吳雨欣

（上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，上海201209）

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城市自來水廠污泥制備燒脹陶粒的實驗研究

吳雨欣

（上海第二工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，上海201209）

摘要：以自來水廠沉淀池脫水污泥、污水廠污泥、污水廠污泥焚燒灰為原料，實驗室制備了輕質(zhì)陶粒，通過配比優(yōu)化研究，確定了自來水廠沉淀池脫水污泥、污水廠污泥、污水廠污泥焚燒灰的最佳質(zhì)量配比區(qū)間為80～90：5～10：5～10。通過正交實驗，研究了預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、焙燒溫度、焙燒時間等因素對燒脹陶粒性能的影響，通過對陶粒吸水率、表觀密度等指標(biāo)的測定，確定了最佳工藝參數(shù)：預(yù)熱條件為300?C、20 min；焙燒條件為1 150?C、10 min。

關(guān)鍵詞：污泥；自來水廠；陶粒；資源化

0　引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展，城市污水不斷產(chǎn)生，且其數(shù)量在大幅增長。到2013年底，全國公共供水廠的數(shù)量有將近2萬座，其中市縣有5110座，鎮(zhèn)有14 059座；供水能力達(dá)4.2億t/d；年供水總量達(dá)767億t［1］，其中，上海市中心城區(qū)日供水總量約為600萬t/d，根據(jù)葉輝等［2］的研究初步計算，每年約產(chǎn)生沉淀池干污泥13萬t。根據(jù)當(dāng)前污泥處置工藝，污泥的最終處置一直是困擾自來水廠的一大難題，世界各國都在探尋有效的處理處置良策，其中污泥綜合利用技術(shù)是研究和應(yīng)用的熱點。然而，盡管目前國內(nèi)外流行的污泥綜合利用技術(shù)很多，但大部分研究僅針對污水廠的污泥。如：金宜英、岳敏等［3-8］使用污水廠污泥為原料，采用“干化-燒結(jié)”的陶粒焙燒工藝，對原料配方和工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。針對水廠污泥，并能真正符合上海的區(qū)域特點、適應(yīng)上海市目前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢的技術(shù)少之又少。造成這種情況的原因有很多，例如不具備技術(shù)的配套政策、技術(shù)成熟度不夠等。本文對以水廠沉淀池污泥為主要原料的制備燒脹陶粒技術(shù)進(jìn)行實驗研究，以期為工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1　實驗

1.1原料來源和特性分析

本實驗中所需水廠污泥取自閔行水廠污泥脫水車間。污水廠污泥為上海東區(qū)污水處理廠脫水污泥，污水污泥焚燒灰取自上海石洞口污水廠污泥焚燒車間，鋼渣取自上海寶山鋼鐵公司，膨潤土和黃土均取自浙江省金壇市，前者外觀呈灰白色，后者外觀為黃色。所有原料均在實驗開展前同一批取得。各原料化學(xué)成分見表1。

1.2材料及儀器

（1）材料：燒杯、量筒、耐火托盤、不銹鋼藥匙、蒸發(fā)皿等。

（2）儀器及生產(chǎn)廠家：見表2。

1.3實驗流程

按照圖1的陶粒制備工藝流程，將污水廠污泥、污水污泥焚燒灰粉磨過100目篩。將過篩好的原料放入干燥箱，備用。將水廠濕污泥（經(jīng)測定，含水率為60%，按照濕重計算）與粉磨過100目篩的污水廠污泥、污水污泥焚燒灰混合。按實驗設(shè)計方案，稱取相應(yīng)量的原料，拌好的混合料用手工搓成粒徑5～10 mm的生料球。將生料球放入烘箱進(jìn)行干燥處理。將干燥好的生料球取出，放入箱式電阻爐中，升溫至預(yù)定溫度后，進(jìn)行保溫。接下來將預(yù)熱好的生料球快速移入已升至預(yù)定溫度的程控式電爐中，在預(yù)定溫度下焙燒至規(guī)定的時間后取出，冷卻至室溫即得到所需成品［9-12］。

性能分析按照GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗方法》［13］中規(guī)定的方法對制成陶粒的堆積密度、表觀密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率、軟化系數(shù)、煮沸質(zhì)量損失和燒失量等性能指標(biāo)進(jìn)行測定。

