趙文濤，占攀科，李坤坤，崔鵬

污水處理廠污泥制備陶粒的試驗研究

趙文濤，占攀科，李坤坤，崔鵬

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004）

以污水處理廠污泥為主要原料，粉煤灰和黏土為輔料，燒制陶粒。通過對原材料化學(xué)成分分析，確定了陶粒的最佳配合比為1∶1∶1（活性污泥︰粉煤灰︰黏土），分析了預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度對陶粒的吸水率、堆積密度和顆粒密度的影響，得出燒制陶粒的最佳工藝條件為：預(yù)熱時間為15min，預(yù)熱溫度為550℃，燒結(jié)時間為10min，燒結(jié)溫度為950℃。

污水處理廠污泥；粉煤灰；黏土；陶粒制備；工藝條件

0　引言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市化進程的加快，城市污水排放量不斷增加，污水處理廠的規(guī)模也越來越大，污泥的數(shù)量也不斷增加。污泥中含有重金屬、致病菌、寄生蟲卵等有害物質(zhì)。如果不能合理地處理污泥，將會造成二次污染和資源浪費。目前，我國污泥的主要處置方法有焚燒、填埋和堆肥。污泥焚燒耗能巨大，設(shè)備投資和運行費用都很高［1］；污泥填埋占地面積過大［2］；污泥堆肥影響土壤質(zhì)量，造成二次污染［3］。因此，選擇一種將污泥資源化的處理方法，具有十分重要的意義。

污泥陶粒由于具有密度低、強度高、保溫隔熱效果好、耐化學(xué)腐蝕、耐細(xì)菌腐蝕、抗震性好及施工適應(yīng)性強等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于污水處理、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。大量試驗證明，污泥陶?？梢宰鳛橐环N凈水濾料［4～6］。本研究以生活污水處理廠的污泥為主要原料，電廠粉煤灰和黏土為輔料制備陶粒。通過分析不同預(yù)熱時間、預(yù)熱溫度、燒結(jié)時間、燒結(jié)溫度對陶粒性能的影響等，來確定陶粒的最佳制備條件［7］。

1　試驗部分

1.1試驗原材料

本研究所用污泥來自于開封污水處理廠，粉煤灰和黏土分別來自于開封電廠和黃河開封段黃河灘。

1.2試驗儀器

本試驗用到的儀器主要有：TU－1810型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司生產(chǎn)）、AB204－L型電子天平（梅特勒－托利多公司生產(chǎn)）、HH－4型數(shù)顯恒溫水浴鍋（河南誠智科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)）、FW－80型萬能破碎機（北京中興偉業(yè)儀器有限公司生產(chǎn)）、101－1A型干燥箱（天津泰斯特有限公司生產(chǎn)）、SX－4－10型馬弗爐（北京中興偉業(yè)儀器有限公司生產(chǎn)）。

1.3試驗步驟

將污泥、粉煤灰、黏土依照相應(yīng)的質(zhì)量比混合在一起，攪拌均勻后揉成球。然后，烘干24 h，在馬弗爐中預(yù)熱一定時間后，燒結(jié)一定時間，待測。

1.4試驗方法

試驗中，陶粒原料的化學(xué)成分分析，陶粒的各項物理性評價指標(biāo)及檢測方法均按國家標(biāo)準(zhǔn)進行。根據(jù)陶粒的各項指標(biāo)的優(yōu)劣來確定試驗的最佳工藝條件［8］。

2　結(jié)果與討論

2.1配合比的確定

制備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及助溶劑成分的含量較低，其化學(xué)成分與制備陶粒所要求的材料相差很多。所以，試驗選擇粉煤灰和黏土為制備陶粒的輔料。制備陶粒的原料配合比暫定為1∶1∶1（活性污泥∶粉煤灰∶黏土）。經(jīng)計算，陶粒原料中SiO2含量約占55%，A12O3含量占14%，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等氧化物之和約占18%，符合Riley相圖中SiO2含量占53%～79%，A12O3含量占10%～25%，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等氧化物之和占13%～26%等制備陶粒的要求［9］。因此，確定制備陶粒的最佳配合比為1∶1∶1（活性污泥∶粉煤灰∶黏土）。

表1　制備陶粒的原材料化學(xué)成分分析（w t%）Tab.1 Raw material chem ical com position analysis of ceram site preparation（Unit:w t%）

