污泥制備陶粒及其性能研究

余鋒波，金文杰，聶振皓

（1.遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍山市環(huán)保局，遼寧 鞍山 114009）

污泥制備陶粒及其性能研究

余鋒波1，金文杰1，聶振皓2

（1.遼寧科技大學 化學工程學院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍山市環(huán)保局，遼寧 鞍山 114009）

采用鞍山市大孤山污水處理廠城市污泥和鞍山市千山山脈的黏土為主要原料制備陶粒。采用X射線衍射法和原子吸收法測定城市污泥和黏土的成分，主要含有SiO2和Al2O3；通過正交實驗得到了城市污泥和黏土制備陶粒的最佳配方，配方是城市污泥與黏土比為3：1，燒結(jié)溫度為1 000℃，保溫時間為30 min，添加劑為15%；測定了陶粒的吸水率、表觀密度和侵蝕率，得到了吸水率和表觀密度成正相關(guān)，粒徑為5 mm侵蝕率最小，30 h的侵蝕率是0.17%。將粒徑為2、5和7 mm陶粒應(yīng)用于焦化廢水，研究了陶粒表面微生物附著效果；通過三組對比實驗可知，同時加入污泥和陶粒處理焦化廢水的效果最好，焦化廢水COD從637.4 mg/L降到40.3 mg/L，只加入陶粒處理焦化廢水最差，焦化廢水COD從637.4 mg/L降到128.9 mg/L。

城市污泥；黏土；陶粒；焦化廢水

城市污泥除水分外主要含大量有機物、致病細菌和病毒，在微生物的作用下易氧化分解。不經(jīng)過處理的城市污泥任意排放，會對人體健康、環(huán)境、土壤、大氣和水體產(chǎn)生危害。當前污泥的處理技術(shù)有農(nóng)用、綜合利用、陸地填埋、露天堆放、外運和焚燒［1］。我國各處理技術(shù)所占比例為陸地填埋約占63.06%，外運約占14.42%，污泥農(nóng)用約占13.51%，綜合利用約占5.41%，露天堆放約占1.80%，焚燒約占1.80%，總體污泥處置利用效率較低［2］，污泥資源化途徑較少。隨著污泥量逐年增加，到2020年預計將突破6 000萬噸［3］，尋找到一種合理的資源化技術(shù)尤為重要。

污泥綜合利用技術(shù)當前所占比例較少，但綜合利用技術(shù)能實現(xiàn)污泥無害化和資源化，滿足廢物再利用原則，是污泥利用的發(fā)展趨勢。利用污泥制備陶粒屬于污泥綜合利用的一種方式。陶粒按制備的原料可分為黏土陶粒、粉煤灰陶粒和生物泥陶粒［4］。燒制工藝一般經(jīng)過預熱過程和燒結(jié)過程。燒制成的陶粒主要有以下用途：（1）利用陶粒內(nèi)部多孔，比表面積較大，熱穩(wěn)定性好，具有較好的吸附性能，可以作為生物載體，來處理城鎮(zhèn)和工業(yè)污水；（2）陶粒還可以生產(chǎn)輕質(zhì)砌塊，達到環(huán)保節(jié)能和隔熱的效果；（3）利用陶粒的保溫、隔熱性能生產(chǎn)地面墊層和樓層底面［5］。常規(guī)的污泥處理方法，如填埋和焚燒等，已經(jīng)難以適應(yīng)污泥增長的速度和日益嚴格的環(huán)境標準。污泥制備陶粒實現(xiàn)廢物利用，減少環(huán)境危害，產(chǎn)生二次污染少，而且制備的陶?？蓱?yīng)用于水處理工程，有一定的經(jīng)濟價值回報，是一種高效、經(jīng)濟的處理技術(shù)。本論文主要研究污泥陶粒的制備方法及其在廢水處理中的應(yīng)用。

1 實驗材料及儀器

材料：城市污泥，鞍山市大孤山污水處理廠；黏土，鞍山市千山山脈；九水合硅酸鈉，分析純；濃硝酸；高氯酸；重鉻酸鉀，化學純；硫酸-硫酸銀溶液；硫酸汞；六水合硫酸亞鐵銨，分析純。