表1　各原料化學(xué)成分表Tab.1 The chemical composition of material

表2　儀器及生產(chǎn)廠家Tab.2 Instrument and manufacturer

圖1　陶粒制備工藝流程Fig.1 Technological process of sintering of ceramisite preparation

2　結(jié)果與討論

2.1原料的篩選實驗（實驗一）

為分析各種輔料在焙燒過程中的作用，實驗設(shè)置6種原料配方（樣品編號分別為1～6），均以閔行水廠污泥為主料。樣品1為純主料組成；其他各樣品主料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）均為91.2%，每種樣品只加入單一輔料，具體配置如表3所示。采用塑化法造粒后，均在同一工藝參數(shù)下燒制而成，焙燒工藝參數(shù)為預(yù)熱溫度300?C、預(yù)熱時間20 min、焙燒溫度1150?C、焙燒時間10 min。焙燒后陶粒的相關(guān)性能參數(shù)如表3所示。

實驗結(jié)果表明，在相同的條件下，污水污泥焚燒灰具有良好的助熔助脹效果，而污水廠污泥可使陶粒表層玻璃態(tài)瓷釉質(zhì)完整，吸水率最低。因此，本實驗采用污水廠污泥和污水廠污泥焚燒灰作為輔助原料制備陶粒。

表3　實驗一各樣品原料配比及陶粒性能Tab.3 Ratio of reactants

2.2原料的最佳配比實驗（實驗二）

實驗配置A、B兩組樣品，每組含6種不同配比的樣品，各樣品均以閔行水廠污泥為主料，以污水廠污泥和污水污泥焚燒灰為輔料。兩組樣品中，A組各樣品的污水污泥焚燒灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，用于分析不同污水廠污泥摻加比例對工藝的影響，以考察污水廠污泥的最佳配比；B組各樣品污水廠污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，用于分析不同污水廠污泥焚燒灰摻加比例對焙燒工藝的影響。A、B兩組樣品的具體用料配比及制成的陶粒性能參數(shù)見表4。

表4　實驗二樣品用料配比及陶粒性能Tab.4 The ratio of sample materials and ceramisite properties

實驗結(jié)果表明：A組樣品所燒制的陶粒表觀密度總體呈先降低后增加的趨勢，而B組樣品陶粒表觀密度總體呈單一降低的趨勢；吸水率變化趨勢與表觀密度相反，檢測結(jié)果符合樣品化學(xué)組成變化規(guī)律。初步確定污染廠污泥和污水污泥焚燒灰的摻加比例分別為7.5%和5%，通過進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)和原料配比可望燒制出合格的陶粒產(chǎn)品。

2.3焙燒工藝條件

通過正交實驗分析各工藝參數(shù)對樣品焙燒特性的影響，各樣品采用相同的主輔料配比，閔行水廠污泥、污水廠污泥和污水污泥焚燒灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為87.5%、7.5%和5%。正交實驗中，預(yù)熱溫度（t1）、預(yù)熱時間（τ1）、焙燒溫度（t2）和焙燒時間（τ2）4因素均選取4種水平，不考慮因素間的交互作用。正交實驗的考察指標(biāo)為樣品所燒制陶粒的吸水率和表觀密度，正交實驗設(shè)計和結(jié)果見表5和表6。

從表7可以看出：根據(jù)各工藝參數(shù)極差的大小，以上4項因素中對陶粒吸水率影響由大到小的次序為焙燒溫度、預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、焙燒溫度，而對陶粒表觀密度的影響大小依次為焙燒溫度、預(yù)熱溫度、焙燒時間、預(yù)熱時間。其中，K1、K2、K3、K4為指標(biāo)（吸水率和表觀密度）之和，k1、k2、k3、k4為平均指標(biāo)（吸水率和表觀密度）之和。

（1）焙燒溫度對陶粒性能的兩項指標(biāo)而言均為最主要影響因素。按照降低吸水率和降低表觀密度的目的，對于兩項指標(biāo)來說，焙燒溫度應(yīng)分別為1150?C和1175?C，但從表6可以看出，隨著表觀密度降低，1150?C和1175?C下陶粒的表觀密度差異不大，而隨著溫度的進(jìn)一步提高，所需能耗將快速增加，因此，陶粒的焙燒溫度應(yīng)取1150?C。

（2）從預(yù)熱溫度對陶粒兩項性能指標(biāo)的影響排序來說，其對于陶粒焙燒特性的影響僅次于焙燒溫度。從獲得輕質(zhì)陶粒的角度出發(fā)，預(yù)熱溫度應(yīng)選擇300?C，而從降低吸水率的角度出發(fā)則應(yīng)選擇400?C。由于溫度由300?C上升至400?C的過程中，陶粒的吸水率具有快速上升的趨勢，而表觀密度的降低已逐漸趨緩，且選取較低的預(yù)熱溫度有利于降低焙燒能耗，所以，本研究確定預(yù)熱溫度為300?C。