2.2最佳工藝條件的選擇

按最佳配合比例制成生料球，以吸水率、堆積密度和顆粒密度為指標(biāo)，考察制備陶粒的最佳工藝條件。

2.2.1預(yù)熱時間和預(yù)熱溫度對陶粒性能的影響

分別選擇預(yù)熱時間為10min、15min、20min，預(yù)熱溫度為450℃、500℃、550℃、600℃、650℃燒制陶粒。測定不同條件下陶粒的吸水率、堆積密度和顆粒密度，研究不同時間下預(yù)熱溫度對陶粒的影響，結(jié)果如圖1～圖3所示。

由圖1可以看出，陶粒的吸水率隨預(yù)熱溫度的增加而不斷減小，且當(dāng)預(yù)熱溫度為550℃，預(yù)熱時間超過15min時，陶粒的吸水率明顯降低。當(dāng)預(yù)熱時間為15min和20min時，陶粒的吸水率差異不大。

由圖2和圖3可以看出，在預(yù)熱時間為10min、15min和20min，預(yù)熱溫度小于550℃時，陶粒的堆積密度和顆粒密度均不斷減小。當(dāng)預(yù)熱溫度超過550℃時，陶粒的堆積密度又在迅速增加，且預(yù)熱時間為15min，預(yù)熱溫度為550℃時，達到最低；當(dāng)預(yù)熱溫度超過550℃時，陶粒的顆粒密度在預(yù)熱時間10min和20min下緩慢增加，而在預(yù)熱時間為15min下迅速增加，且在預(yù)熱時間為15min，預(yù)熱溫度為550℃時，達到最低。

圖1　不同預(yù)熱時間下預(yù)熱溫度對吸水率的影響Fig.1 Influence of p reheating tem perature on water absorption under different preheating time

圖2　不同預(yù)熱時間下預(yù)熱溫度對堆積密度的影響Fig.2 Influence of preheating temperature on bulk density under different preheating time

圖3　不同預(yù)熱時間下預(yù)熱溫度對顆粒密度的影響Fig.3 Influence of preheating tem perature on particle density under different preheating time

因此，確定制備陶粒的最佳預(yù)熱時間為15min，預(yù)熱溫度為550℃。

2.2.2燒結(jié)時間和燒結(jié)溫度對陶粒性能的影響

分別選擇燒結(jié)時間為5min、10min、15min，燒結(jié)溫度為850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃燒制陶粒。分別測定不同條件下陶粒的吸水率、堆積密度和顆粒密度，研究不同時間下燒結(jié)溫度對陶粒的影響，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4　不同燒結(jié)時間下燒結(jié)溫度對吸水率的影響Fig.4 Influence of sintering temperature on water absorption under different sintering time

圖5　不同燒結(jié)時間下燒結(jié)溫度對堆積密度的影響Fig.5 Influence of sintering tem perature on bulk density under different sintering time

由圖4～圖6可以看出，在燒結(jié)溫度小于950℃時，陶粒的吸水率、堆積密度和顆粒密度都隨著燒結(jié)溫度的升高而不斷減小；當(dāng)燒結(jié)溫度超過950℃時，它們隨著燒結(jié)溫度的升高而不斷增加。當(dāng)燒結(jié)時間為10 min，燒結(jié)溫度為950℃時，陶粒的吸水率達到最低，為11.3%；陶粒的堆積密度和顆粒密度也達到最低，分別為425 kg／m3和718 kg／m3。

因此，確定制備陶粒的最佳燒結(jié)時間為10min，燒結(jié)溫度為950℃。

3　結(jié)語

圖6　不同燒結(jié)時間下燒結(jié)溫度對顆粒密度的影響Fig.6 Influence of sintering tem perature on particle density under different sintering time

（1）以生活污水處理廠污泥為主要原料，粉煤灰和黏土為輔料，可以燒制成較好性能的陶粒。污水處理廠污泥與輔料的最佳質(zhì)量配比為1∶1∶1，燒制陶粒的最佳預(yù)熱時間為15min，預(yù)熱溫度為550℃，燒結(jié)時間為10min，燒結(jié)溫度為950℃。

（2）在最佳工藝條件下燒制的陶粒吸水率為11.3%，堆積密度為425 kg／m3，顆粒密度為718 kg／m3，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

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[責(zé)任編輯楊明慶]

TU992.1

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1008-486X（2016）01-0048-03

2015－07－14

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院第二屆大學(xué)生科技創(chuàng)新項目：凈水污泥陶粒的制備。

趙文濤（1994－），男，河南信陽人，主要從事凈水材料的學(xué)習(xí)與研究工作。