儀器：原子吸收光譜儀GY-MARS/T 3600；電熱恒溫干燥箱DHG-9070A；水浴加熱器WSZ-100A；馬弗爐SX2-10-12；X射線衍射光譜儀Xpert X型；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Optima 5300DV；新型高速連續(xù)式超微粉碎機CLF-30B；電子調(diào)溫萬用電爐DK-98-ll。

2 分析方法及研究方法

2.1 分析方法

（1）污泥的含水率和有機物含量。含水率和有機物含量是城市污泥和黏土的重要指標。城市污泥和黏土的有機物含量會影響陶粒燒結(jié)過程及燒成陶粒性能。

含水率：用分析天平稱量質(zhì)量為M1的原料放入干燥箱中，105℃條件下，干燥2 h后，取出自然冷卻至室溫后，稱量記為M2。即含水率=（M1-M2）*100%/M1。

有機物含量（VSS）：用分析天平稱量質(zhì)量為M1的原料放入馬弗爐中，600℃條件下，干燥30 min后，自然冷卻至室溫后，取出稱量記為M2。即有機物含量VSS=（M1-M2）*100%/M1。

（2）X射線衍射和原子吸收光譜。利用荷蘭PANalytical公司Xpert X型X射線衍射儀分析城市污泥和黏土的物相，射線源為Cu Ka靶射線，掃描范圍為2θ=0°～90°。利用原子吸收光譜，測定城市污泥和黏土的金屬氧化物組成。

（3）陶粒的性能檢測。本實驗主要檢測陶粒的表觀密度、吸水率和侵蝕率。表觀密度單位為kg/m3，檢測步驟：稱量陶粒試樣，記為 M（g），放入燒杯中浸水。1 h后取出。再放在2 mm的篩子上濾水5～10 min。取一個裝有5～15 mL清水的20 mL的量筒，先記錄初始量筒的水位為V0（mL），將濾水5～10 min的陶粒放入20 mL的量筒中，記量筒的水位為V（mL）。則陶粒顆粒表觀密度=M×1 000/（V-V0）。

吸水率檢測步驟：稱取陶粒質(zhì)量M（g）。將稱量試樣放入盛水的容器中并淹沒。陶粒放入水中1 h后，將其陶粒取出放在2 mm的篩子上，濾水5～10 min，然后稱量記為M1（g）。陶粒的1 h吸水率=（M1-M）/M×100%。

侵蝕率檢測步驟：將陶粒放在干燥箱105℃下，干燥2 h，取出自然冷卻至室溫，稱取M1（g）浸泡在水中，在需要測定時間長內(nèi)取出，并放在干燥箱中，105℃下，干燥2 h，取出自然冷卻至室溫，再稱量記為 M1，侵蝕率=（M-M1）/M ×100%。

（4）重鉻酸鉀法測定COD。測定步驟：稱量0.2 g硫酸汞與500 mL的錐形瓶中，并加入10 mL原水和5 mL重鉻酸鉀溶液。搖勻后，加入15 mL硫酸-硫酸銀溶液，放入小型加熱爐上，先打開回流水，再加熱。加熱2 h后，停止加熱。稍微冷卻后，分別加入100 mL去離子水。冷卻至室溫后，使用硫酸亞鐵銨進行滴定。

2.2 研究方法

（1）正交實驗。陶粒燒制過程：將干燥后的城市污泥和黏土使用新型高速連續(xù)式超微粉碎機粉碎，再通過0.106 mm分子篩，再分別稱量一定量的城市污泥、黏土和水玻璃（九水合硅酸鈉），將水玻璃進行水浴加熱液化，再將已稱量好的城市污泥、黏土和液化的水玻璃進行充分混合，并人工造球。將球狀陶粒放入馬弗爐內(nèi)，調(diào)制升溫速度為10℃/s，馬弗爐先后經(jīng)過如下階段：（1）100℃時，保溫60 min；（2）200 ℃時，保溫10 min；（3）500 ℃時，保溫10 min；（4）800 ℃時，保溫10 min；（5）設(shè)定實驗要求的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間。