（3）預(yù)熱時間對陶粒性能的影響僅次于預(yù)熱溫度。根據(jù)預(yù)熱時間對陶粒吸水率和表觀密度的影響，從降低吸水率和表觀密度兩方面考慮，預(yù)熱時間應(yīng)分別為20 min和10 min。由于預(yù)熱時間對陶粒吸水率的影響位居4項工藝參數(shù)中的第2位，僅次于焙燒溫度，而對于陶粒表觀密度的影響在4項工藝參數(shù)中最小，同時，對于預(yù)熱時間的選擇，應(yīng)首先從降低吸水率的角度入手，所以，本研究確定預(yù)熱時間為20 min。

表5　正交實驗的4因素和4水平Tab.5 The fator and level of orthogonal test

表6　正交實驗結(jié)果Tab.6 The result of orthogonal test

表7　正交實驗分析Tab.7 The analysis of orthogonal test

（4）對于焙燒時間來說，綜合考慮其對吸水率和表觀密度兩項指標(biāo)的影響作用大小，其對于陶粒焙燒特性的影響應(yīng)為4項影響因素中的最小者。根據(jù)焙燒時間對陶粒吸水率和表觀密度的影響，從有利于降低陶粒吸水率和表觀密度入手，焙燒時間應(yīng)為20 min。由分析曲線可知，當(dāng)焙燒時間為10 min時，陶粒的吸水率與20 min時對應(yīng)值差異甚小，而焙燒10 min后，陶粒表觀密度的降低趨勢隨焙燒時間的延長已逐漸趨緩，且從本章前述研究可知，當(dāng)焙燒溫度為1150?C，焙燒時間為10 min時，已具備成功燒制陶粒的溫度條件。另一方面，高溫焙燒階段能耗較大，若焙燒時間由20 min減低至10 min，焙燒能耗可降低至原來的1/2。因此，從焙燒時間的作用大小、能耗情況等方面綜合考慮，本研究確定陶粒的焙燒時間為10 min。

綜上所述，本研究通過設(shè)計正交實驗的方法，考察預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、焙燒溫度、焙燒時間4項工藝參數(shù)對陶粒焙燒特性的影響，在保證燒制合格陶粒產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，從改善陶粒性能和降低能耗等方面著手，綜合分析了實際工作中應(yīng)選擇的運行參數(shù)值，分別為預(yù)熱溫度300?C、預(yù)熱時間20 min、焙燒溫度1150?C、焙燒時間10 min。

2.4陶粒性能測定

通過上述實驗研究確定了利用自來水廠脫水污泥與污水廠污泥、污水污泥焚燒灰分的最佳配比及最佳焙燒參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，課題組在實驗室中按照最佳工藝參數(shù)燒制陶粒，并委托第三方檢測機(jī)構(gòu)——上海市建筑科學(xué)研究院檢測站，對陶粒主要的性能參數(shù)進(jìn)行分析測試。

陶粒樣品的燒制原料質(zhì)量配比見表8。陶粒焙燒條件為：干燥溫度120?C，干燥時間120 min；預(yù)熱溫度300?C，預(yù)熱時間20 min；焙燒溫度1150?C，焙燒時間10 min。

實驗室共燒制陶粒約18 L，其中12 L送交上海市建筑科學(xué)研究院檢測站嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)［13］中的相關(guān)要求進(jìn)行測試。由于實驗室焙燒條件的限制，所燒成的陶粒數(shù)量有限，本次測試僅委托上海市建筑科學(xué)研究院檢測站測定了陶粒較為重要的堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率、粒型系數(shù)及表觀密度等5項性能指標(biāo)。在送檢的同時，課題組也對該批陶粒樣品的部分性能指標(biāo)進(jìn)行了測定。該批陶粒樣品性能指標(biāo)的測定結(jié)果見表9。

表8　陶粒樣品燒制主輔料配比Tab.8 The ratio of sample materials

表9　最優(yōu)條件陶粒樣品的性能指標(biāo)分析結(jié)果Tab.9 The result of ceramisite properties on optimal condition

從表9可以看出，在委托第三方檢測的5項陶粒性能指標(biāo)中，除表觀密度不屬于標(biāo)準(zhǔn)要求的性能指標(biāo)外，其他4項重要的陶粒性能指標(biāo)——堆積密度、筒壓強(qiáng)度、吸水率和粒型系數(shù)等均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)陶粒樣品的堆積密度為420 kg/m3可以判定，該陶粒屬于超輕陶粒。

