污水污泥頁巖建筑材料制備與性能研究.pdf

1、城市生活污水處理將產(chǎn)生大量含水率非常高的污水污泥，已成為城市化快速發(fā)展過程中必須面臨的重大環(huán)境問題之一?，F(xiàn)有的污水污泥填埋、堆肥、焚燒等處置方式要么無害化不徹底，要么成本過高，難以處置排放量迅速增長的污水污泥，因此研究新的污水污泥資源化利用方式非常必要。本論文根據(jù)頁巖建筑材料對(duì)原材料的要求和燒制過程的特點(diǎn)，將高含水率污水污泥與來源廣泛的頁巖進(jìn)行混合，以污水污泥中的水分作為頁巖建筑材料制品生產(chǎn)過程中必須外加的水分，同時(shí)利用污水污泥中有機(jī)物

2、來補(bǔ)充頁巖建筑材料制品燒制過程中的熱值，使得污水污泥用于頁巖建筑材料制備具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢。
　　 本文研究首先根據(jù)頁巖陶粒和燒結(jié)磚制備對(duì)于原材料的要求，選擇了不同處理工藝的污水處理廠經(jīng)過壓濾脫水后得到的高含水率污水污泥，研究了污泥粒徑分布范圍、化學(xué)與礦物組成等，并與頁巖進(jìn)行對(duì)比，還研究了污水污泥與頁巖混合后的塑性指數(shù)，另外，還采用TG-DTA對(duì)污水污泥的熱值進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示污水污泥的化學(xué)、礦物組成與頁巖比較接近，顆粒非

3、常細(xì)小，主要集中0.15mm以下，且具有較高的塑性指數(shù)，與頁巖混合后可以明顯改善頁巖的塑性，適合頁巖陶粒的成球和頁巖燒結(jié)磚坯的制備，頁巖陶粒料球抗沖擊性能明顯增強(qiáng)。另外，污水污泥放熱量較大，在250℃～550℃的升溫過程放出熱量可超過3000J/g。
　　 本文進(jìn)行了污水污泥頁巖燒結(jié)磚的研究，先固定污泥摻量，變化燒成溫度、升溫速率和保溫時(shí)間等因素，進(jìn)行實(shí)心和多孔污泥頁巖燒結(jié)磚的燒制。結(jié)果表明污泥摻量30％時(shí)可以燒制出體積密度16

4、00 kg/m3左右，抗壓強(qiáng)度10MPa以上的實(shí)心磚，摻加污水污泥可明顯降低燒結(jié)磚的體積密度，但也同時(shí)增加燒結(jié)磚的收縮。通過測定不同污泥摻量和不同燒成溫度下的燒結(jié)磚收縮率變化，同時(shí)采用SEM進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明污水污泥摻入后，較低溫度下頁巖燒結(jié)磚的微觀結(jié)構(gòu)從致密的塊狀轉(zhuǎn)為較為分散的層片狀結(jié)構(gòu)，密實(shí)程度較低，隨著溫度升高到900℃時(shí)，顆粒堆積緊密程度明顯增加，但溫度過度升高則產(chǎn)生的液相完全浸潤包裹固體顆粒，微觀上表現(xiàn)為致密的板狀結(jié)構(gòu)

5、，宏觀上表現(xiàn)非常大的體積收縮。因此，污水污泥摻入后控制頁巖燒結(jié)磚的燒成溫度非常重要。對(duì)污水污泥頁巖磚性能分析還發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥摻量過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的泛霜。
　　 本文重點(diǎn)研究了污水污泥用于頁巖陶粒的燒制，通過改變污水污泥摻量、預(yù)熱溫度和時(shí)間、焙燒溫度和時(shí)間等因素，研究了陶粒的顆粒表觀密度、強(qiáng)度和吸水率等性能。結(jié)果顯示，污水污泥將明顯提高頁巖陶粒的燒脹性能，含水率80％左右的污水污泥摻量為20％～30％，燒脹溫度達(dá)到1150℃時(shí)，可

6、獲得顆粒表觀密度500kg/m3左右的超輕陶粒。還進(jìn)一步研究燒制工藝參數(shù)對(duì)陶粒性能的影響，結(jié)果表明預(yù)熱時(shí)適當(dāng)降低溫度和縮短時(shí)間，焙燒時(shí)適當(dāng)提高溫度和延長時(shí)間有利于獲得輕質(zhì)污泥頁巖陶粒。
　　 為了更好了解污水污泥在頁巖陶粒燒脹過程中的作用，本文還采用SEM、XRD、IR和TG-DTA手段，研究了摻加污水污泥的頁巖陶粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物組成、Si-O四面體聚合度以及高溫焙燒熔融變化情況。結(jié)果顯示，污水污泥頁巖陶粒的主要礦物為α-石英

7、(α-SiO2)、藍(lán)晶石(Al2O3·SiO2)及鈣長石(CaO·2Al2O3·2SiO2)等，隨著污水污泥摻量增加時(shí)，陶粒中Fe的價(jià)態(tài)由赤鐵礦(Fe2O3)向方鐵礦(FeO)轉(zhuǎn)變，反映了陶粒料球焙燒時(shí)還原環(huán)境的增強(qiáng)，此時(shí)，陶粒礦物中的Si-O對(duì)稱伸縮振動(dòng)波數(shù)降低明顯，Si-O四面體的聚合度明顯降低，架狀結(jié)構(gòu)的橋氧大量斷裂，從而表現(xiàn)為焙燒時(shí)陶粒的熔融溫度降低和熔融程度增加；污水污泥能促使陶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量孔結(jié)構(gòu)，污泥摻量過多時(shí)會(huì)出現(xiàn)孔結(jié)構(gòu)

8、的連通和坍縮，隨預(yù)熱溫度提高，陶粒表層殼結(jié)構(gòu)增厚，焙燒溫度越高，焙燒時(shí)間越長，陶粒內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)尺寸變大，并逐漸由孤立到連通，最后合并成大孔。
　　 本文最后研究了污水污泥中的重金屬在陶粒和燒結(jié)磚燒制過程中的揮發(fā)情況以及在使用過程中的浸出情況?？紤]到污水污泥中重金屬可能的含量范圍，選取具有代表性的重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Ni，通過外摻重金屬化合物以擴(kuò)大污水污泥中的重金屬含量，研究最為不利條件下污水污泥頁巖建筑材料生產(chǎn)和使用過程

9、中的環(huán)境特性。結(jié)果顯示，在相同燒成溫度下，與純污水污泥焚燒相比，污水污泥頁巖陶粒和燒結(jié)磚的重金屬揮發(fā)量明顯降低；另外，污水污泥頁巖陶粒和燒結(jié)磚中的重金屬浸出濃度都非常低，符合浸出毒性的安全標(biāo)準(zhǔn)；相比而言，陶粒比燒結(jié)磚對(duì)污水污泥中的重金屬有更好的固化能力。
　　 可以認(rèn)為高含水率的污水污泥與頁巖混合制備陶粒和燒結(jié)磚不僅可以充分消納污水污泥，還能提高頁巖建筑材料制品的性能，是污水污泥資源化最為有效和最為環(huán)保的技術(shù)途徑；本研究條件下，