本文選擇L9（34）正交實驗，即4因素3水平正交實驗，確定影響因素為4個，分別為：混合物X的組成A；燒成溫度B；添加劑的含量C；保溫時間D。采用等水平正交設(shè)計，確定各影響因素的水平數(shù)為3。正交實驗因素水平如表1所示，混合物X的組成配比如表2所示。正交實驗考核指標為顆粒表觀密度（P）和吸水率（W），綜合指數(shù)為Z=P/W（Z為無單位指數(shù)）。計算Z值的大小，認為Z值較大、吸水率較小的陶粒為較優(yōu)樣品［6］。從而得到制備陶粒的最佳配方。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Factor level of orthogonal test

表2 混合物X的組分配比，%Tab.2 Composition ratio of mixture X，%

（2）應(yīng)用實驗。通過正交實驗得到制備陶粒的最佳配方，此配方制備的陶粒應(yīng)用于焦化廢水中，研究陶粒對焦化廢水中COD的處理效果和掛膜效果。

陶粒粒徑為5 mm對焦化廢水的COD處理效果研究。進行三組對比實驗，三組實驗分別取400 mL焦化廢水，倒入燒杯中，第一組向其中加入100 mL污泥，第二組向其中加入15 g左右陶粒，第三組向其中加入15 g左右陶粒和100 mL污泥，分別進行曝氣，5 d后測COD。

陶粒的掛膜是其作為生物載體的一項重要指標。掛膜效果好，微生物在陶粒表面易吸附生長，有益于處理廢水。本實驗主要研究了粒徑為2 mm、5 mm和7 mm陶粒對焦化廢水的掛膜效果。主要步驟為用量筒取400 mL焦化廢水，倒入3個燒杯中，向其中加入400 mL污泥和10～15 g陶粒并曝氣，每天查看陶粒表面的微生物情況，曝氣時間5 d后查看陶粒表面微生物附著情況。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 含水率和VSS測定結(jié)果

本實驗利用重量法檢測了城市污泥和黏土的含水率及VSS，結(jié)果如表3。從表3可知，城市污泥含水率為74.175%，VSS為47.365%。城市污泥制備陶粒時，需要經(jīng)過脫水降至10%以下，本實驗采用自然干燥，可達到要求。黏土的含水率為3.8%，VSS為7%?？芍ね敛恍韪稍锞涂芍苯又苽涮樟?，而且其揮發(fā)量很少。

表3 城市污泥和黏土的含水率及VSS，%Tab.3 Water content and VSS of municipal sludge and clay，%

3.2 XRD和AAS結(jié)果

圖1 城市污泥和黏土XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of municipal sludge and clay

XRD原始譜圖經(jīng)過軟件分析得到城市污泥和黏土XRD譜圖如圖1所示，XRD主要目的是得到城市污泥和黏土中的主要組成，從圖1中可知，城市污泥中SiO2占46.3%，黏土中SiO2占51.2%。AAS結(jié)果如表4所示，城市污泥中Al2O3占13.6%，黏土中Al2O3占13.222%，K2O、Na2O，MgO和CaO也含有一部分。根據(jù)Raliy相圖可知，SiO2和Al2O3是構(gòu)成陶粒骨架成分，其他氧化物是助熔成分，如K2O、Na2O，MgO和CaO。本實驗所用的城市污泥和黏土滿足制備陶粒的條件。

3.3 正交實驗結(jié)果

正交實驗結(jié)果如表5所示，樣品Z值的正交試驗因素水平圖，如圖2。綜合表5和圖2可以得出由城市污泥和黏土制備陶粒的四因素最佳組合。

綜合指數(shù)Z的極差分析表明，混合物X的組成對陶粒性能是第一影響因素。由于混合物X為主要原料，配比不同，各物質(zhì)組成含量就不同，想要得到相同性能的陶粒，添加劑的量也因此改變，所以混合物X的配比決定了添加劑的量。此外，原料中各化合物的比例，決定了燒成溫度和保溫時間的大小。

燒成溫度是影響陶粒性能第二影響因素。由于污泥原料成分的復雜性，燒結(jié)溫度可以影響陶粒的很多性能指標，包括顆粒表觀密度、硬度和吸水率，因為它影響陶粒的表面和內(nèi)部的孔隙的大小與結(jié)構(gòu)、影響陶粒中的晶體成分等。從圖2中，可以看出隨著燒成溫度為1 000℃，Z值最大。