上述4項指標(biāo)本文也做了相應(yīng)的測定，結(jié)果雖然與第三方的測定結(jié)果有差異，但僅吸水率的誤差達(dá)到了10%，其余3項指標(biāo)的誤差均在2%～3%之間。這一方面說明本文對陶粒性能的測定結(jié)果具有較高的可信度；另一方面，本文測定的結(jié)果也表明，該批陶粒樣品這4項指標(biāo)也符合GB/T 17431.1-2010《輕集料及其實驗方法》第1部分輕集料中的相關(guān)要求，屬合格的超輕陶粒。

3　結(jié)論與展望

（1）以閔行水廠污泥為主料時，因化學(xué)組成的差異，金壇黃土具有抑制樣品膨脹的作用，而污水污泥焚燒灰的摻入可顯著改善樣品的焙燒特性，并具有彌補(bǔ)污水廠污泥化學(xué)組成缺陷的作用，可用于取代鋼渣。從改善主料膨脹特性、擴(kuò)大污水處理廠污泥消納量、提升資源化利用的效益著手，應(yīng)以污水廠污泥和污水污泥焚燒灰為輔料。

（2）以閔行水廠污泥為主料、污水廠污泥和污水污泥焚燒灰為輔料焙燒制陶粒時，焙燒工藝參數(shù)對原料焙燒特性的影響順序為焙燒溫度、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、焙燒時間，為了在獲得良好燒脹特性的同時降低工藝能耗，焙燒工藝的參數(shù)取值應(yīng)為干燥溫度120?C、干燥時間120 min、預(yù)熱溫度300?C、預(yù)熱時間20 min、焙燒溫度1150?C、焙燒時間10 min。

（3）陶粒原料的配比方案應(yīng)根據(jù)實際情況綜合確定，當(dāng)缺乏污水污泥焚燒灰時，以閔行水廠污泥純料為原料即可燒制優(yōu)等品超輕陶粒；當(dāng)閔行水廠污泥、污水廠污泥、污水污泥焚燒灰含量分別為90%、5%、5%時，可燒制優(yōu)等品超輕陶粒；當(dāng)三者比例為87.5%、7.5%和5%時，可燒制合格品超輕陶粒。采用后者可消納更多的污水廠污泥。

（4）國內(nèi)外研究者對凈水廠污泥資源化利用方式的研究很多僅僅停留在可行性分析或者實驗室水平上，都屬于探索性的研究，還沒有大規(guī)模推廣使用。很多凈水廠為節(jié)省成本，普遍采用填埋等簡單的方式處理凈水污泥，浪費資源的同時也有可能帶來不可預(yù)見的危害。綜上所述，污泥資源化才是凈水廠污泥處置的最終出路，而水廠污泥制備陶粒應(yīng)本著從本地的實際需要出發(fā)，立足于本地資源，根據(jù)“因地制宜，節(jié)能利廢，提高質(zhì)量，促進(jìn)多品種”的方針，以提高經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益為宗旨，促進(jìn)及推動我國陶粒行業(yè)的發(fā)展。但是，真正想要實現(xiàn)水廠污泥批量資源化，達(dá)到綜合利用的目的，還需要對產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行深入的研究［14-17］。

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Experimental Study on Producing Sintering of Ceramisite Waterworks Sludge

WU Yuxin
（College of Engineering，Shanghai Polytechnic University，Shanghai 201209，P.R.China）

Abstract：The waterworks sludge，sewage sludge，incinerator ash of sewage sludge，are chosen to be the raw materials of the ceramsite in the laboratory.The best prescription of the ceramsite has been confirmed through the test method，namely waterworks sludge：sewage sludge：incinerator ash of sewage sludge=80?90：5?10：5?10（m：m：m）.Studying on the burning craft parameters by orthogonal test design method，author also draws the best burning craft parameters，based on water absorption and apparent density，namely pre-burn temperature：300?C，time of pre-burning：20 min.It is 1150?C to burning temperature，10 min to time of burning.

Keywords：sludge；waterworks；ceramisite；resource utilization

中圖分類號：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4543（2016）02-0099-08

收稿日期：2015-09-30

通信作者：吳雨欣（1983—），男，上海人，工程師，碩士，主要研究方向為水處理。電子郵箱yxwu@sspu.edu.cn。