利用水泥窯處理污水廠污泥實(shí)驗(yàn)研究

劉桂翔，李燕喬，曾斐，范維，郭立新

（1.白山市江源區(qū)環(huán)保局，白山 134700；2.長春理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130022）

隨著城市污水處理廠的不斷建設(shè)，污泥產(chǎn)生量急劇增加，世界各國對污泥的處理和資源化利用方式愈加重視，已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一。由于各國在自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)水平和科技水平等方面存在差異，各國對污泥的處理方法也不盡相同。通常情況下，污泥處理工藝流程包括重力濃縮、消化、機(jī)械脫水、烘干等環(huán)節(jié)。在污泥處理的過程中，污泥中所含有的有機(jī)物是影響污泥穩(wěn)定性的重要因素之一，這些有機(jī)物中含有大量的不穩(wěn)定腐殖質(zhì)，短時(shí)間內(nèi)會發(fā)出惡臭，因此污泥要進(jìn)行穩(wěn)定化處理，最終產(chǎn)生的脫水泥餅或者焚燒后產(chǎn)生的殘?jiān)枰M(jìn)一步進(jìn)行處置。目前，傳統(tǒng)的污泥處置方法主要有土地填埋、堆肥和焚燒等，這些污泥處置方式在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了一定的作用，但是隨著環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格化，其處置方式上的弊端逐漸顯現(xiàn)出來?，F(xiàn)在世界各國對污泥處理的研究正朝無害化、減量化、資源化的方向發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

利用水泥窯處理污水廠污泥實(shí)驗(yàn)在吉林亞泰集團(tuán)鼎鹿水泥有限公司3#回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行，窯型為新型干法預(yù)分解回轉(zhuǎn)窯，其運(yùn)行參數(shù)如下：水泥窯規(guī)格：3.5×55m；重量：366.50t；傾斜角度：3.5°；轉(zhuǎn)數(shù)：1～ 1 .5r/min；功率：180kw；熟料產(chǎn)量：384t/d；進(jìn)料量：576t/d；窯內(nèi)溫度：1350℃～ 1450℃；煙氣溫度：800℃～900℃；物料停留時(shí)間：40min～45min。

1.2 樣品制備

分別取未添加污泥和污泥摻加量為2%、5%和7%生產(chǎn)出的水泥熟料，將取樣管插入水泥適量深度并按住氣孔，從水泥中抽出試管，將所取水泥樣品放入潔凈、干燥的器皿中，所取樣品質(zhì)量均不少于12kg。

采用二分器將水泥樣品進(jìn)行縮分，使樣品達(dá)到縮分規(guī)定量標(biāo)準(zhǔn)。將不同污泥摻加量生產(chǎn)出的水泥熟料樣品標(biāo)號，每個(gè)編號的水泥樣品通過0.9mm方孔篩進(jìn)行均分化處理。由于水泥遇水后會釋放出大量的熱量，使水泥結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和表面溫度產(chǎn)生很大的溫差，由于其膨脹收縮的程度不同，導(dǎo)致水泥產(chǎn)品容易出現(xiàn)裂縫，因此，必須對水泥產(chǎn)品進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本實(shí)驗(yàn)采用 HBY-60B型水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行水泥試塊養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)成型后將水泥樣品放入水池，在適宜的溫度、濕度條件下，分別放置3d、7d和 28d。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥摻加量對水泥熟料化學(xué)成分的影響

利用酸溶解法制備水泥熟料試樣溶液，并對其燒失量、SiO2含量、Al2O3含量、Fe2O3含量、CaO含量和MgO含量等參數(shù)進(jìn)行測定。

分別對污泥摻加量為2%、5%和7%生產(chǎn)出的水泥熟料進(jìn)行化學(xué)成分測定，對比空白試驗(yàn)進(jìn)行研究，不同污泥摻加量對水泥熟料化學(xué)成分的影響見表1。

表1 污泥摻加量對水泥熟料化學(xué)成分的影響Tab.1 Effect of different amount of sludge admixture upon Chemi cal composition of the cement clinker

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，向水泥原料中添加污泥所生產(chǎn)的水泥熟料對比空白試驗(yàn)的化學(xué)成分含量以及燒失量均無明顯變化，即污泥摻加量對水泥熟料的化學(xué)成分影響不大。

2.2 污泥摻加量對水泥熟料礦物組成及率值的影響

水泥熟料的礦物組成是決定水泥強(qiáng)度的指標(biāo)之一，水泥熟料通過在水泥窯中高溫煅燒后，CaO、SiO2、Fe2O3和Al2O3四種氧化物不再以單獨(dú)的氧化物形式存在，而是以兩種或兩種以上氧化物反應(yīng)生成的礦物集合體的形式存在，主要包括硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)四種礦物成分。通過實(shí)驗(yàn)測定污泥摻加量分別為 2%、5%和 7%生產(chǎn)的水泥熟料的硅率(SM)、鋁率(IM)和石灰飽和系數(shù)(KH)等率值，計(jì)算熟料礦物組成(C2S、C3S、C3A、C4AF)含量和游離氧化鈣(f-CaO)的含量，結(jié)果見表2。

表2 污泥摻加量對水泥熟料礦物組成及率值的影響Tab.2 Effect of different amount of sludge admixture upon mineral composition and rate value of the cement clinker