保溫時間是影響陶粒性能第三影響因素。在燒成溫度下，保溫過程也是陶粒在燒制過程的重要步驟，因為燒成過程是一個反應(yīng)的過程，其需要一定時間才能達到燒成的效果。從圖2中，可以看出隨著保溫時間為30 min，Z值最大。

添加劑量是影響陶粒性能第四影響因素。添加劑主要是增加陶粒間物質(zhì)的黏合強度，使陶粒達到一定的硬度。從圖2中，可以看出隨著添加劑量逐漸增加，Z值也隨著增大。

表4 城市污泥和黏土各組成質(zhì)量分數(shù)，%Tab.4 Mass fraction of municipal sludge and clay，%

表5 正交實驗結(jié)果Tab.5 Results of orthogonal experiment

圖2 樣品Z值的正交試驗因素水平圖Fig.2 Zvalue of sample of factor levels for orthogonal test

綜合可知，正交實驗結(jié)果表明：（1）各因素中較佳的水平條件組合為A1B3C3D3，即城市污泥：黏土為75：25，燒成溫度為1 000℃，添加劑（水玻璃）為15%，保溫時間為30 min。（2）影響陶粒性能的主次順序依次為城市污泥和黏土的配比、燒成溫度、保溫時間和添加劑量。

3.4 陶粒的性能檢測結(jié)果

根據(jù)陶粒被污水的侵蝕程度與時間的關(guān)系，可以判斷陶粒的使用壽命。圖3為本實驗不同粒徑的陶粒的侵蝕率與時間的關(guān)系。

圖3 不同粒徑陶粒的侵蝕率與時間關(guān)系Fig.3 Relationship between erosion rate and erosion time for different diameters of ceramic particles

從圖3可以看出，粒徑為2 mm的陶粒損失量隨浸泡時間的延長變化率較大，粒徑為5 mm、7 mm的陶粒損失量隨浸泡時間的延長變化較小。陶粒應(yīng)用于廢水中，變化率越小，對陶粒的侵蝕程度就越小。粒徑為5 mm的陶粒損失量與浸泡時間的變化率最小?？梢缘贸霰緦嶒炋樟Ｗ鳛樯镙d體最佳粒徑為5 mm。

粒徑為2 mm、5 mm和7 mm的陶粒測定的吸水率和表觀密度結(jié)果，如圖4所示。

從圖4可知，粒徑為2 mm的陶粒吸水率和表觀密度都最好。吸水率和表觀密度與陶粒粒徑有關(guān)，且吸水率和表觀密度隨陶粒粒徑的變化趨勢相同。當陶粒粒徑為2～5 mm時，表觀密度和吸水率都隨粒徑增大而增大。當陶粒粒徑為5～7 mm時，表觀密度和吸水率都隨粒徑增大而減小。

圖4 吸水率和表觀密度隨陶粒粒徑的變化曲線Fig.4 Changing curve of water absorbing capacity and apparent density with particle sizes of ceramsites

圖5 焦化廢水的COD變化曲線Fig.5 Changing curve of COD of coking wastewater

圖5為粒徑為5 mm的陶粒應(yīng)用于焦化廢水中處理COD的結(jié)果。從圖5可知，這三組實驗，焦化廢水加入陶粒和污泥的處理效果最好，而只加入陶粒的處理效果最差。實驗結(jié)果和預期相同，唯一的缺點就是第二組和第三組結(jié)果相差不大，表明在加入污泥的條件下，再加入陶粒，對處理廢水的作用不是很大。污泥起到了主要作用，其原因可能是：（1）污泥活性好和懸浮性較好，不需要陶粒作為生物載體即可達到去除COD的效果。（2）處理焦化廢水時間過短，微生物還未在陶粒表面很好地附著，而導致沒有體現(xiàn)出陶粒的優(yōu)勢，此原因也可以從圖6可知。第一組實驗結(jié)果可知，單獨加入陶粒對焦化廢水也有去除COD的效果。這可能是陶粒吸附了焦化廢水中的還原性物質(zhì)，使焦化廢水COD降低。

