城市生活污泥烧结制陶粒的两种工艺比较研究

摘要：通过试验比较了“湿法造粒-烧结”和“干化-烧结”2种利用城市生活污泥烧结制陶粒的工艺路线。分析了工艺路线、原料配比和烧结温度对污泥陶粒的产品强度、吸水率和密度等性能指标的影响，同时指出了沸石粉和粘土作为助熔剂的不同作用机理和作用温度。实验结果表明，污泥“干化-烧结”制陶粒更有优势。烧结陶粒不会造成二次污染。综合考虑产品性能与经济性，适宜的物料配比为干污泥50%、粉煤灰30%～40%、粘土10%～20%。
关键词：城市生活污泥；陶粒；湿法；干化；烧结
城市生活污泥通常是指城市污水处理厂初级污泥和二级污泥的混合污泥。随着各地城市污水处理设施的兴建及污水处理率的提高，国内污水厂污泥产量越来越大。而传统的污泥处理工艺费用较高，其运行费约占污水厂总运行费用的20%～50%，投资占污水处理厂总投资的30%～40%[1]。
污泥陶粒最早由NakouziS.等提出[2]，是以污泥为主要原料，掺加适量辅料，经过成球、焙烧而成的。陶粒作为一种轻集料，可以取代普通砂石配制轻集料混凝土，具有密度小、强度高、保温、隔热、抗震性能好的特点，近年来得到了迅速发展[3]。但污泥陶粒技术在国内外的研究起步不久，目前的应用主要集中在将污泥作为一种陶粒烧制中的有机物添加剂，使用量少，只有10%左右[4～7]，工艺条件和原料配比急需优化。
本试验研究了利用城市生活污泥烧结制陶粒的2种工艺路线，通过对其产品性能指标的比较和生产成本的分析，提出了适合我国国情的工艺路线。对污泥陶粒技术的进一步研究和工业化应用有重要意义。
1试验部分
1.1试验原料与设备
试验使用北京清河污水处理厂的脱水污泥作为主要原料。清河污水厂承担着北京西北部地区的污水收集与处理任务，处理能力为40万m3/d，是一座典型的以生活污水为主的污水处理厂。该厂日产脱水污泥100t，目前采取外运填埋的方式处理，缺乏合理利用。实验选取该厂脱水污泥为研究对象，能够代表北方城市污水厂污泥的一般情况，对今后技术的应用有指导作用。污泥的含水率为80.6%，有机质含量(干基)为50.4%。容重为1.07g/cm3。采用全量消解的方法测定污泥中重金属的含量(单位：mg/kg干污泥)为：Cu278.2、Zn621.0、Pb166.6、Cd2.1、Cr103.8、Ni54.6，、Hg1.7、As7.6。
辅助原料有取自北京某电厂的粉煤灰；购自中国科学院生态环境研究中心的沸石粉；粘土等。使用X荧光光谱仪对原料的元素组成进行了测试，结果见表1。
表1原料主要元素组成 

使用的仪器设备主要有：SXF-1200型X荧光光谱仪；HL-2070型粉碎机；NRJ-411A型水泥胶砂搅拌机；手动螺旋造粒装置；SK2-6-12型管式电阻炉；ZWICKZ005型万能材料试验机；PRODIGY型ICP-AES。烧结装置的结构示意见图1。 

图1烧结炉及尾气处理系统示意图
1.2脱水污泥“湿法造粒-烧结”制陶粒试验
1.2.1技术路线
脱水污泥的SiO2含量低，烧失量大，不具有烧胀性能[8]，必须添加一定量的辅料与添加剂。试验以粉煤灰和粘土补充成陶组分SiO2和Al2O3，用碱金属(Na2O和K2O)含量高的沸石粉作为助熔剂。
通过测试烧结产品的性能，对工艺和配方的优劣进行比较。技术路线见图2。 

图2“湿法造粒-烧结”工艺技术路线图
1.2.2试验内容
(1)预备试验原料
脱水污泥在105℃干燥2h，含水率降至60%，以模拟工程中使用尾气干燥污泥的过程。沸石粉、粉煤灰、粘土3种原料粉碎后过40目筛。
(2)混料与造粒
根据污泥及辅料化学成分，同时参考Riley相图(Riley[9]研究提出的用三元法表示原料化学成分，并具体圈定适宜烧结陶粒的原料的化学成分范围的三角相图，如图3所示)。我们选定50%作为期望产品中的污泥添加量。这样既能显著提高污泥处理量，又使坯料的原料成分尽可能符合Riley相图的要求。采用如下的原料配比进行批次试验：脱水污泥占50%，其余50%参照由粘土，粉煤灰和沸石粉为顶点的等边三角(如图4所示)来确定不同批次试验中的配比，只考虑沸石粉含量在10%以下的情况(图中标出的点)，共11批次。 

图3Riley相图 

图4批次试验物料配比示意图
用搅拌机混合搅拌原料10min，经目测各种成分在混合物中达到了均匀分布，得到含水约30%的粘土状物质。
将上述粘土状原料放入手动螺旋造粒机中挤压成型，得到直径2cm的圆条，切割为高1.5cm左右的圆柱。
(3)高温烧结
将上述圆柱体在管式电阻炉中高温烧结。烧结工艺为：100℃干燥30min→350℃预热30min→1150℃焙烧15min→空气中自然冷却。