大都出现在1100℃，是因为该温度不能使坯料发生熔融反应，使得陶粒发生膨胀。其中，10%和20%污泥掺量的最小值出现在1 180℃；30%和40%污泥掺量的最小值出现在1 160℃；而50%污泥掺量的最小值出现在1 140℃。堆积密度的大小主要由体积膨胀效果决定，由此可以说明，随着污泥掺量的增加，最佳膨胀温度在降低。从整体看来污泥掺量越高，堆积密度越低。
图2 焙烧温度对堆积密度的影响
由图3可以看出除了20%污泥掺量的最高值出现在1 180℃以外，其他筒压强度随着焙烧温度的升高而增加，最高点均出现在1 200℃；50%污泥掺量的陶粒在1 140℃之前增速较快，其他的在1 160℃之前增速较快，随后增速放缓。30%、40%和50%污泥掺量的陶粒的筒压强度最大都未超过4.0 MPa，并且，在此条件下他们的堆积密度为740~790 kg/m3，参考轻集料密度等级表，800级的陶粒筒压强度应超过4.0 MPa，因此无法满足标准要求。
图3 焙烧温度对筒压强度的影响
由图4可以看出，吸水率随着焙烧温度的升高呈下降趋势。
由图5可以看出烧失率随着温度升高而增大，速度先快后慢。污泥掺量越多烧失率越大，这是由于污泥有机质含量多，烧失量大。
图4 焙烧温度对吸水率的影响
图5 焙烧温度对烧失率的影响
图6 焙烧时间对陶粒性能的影响
由图6可以看出：随着焙烧时间的增加，陶粒的堆积密度先减小后增大，在25 min时达到最小值710 kg/m2；筒压强度先增大后减小，在25 min时达到最大；吸水率先增大后减小，在30 min时达到最小；烧失率持续增大，速度先快后慢。
综上所述，可以得出比较适合本试验烧制陶粒的配比为：20%污泥+30%膨润土+50%黄土；焙烧温度为1 180℃，时间25 min。
3 结论
（1）烧制污泥陶粒的质量百分比的取值范围：污泥0%～51%，黄土25%～100%，膨润土0%～51%。
（2）试验表明，1 100℃不能很好的使坯料发生熔融反应，使得陶粒发生理想的膨胀。随着污泥掺量的增加，最佳膨胀温度在降低。从整体看，污泥掺量越高，堆积密度越低。
（3）试验表明30%、40%和50%污泥掺量的陶粒的筒压强度最大都未超过4.0 MPa，在此条件下他们的堆积密度为740～790 kg/m3，参考轻集料密度等级表，800级的陶粒筒压强度应超过4.0 MPa，因此无法满足标准要求。
（4）吸水率随着焙烧温度的升高呈下降趋势。
（5）烧失率随着温度升高而增大，速度先快后慢。污泥掺量越多烧失率越大，这是由于污泥有机质含量多，烧失量大。
（6）得出比较适合本试验烧制陶粒的配比为：20%污泥+30%膨润土+50%黄土；预热105℃，2 h；预热300℃，30 min；焙烧温度为1 180℃，时间25 min。