粒徑為2 mm、5 mm和7 mm的5 d陶粒掛膜效果，如圖6所示。對陶粒表面做鏡檢觀察，結(jié)果如圖7所示。從圖6和圖7可知，陶粒表面有微生物生長，粒徑為7 mm的陶粒微生物生長最好，但三種不同粒徑都可滿足生長條件，且表面粗糙易使微生物掛膜。

圖6 不同粒徑陶粒的掛膜情況Fig.6 Situation of hanging film on surface of ceramsites

圖7 不同粒徑陶粒表面泥鏡檢Fig.7 Microscopic examination of mud on surface of ceramsites

4 結(jié)論

本文主要開展了利用城市污泥和黏土制備陶粒的研究。得到如下結(jié)論：

（1）正交實驗結(jié)果表明，制備陶粒最佳的水平條件組合為A1B3C3D3，即城市污泥：黏土為75：25，燒成溫度為1 000℃，添加劑（水玻璃）為15%，保溫時間為30 min。影響陶粒性能的主次順序依次為城市污泥和黏土的配比、燒成溫度、保溫時間和添加劑量。

（2）從陶粒的侵蝕率角度上考慮，本實驗陶粒作為生物載體最佳粒徑為5 mm。侵蝕率最小，浸泡30 h其值是0.17%；吸水率和表觀密度與陶粒粒徑有關(guān)，且吸水率和表觀密度隨陶粒粒徑的變化趨勢相同。當陶粒粒徑為2～5 mm時，表觀密度和吸水率都隨粒徑增大而增大。當陶粒粒徑為5～7 mm時，表觀密度和吸水率都隨粒徑增大而減小。

（3）將粒徑為2 mm、5 mm和7 mm陶粒應(yīng)用于焦化廢水，研究了陶粒表面微生物附著效果，三組粒徑都滿足微生物生長條件，且易使微生物掛膜。粒徑為5 mm的陶粒應(yīng)用于焦化廢水中，同時加入污泥和陶粒處理焦化廢水的效果最好，焦化廢水COD從637.4 mg/L降到40.28 mg/L，只加入陶粒處理焦化廢水最差，焦化廢水COD從637.4 mg/L降到128.9 mg/L。

［1］唐小輝，趙力.污泥處置國內(nèi)外進展［J］.環(huán)境科學與管理，2005，30（3）：68-70.

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Study on preparation of ceramsites with sludge and its performance

YU Fengbo1，JIN Wenjie1，NIE Zhenhao2

（1.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Environmental Protection Agency in Anshan，114009）

In this study，the main raw materials used to make ceramsitescame were come from the municipal sludge of Dagushan sewage treatment plantin Anshan and clay of Qianshan mountainsin Anshan.The composition of the municipal sludge and the clay were detected by X-ray diffraction and atomic absorption spectrometry.It mainly contains Silica and Aluminum oxide.The optimum formulation of the municipal sludge and the clay was obtained by orthogonal experiment，i.e.the ratio of 3 of urban sludge to 1 of clay.The sintering temperature is 1 000 °C，and soaking time，30 min by the additive of 15%；Water absorbing capacity，apparent density and erosion rate of ceramsites were determinated.There was positive correlation between water absorbing capacity and apparent density.The smallest erosion rate was 0.17%for 5 mm of ceramsites in 30 h of soaking in water；The particles with size of 2 mm，5 mm and 7 mm were respectively applied to treat coking waste water and studied the effect of microbial attachment on the surface of ceramsites.Three groups of comparative experiments showed that sludge and ceramsites were added into coking waste water at the same time.The removal effect of COD was the best，which was reduced from 637.4 mg/L down to 40.28 mg/L，while the sole addition of ceramsites was the worst from 637.4 mg/Lto 128.9 mg/L for COD.

municipal sludge；clay；ceramsites；coking wastewater

July 19，2017）

X703.1

A

1674-1048（2017）04-0274-07

10.13988/j.ustl.2017.04.007

2017-06-19。

遼寧省教育廳先進煤焦化及煤資源高效利用工程研究中心開放課題。

余鋒波（1993—），男，江西上饒人。

金文杰（1967—），女，遼寧鞍山人，教授。