城市生活污泥烧结制陶粒的两种工艺比较研究

图8“湿法造粒-烧结”产品1h吸水率随配方的变化
分析认为以下3个因素造成了产品的开裂：
(1)坯料含水率高，干燥过程中大量水蒸气涌出，造成产品开裂；(2)坯料有机质含量高，预热时发生了热解燃烧，有明火产生，大量热解气体涌出也加剧了产品的开裂；(3)湿法挤压成型坯料本身强度低，易于开裂。
针对以上原因，应从以下2个角度来防止其开裂：(1)减少烧结过程中气体的产生；(2)增加坯料本身的强度。“干法”恰能避免干燥过程中水蒸气大量涌出造成的开裂，并且可以采用坯料强度更高的干法造粒工艺。“干法”产品的1h吸水率见图9。 

图9“污泥干化-烧结”产品的1h吸水率随配方的变化
由于所有产品都没有明显裂纹，吸水率比湿法有了很大的下降。除了粉煤灰或粘土单独掺加的情况下，产品致密性下降，吸水率较大外，其他情况下吸水率都很低，远低于国标GB2838-81中对粉煤灰陶粒的吸水率要求。可见加压成型使产品更加致密，对降低产品吸水率非常有利。
2.3工艺和配方对产品密度的影响
“湿法”产品的密度如图10所示。由图10中可见：产品密度随粉煤灰的加入量增大而减小，在强度峰值点密度为1.3～1.4g/cm3。根据一般建材陶粒的情况估算，产品的堆积密度可望控制在700kg/m3，符合国标GB/T17431.1-1998中对轻骨料的要求。 

图10“湿法造粒-烧结”产品真密度随配方的变化 

图11“污泥干化-烧结”产品真密度随配方的变化
“干法”产品的密度见图11。在粉煤灰或粘土单独出现的情况下密度较低，其余情况下较高。其值在1.7～1.8g/cm3之间，可见干法加压成型使产品更加致密，对烧制轻骨料不利。
2.4干法产品烧结过程中的烧失率
干法工艺中，陶粒在烧结过程中的烧失率在33%～34%之间，与坯料中的有机质(50%污泥×68%干基有机质含量=34%)含量吻合得相当好。说明烧结过程中污泥中原来的有机物界大部分已经分解并以气体形式排出，几乎没有残渣。
2.5干法烧结产品的重金属溶出率
干法烧结产品的溶出液重金属浓度和重金属溶出率如表2所示，无论是重金属溶出液的浓度还是溶出率都非常低，说明烧结陶粒产品的性能稳定，不会对环境造成二次污染。
表2烧结陶粒的重金属溶出浓度和溶出率 

注：标“-”者为未检出
2.6烧结温度对产品性能的影响
烧结产品的抗压强度测试结果如图12所示，可见烧结温度对产品性能有巨大影响。1100℃是曲线的拐点，在1100℃以下时，产品强度提高缓慢；1100℃后则稳步上升；温度达到1140℃后强度又有较大提高。结合一些相关物质的熔点(粘土：1400～1560℃、粉煤灰：1300～1600℃、沸石：1100～1250℃)，我们可以认为，温度低于1100℃只有少量低熔点碱金属氧化物熔融，强度提高缓慢；沸石在1100℃开始熔融而有比较明显的助熔作用，因此强度开始稳定提高；粘土和粉煤灰本身熔点都较高，但在粘土的激活[10，11]作用下，二者的混合物在1140℃以上也可以熔融，此时2种助熔机理协同作用，强度有了比较大的提高。由于“干法”和“湿法”试验采用的温度为1150℃，提供了2种机理协同作用的条件，这也从侧面验证了2种助熔机理的正确性。
3结论
(1)“湿法造粒-烧结”制陶粒的产品密度等级符合轻骨料的要求，但坯料中的水分和有机质以及坯料本身强度不高造成的开裂严重。开裂使产品强度降低，吸水率不能达标。污泥“干化-烧结”的产品强度远优于湿法，没有开裂现象，吸水率低。选择干法更有优势。 

图12产品强度随烧结温度的变化
(2)沸石粉和粘土都有助熔作用，但机理不同。低熔点的沸石粉熔融后起粘合作用，这种作用在1100℃已经开始。粘土则有“激活”粉煤灰并降低其熔点的作用，但要达到1140℃时才会发生，然而后者的效果更好。综合考虑强度与经济性，适宜的物料配比应该是干污泥50%、粉煤灰30%～40%、粘土10%～20%。少量加入沸石粉后，2种助熔机理的协同作用会进一步提高产品强度。
(3)烧结产品的重金属溶出率和溶出浓度都很小，不会造成二次污染。
参考文献
[1]张树国,吴志超,张善发,等. 上海市污水处理厂污泥处置对策研究. 环境工程, 2004, (1) : 75～78
[2]Nakouzi S. ,MielewskiD. ,Ball J. C. , et al. Novel app roach to paint sludge recycling. Journal of Material Research,1998, 13 (1) : 53～60