原狀脫水污泥復(fù)合頁巖制備磚和陶粒的前景

鄧 成,陳 偉,范英儒,羅 暉,錢覺時

(1.重慶大學材料科學與工程學院,重慶400045;2.重慶市建筑科學研究院,重慶400015)

原狀脫水污泥復(fù)合頁巖制備磚和陶粒的前景

鄧 成1,陳 偉1,范英儒1,羅 暉2,錢覺時1

(1.重慶大學材料科學與工程學院,重慶400045;2.重慶市建筑科學研究院,重慶400015)

分析了國內(nèi)利用污水污泥制備磚和陶粒的研究現(xiàn)狀,提出了在污泥的利用形態(tài)上宜選擇原狀高含水率的脫水污泥,在配合料上宜選擇頁巖,將兩者復(fù)合制備磚和陶粒,具有非常明顯的優(yōu)勢。

原狀脫水污泥;頁巖;磚;陶粒;利用形態(tài)

Abstract:The domestic research status on preparation of brick and ceramsite with sewage sludge is analyzed.It is suggested that the suitable using form of sewage sludge should choose the original-dewatered sludge of high water content,and the matching material should choose shale.It hasobvious advantages to manufacture brick and ceramsite with original-dewatered sludge and shale.

Key words:original-dewatered sludge;shale;brick;ceram site;using fo rm

污水污泥是污水處理廠處理污水過程中產(chǎn)生的含水率非常高的廢棄物,其排放量巨大。按照2007年統(tǒng)計[1],我國共有城市污水處理廠883座,城市污水年處理總量227億m3,估算會產(chǎn)生1500萬t左右含水率約80%的污水污泥。隨著我國城市化進程的加快和對環(huán)境保護力度的加強,我國生活污水處置率也越來越高,污水污泥排放量也會逐年增長。因此,如何處置污水污泥已成為我國城市化快速發(fā)展過程中必須面臨的重大環(huán)境問題之一。

而現(xiàn)有的污水污泥填埋、土地利用、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。由于建筑材料是所有材料中用量最大的材料,且對原料需求量也大的特點,并且污泥中的無機成份與許多建材生產(chǎn)所需原料組分要求非常相近,因此,近些年來利用污水污泥制備建材已經(jīng)逐漸成為污泥處理處置與資源化的一個非常重要的發(fā)展方向。

1 利用污泥制備建材的現(xiàn)狀

目前常見的污泥建材利用方式主要包含了生產(chǎn)磚、陶粒、水泥、生化纖維板[2]、玻璃和填料等,而磚和陶粒的原料配方多樣,生產(chǎn)工藝控制相對簡單,所以研究最多的是利用污泥制備磚和陶粒這2類建材。

污水污泥一般不能單獨作為制備建材的原料,通常需要和其它原料配合?，F(xiàn)有的研究主要是采用粘土、粉煤灰、煤矸石、頁巖等混合污水污泥制備磚和陶粒。

(1)制磚

李旺[3]等采用干燥后的城市污泥與粘土及改性劑配合,在1 030℃燒制6h制備出抗壓強度大于12 MPa,密度為1 150～1 240 kg/m3,吸水率小于23%的輕質(zhì)微孔磚。趙偉[4]等采用10%的干污泥與頁巖配合制備出了各項性能符合國家標準的燒結(jié)磚。任伯幟[5]等在粉煤灰-粘土磚中摻入30%左右含水率80%的污泥,所燒制的成品性能可達國家標準要求。D.F.Lin[6]等利用污水污泥焚燒灰和粘土作為燒制磚的原料,最佳的污泥灰摻量為 20%～40%,在燒成溫度1 000℃下保持6 h,可制備出符合質(zhì)量要求的燒結(jié)磚。

(2)制陶粒

張云峰[7]采用干污泥粉、高嶺土、黑粘土和含鉻廢渣作為燒制陶粒的原料,在一定的原料配比和工藝參數(shù)下燒制出了筒壓強度為4.9 MPa,吸水率為2.6%,堆積密度為676 kg/m3的陶粒。許國仁[8]等選用干污泥與粘土和粘結(jié)劑混合制備出松散容重為519 kg/m3,顆粒表觀密度為1 110 kg/m3,吸水率為19.6%的陶粒;蔡昌鳳[9]等研究了烘干污泥粉摻和粉煤灰并摻入一定量粘土制備陶粒,其結(jié)果顯示陶粒的表觀密度在 790～900 kg/m3,吸水率為68.95%～80.01%,可作為污水處理濾料。

2 現(xiàn)有污泥制備磚和陶粒研究的不足

雖然近年來已有比較多的研究采用污泥制備磚和陶粒,但目前多數(shù)研究采用的是干燥污泥或污泥焚燒灰,然后再混合粘土和粉煤灰等制備磚和陶粒,這些研究不同程度存在一些問題。