游離氧化鈣是指水泥熟料中以游離狀態(tài)存在的氧化鈣，由于在燒成溫度下游離氧化鈣的結(jié)構(gòu)緊密，水化反應(yīng)很慢，水化生成的氫氧化鈣導(dǎo)致水泥體積膨脹，對水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度以及安全性都會產(chǎn)生一定的不良影響。1350℃時(shí)，不同污泥摻加量水泥原料在煅燒生成水泥熟料中游離氧化鈣的分析結(jié)果見圖1。

由表2中數(shù)據(jù)可看出，向水泥原料中添加污泥進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)，其產(chǎn)品中的礦物組成含量以及率值均無明顯變化，水泥熟料率值均在國家規(guī)定的波動(dòng)范圍之內(nèi)。

從圖1可看出，不同污泥摻加量生產(chǎn)出的水泥熟料中游離氧化鈣的含量較低，說明水泥熟料性能較好。隨著污水處理廠污泥的摻入，水泥熟料中游離氧化鈣的含量逐漸降低。當(dāng)污泥摻加量小于5%時(shí)，熟料中游離氧化鈣的含量迅速下降，污泥摻加量大于5%時(shí)，熟料中游離氧化鈣的含量下降趨于平緩，原因是向水泥原料中摻加污泥，能夠改善水泥原料的易燒性。

2.3 污泥摻加量對水泥熟料強(qiáng)度的影響

圖1 不同污泥摻加量對熟料中f-CaO含量的影響Fig.1 Effect of different amount of sludge admixture upon content of f CaO in the cement clinker

圖2 不同污泥摻加量熟料在不同齡期的抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength at different periods of cement clinker with different amount of sludge admixture

圖3 不同污泥摻雜量熟料在不同齡期的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength at different periods of cement clinker with different amount of sludge admixture

將分別養(yǎng)護(hù)3d、7d和28d達(dá)到齡期的水泥熟料拆模后取出，分別測量其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，熟料強(qiáng)度按照《GB177-85水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，水泥熟料試樣抗壓強(qiáng)度利用WHY-300型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測量，抗折強(qiáng)度利用DYE-530型數(shù)字式抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測量。圖2為使用不同污泥摻加量原料生產(chǎn)的水泥熟料不同養(yǎng)護(hù)齡期抗折強(qiáng)度變化，圖3為使用不同污泥摻加量原料生產(chǎn)的水泥熟料在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

由圖2可知，向水泥原料中摻加污水處理廠污泥，對水泥熟料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度性能影響均不明顯，水泥熟料的強(qiáng)度均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的加長，水泥熟料的抗折強(qiáng)度也不斷增加，由于水泥熟料的抗折強(qiáng)度離散性比較大，其增長不明顯。

從圖3中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的加長，水泥熟料的抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提高，特別是水泥熟料的早期強(qiáng)度增長很快。摻加污水處理廠污泥的水泥原料所生產(chǎn)出的水泥熟料其抗壓強(qiáng)度較未摻加污泥生產(chǎn)出的水泥熟料要高。當(dāng)污泥摻加量為 5%時(shí)，水泥熟料的抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)污泥摻加量大于5%時(shí)，不同齡期水泥熟料的抗壓強(qiáng)度略微有所降低。水泥熟料的強(qiáng)度高，說明水泥熟料中硅酸三鈣的燒成效果較好，在水泥原料中適當(dāng)摻加污泥，有利于改善水泥原料的易燒性，提高水泥熟料的強(qiáng)度。

2.4 污泥摻加量對水泥熟料物理性能的影響

表3 不同污泥摻加量對水泥熟料物理性能的影響Tab.3 Effect of different amount of sludge admixture upon physical performance of the cement clinker

國家標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》（GB175-2007）中規(guī)定：普通硅酸鹽水泥的初凝時(shí)間不小于45min，終凝時(shí)間不大于10h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著污水處理廠污泥摻加量的增加，水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均有所增加，其原因是向水泥原料中摻加污水處理廠污泥，延緩了水泥熟料的水化反應(yīng)進(jìn)程，從而延長了水泥的凝結(jié)時(shí)間。有關(guān)資料表明，在水泥熟料加水后其中的礦物成分硅酸二鈣和硅酸三鈣會與水發(fā)生反應(yīng)。污水處理廠污泥中含有一些重金屬元素和微量元素，其中，鋅和鉛等重金屬元素作為水泥的緩凝劑，可減緩水泥的硬化進(jìn)程。而摻加含有重金屬及微量元素的污水處理廠污泥，雖然減慢了水泥熟料的水化反應(yīng)速度，延緩了水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，但對水泥熟料強(qiáng)度等性能指標(biāo)并無影響。適當(dāng)延緩水泥的凝結(jié)時(shí)間，有利于水泥產(chǎn)品應(yīng)用于建筑施工。

從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水泥原料中摻加污泥煅燒生成的水泥熟料其物理性能均達(dá)到國家合格標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

利用水泥廠煅燒設(shè)備處理污水處理廠污泥，能夠達(dá)到污泥穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源綜合利用的目的，是一個(gè)變廢為寶、化害為利、資源化利用污泥的處理過程。不但解決了污水處理廠難以解決污泥處理的問題，還可以充分利用污水處理廠污泥替代部分水泥原料進(jìn)行熟料生產(chǎn)，充分利用污泥焚燒過程中所釋放的低位熱值。利用水泥窯處理技術(shù)對污水處理廠污泥進(jìn)行處理處置，可實(shí)現(xiàn)污水處理企業(yè)和水泥生產(chǎn)企業(yè)雙贏，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益的完美統(tǒng)一，符合我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求。

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