2.1 污水污泥的利用形態(tài)問題

首先,由于污泥焚燒的處置方式所用技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜,投資成本昂貴,運行費用也很高,是其它工藝的2～4倍[10],因此在我國一段時間內(nèi)還很難成為主要的處置污水污泥的手段,故基于污泥焚燒灰制備磚和陶粒的研究并不適應(yīng)我國的情況。

其次,一般經(jīng)過機械脫水后的污水污泥含水率仍在80%左右,且呈絮凝態(tài),保水能力比較強,并且污水污泥烘干收縮率很大,干燥到一定程度后變得致密,甚至表層形成硬殼,阻礙水分向外擴散蒸發(fā),故要使得污泥再脫水是相當不易的。馬學文[11]等研究表明污水污泥干燥速率隨顆粒的增大而減小,超過10 g的團絮污水污泥在100℃下干燥需要450 min。而實際中污泥的團絮遠大于此,所以要干燥污水污泥到絕干狀態(tài)是比較困難的,而且能耗較高,目前采用的污泥干化系統(tǒng)每蒸發(fā)1 t水大約需3 000 MJ的熱能,如果熱效率按照70%計算,則需要標煤約150 kg。

由于現(xiàn)有的污水污泥干燥技術(shù)主要是針對后續(xù)的焚燒或者是堆肥設(shè)計的,一般干燥后的污水污泥含水率仍在10%以上,甚至達到40%～50%。表1為不同含水率狀態(tài)下污水污泥的物理狀態(tài)。

表1 不同含水率污水污泥的物理狀態(tài)

從表1可以看出,污水污泥含水率在80%時還是疏散絮凝態(tài),易于分散,可以通過攪拌的方式與其它原料混合;含水率在50%時就成為難以分散的柔軟可塑狀態(tài),很難與其它原料混合;含水率降到10%時,成為固體顆粒狀態(tài),只能采用破碎的強力方式才能分散。因此一般干燥后的污水污泥比較難與其它原料混合均勻,如果想通過粉磨的方式分散,則需要將污水污泥進一步干燥降低其含水率,而這個烘干過程以及粉磨干污泥的過程能耗都是很高的。因此,采用先將污泥干燥后粉磨再利用的方式是不經(jīng)濟的。

因此,當污水污泥需要與其它原料配合作為建筑材料原料時,需要保持其易于分散的疏松絮凝狀態(tài)時的含水率,即應(yīng)該直接采用原狀高含水率的脫水污泥。

2.2 污水污泥的配合料問題

隨著國家對耕地的保護,以粘土為主要原料的建材行業(yè)已經(jīng)受到了很大的限制,我國已在大中城市全面禁止使用粘土燒結(jié)磚,因此選用粘土作為污泥的配合材料難以推廣應(yīng)用。而且粘土本身的含水率也比較高,如果與高含水率的污水污泥配合會導致生料含水率過高,從而需要降低污水污泥的摻用量,使得利用率下降。

采用粉煤灰雖然思路較好,但是粉煤灰是瘠性材料,本身不具備塑性,生料成型很困難,和污泥混合后難以成型,一般也還需要加入粘土等塑性材料作為粘合劑,因此難以推廣,消納污泥量有限。另外,采用粉煤灰制備的燒成建材性能還存在一些問題,例如粉煤灰作為陶粒原料時,其生產(chǎn)的陶粒表觀密度較大,吸水率很高,陶粒質(zhì)量不理想。而利用污水污泥摻和粉煤灰制備陶粒,陶粒的表觀密度依然較大,吸水率也較高,整體來看并不理想。

因此,應(yīng)該選擇一種來源廣泛、且在組成上和粘土相近的原材料作為污水污泥的配合料,頁巖是個較好的選擇。

3 利用原狀脫水污泥復(fù)合頁巖制備磚和陶粒的優(yōu)勢

前已述及,污水污泥與其它原料配合用作建材原料時應(yīng)選擇高含水率的脫水污泥為基礎(chǔ)。在配合料上選擇頁巖,用兩者混合來制備磚和陶粒,具有很好的優(yōu)勢。

(1)直接利用原狀脫水污泥制備磚和陶粒,與利用污泥焚燒灰相比,除了能消納燃燒灰分,還可利用原來污泥中的有機質(zhì)燃燒熱值,降低燒成時的能耗。

表2為污水污泥的塑性指數(shù)測試情況,可以看出,脫水污泥的塑性指數(shù)較高,屬于高塑性粉質(zhì)或黏質(zhì)有機土類型,而直接利用30%原狀脫水污泥與頁巖所得混合料的塑性比所用純頁巖的塑性提高很多。這主要是因為原狀脫水污泥呈疏松絮凝狀態(tài),其含有的有機質(zhì)主要以絲絮的形式纏繞包裹在固體顆粒表面,同時有機質(zhì)的腐殖質(zhì)也易形成粘稠高分子化合物,使得其塑性較高。因此,與利用干污泥粉以及污泥焚燒灰相比,直接利用原狀脫水污泥還有另一個優(yōu)勢,即能夠較大改善頁巖混合料的塑性,有利于成型。

表2 脫水污泥及污泥頁巖混合料的塑性指數(shù)

(2)鼓勵利用頁巖替代粘土生產(chǎn)建筑材料,是我國提倡新型建筑材料的重要內(nèi)容。頁巖是一種泥質(zhì)巖石,含有較多的粘土礦物,在性質(zhì)上是與粘土最相近的取代材料,現(xiàn)在已成為燒制類建筑材料的主要原料。我國頁巖儲量豐富[12-13],量大面廣,各省都有儲量可觀、質(zhì)量優(yōu)良的頁巖可供頁巖燒結(jié)磚開采利用。以重慶地區(qū)為例[12],頁巖礦是特別優(yōu)勢的資源,北從開縣、南到綦江,東起酉陽,西至潼南斷續(xù)均有較豐富的頁巖礦分布。從地形上看,重慶屬山區(qū)、丘陵地帶,土地資源寶貴,但頁巖資源比較豐富,開采頁巖,不但節(jié)約耕地,甚至還能開山造田。

另外,用頁巖制磚性能比粘土好[13],頁巖磚坯干燥收縮基本上在6%以下,比粘土的3%～12%低。低收縮、低干燥敏感系數(shù),能有效防止干燥裂紋的產(chǎn)生,為快速干燥打下了基礎(chǔ),燒成速度比粘土磚提高15%～20%。頁巖燒結(jié)磚的質(zhì)量相比粘土磚,外觀尺寸偏差小,強度高于粘土磚,吸水率低于粘土磚,抗凍性、耐久性好于粘土磚。

(3)由于頁巖特別是硬質(zhì)頁巖含水率很低,如果防止雨淋,含水率可以控制在2%左右,因此直接將原狀高含水率的脫水污泥與頁巖混和,則可以基本不需要外加水分,就能滿足一般塑性成型的要求。當然,原狀脫水污泥用量會有一定的限制,但80%含水率的污水污泥的摻量也基本可以達到30%左右,達到國家優(yōu)惠政策的利廢量。

(4)前已述及,我國頁巖儲量豐富,分布很廣,但并不是任何頁巖都具有燒脹性能的,具有良好燒脹性能的頁巖對化學成分、礦物組成等要求比較嚴格,分布并不是很廣[14],而利用污水污泥的成分改性作用和發(fā)泡作用,可以改善頁巖陶粒的燒脹性能,甚至使難以燒脹的頁巖也能生產(chǎn)出輕質(zhì)陶粒,這將大大提升頁巖陶粒產(chǎn)品的性能。已有研究表明[15],采用含水率80%左右的原狀脫水污泥與頁巖配合,污水污泥摻量在30%左右時可制備出顆粒表觀密度在700 kg/m3左右(約400～500級)的輕質(zhì)陶粒。由于污泥中的有機質(zhì)分散非常均勻,使用原狀脫水污泥混合頁巖也易于分散,可以使得污泥頁巖燒結(jié)磚比純頁巖燒結(jié)磚具有更微細的孔隙構(gòu)造,這也將大大提高燒結(jié)磚的保溫隔熱性能。

(5)頁巖磚和陶粒的燒成溫度一般在900～1 200℃,高溫下頁巖中的粘土礦物在燒結(jié)熔融固化的過程中,可較為容易地將污泥中的重金屬固定在鋁硅酸鹽的晶格中。有研究表明[16],污泥頁巖陶粒和燒結(jié)磚總體重金屬浸出濃度都比較小,符合浸出毒性的安全標準。另外,高溫燒成還可以殺滅細菌,使污泥內(nèi)部病原微生物分解,無害化處置相當甚至高于污水污泥的焚燒處置,從而使得污水污泥復(fù)合頁巖燒制建材是一種環(huán)保的污泥處置途徑。

4 結(jié)語

污水污泥的建材資源化途徑很多,而直接利用原狀高含水率的脫水污泥復(fù)合頁巖制備磚和陶粒,無論是從技術(shù)經(jīng)濟角度還是環(huán)保角度考慮都具有非常明顯的優(yōu)勢,并且所生產(chǎn)的建材產(chǎn)品是建筑節(jié)能所需的保溫隔熱材料,因此需要繼續(xù)深入研究和大力推廣。

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Prospects of Brick and Ceramsite Made by Original-dewatered Sludge and Shale

DENG Cheng1,CHEN Wei1,FAN Ying-ru1,LUO Hui2,QIAN Jue-shi1

(1.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;2.Chongqing Research Institute of Building Science,Chongqing 400015,China)

X 705

A

1674-2842(2010)05-0035-03

2010-07-12

重慶市科學技術(shù)項目(城科字2007第38號),重慶市科技攻關(guān)計劃項目(CSTC2009AC7121)

鄧 成(1986-),男,四川什邡人,在讀碩士研究生,研究方向:固體廢棄物資源化、建筑材料。E-mail:cqudc@126.com