污泥陶粒的制備及研究

薛凱旋，林聰，楊翔，楊國良，石力

（鎮江建科建設科技有限公司，江蘇 鎮江 212004）

0 引言

污泥中含有大量的重金屬、病菌、毒性有機質等，已成為影響水質及水域生態的重要因素。目前，污泥的主要處理方法包括填海、土地堆放及填埋等，但這些方法并未在根本上解決污泥的潛在危害。

通過分析污泥的化學組成成分，與其他材料進行混合，達到能夠燒制出陶粒的條件，明確了污泥燒制陶粒的可操作性。利用污泥燒制陶粒，既實現了污泥的無害化處理，又具有巨大的經濟效益。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 污泥

污泥源于鎮江市高姿污水處理廠，含水率為76.7%，化學成分見表1。

表1 污泥化學成分

1.1.2 黃土

黃土源于公司附近，化學成分見表2。

表2 黃土化學成分

1.1.3 膨潤土

膨潤土為句容天王的膨潤土，化學成分見表3。

表3 膨潤土的化學成分

1.2 試驗方法

陶粒燒制過程如圖1所示，首先將污泥烘干，按比例與黃土和膨潤土一起粉磨后，將原材料拌合水制成料球，將料球在 （100±5）℃條件下干燥2 h后，放入高溫爐300℃下預熱20 min，再在高溫1 100~1 200℃下焙燒20 min。

圖1 陶粒燒制過程

1.3 試驗配比

根據相關研究表明，適合燒制優質陶粒的原材料化學成分為：SiO240%~79%；Al2O310%~25%；氧化物溶劑 （K2O+Na2O+MgO+CaO+Fe2O3）13%~26%。設污泥的范圍為X，黃土的范圍為Y，膨潤土的范圍為Z，可列出如下方程式：

得出，燒制污泥陶粒的質量百分比的取值范圍：污泥0%~51%，黃土25%~100%，膨潤土0%~49%。

據此制定初步實驗配比如下表4。

表4 實驗配比

燒制方案：烘干溫度105℃，時間2 h；預熱溫度300℃，時間30 min，焙燒溫度1 100~1 200℃，初步方案見表5。

表5 初步方案

2 試驗結果及討論

由圖2可以看出堆積密度最大都出現在1100℃，是因為該溫度不能使坯料發生熔融反應，使得陶粒發生膨脹。其中，10%和20%污泥摻量的最小值出現在1 180℃；30%和40%污泥摻量的最小值出現在1 160℃；而50%污泥摻量的最小值出現在1 140℃。堆積密度的大小主要由體積膨脹效果決定，由此可以說明，隨著污泥摻量的增加，最佳膨脹溫度在降低。從整體看來污泥摻量越高，堆積密度越低。

圖2 焙燒溫度對堆積密度的影響

由圖3可以看出除了20%污泥摻量的最高值出現在1 180℃以外，其他筒壓強度隨著焙燒溫度的升高而增加，最高點均出現在1 200℃；50%污泥摻量的陶粒在1 140℃之前增速較快，其他的在1 160℃之前增速較快，隨后增速放緩。30%、40%和50%污泥摻量的陶粒的筒壓強度最大都未超過4.0 MPa，并且，在此條件下他們的堆積密度為740~790 kg/m3，參考輕集料密度等級表，800級的陶粒筒壓強度應超過4.0 MPa，因此無法滿足標準要求。

圖3 焙燒溫度對筒壓強度的影響

由圖4可以看出，吸水率隨著焙燒溫度的升高呈下降趨勢。

由圖5可以看出燒失率隨著溫度升高而增大，速度先快后慢。污泥摻量越多燒失率越大，這是由于污泥有機質含量多，燒失量大。

圖4 焙燒溫度對吸水率的影響

圖5 焙燒溫度對燒失率的影響

圖6 焙燒時間對陶粒性能的影響

由圖6可以看出：隨著焙燒時間的增加，陶粒的堆積密度先減小后增大，在25 min時達到最小值710 kg/m2；筒壓強度先增大后減小，在25 min時達到最大；吸水率先增大后減小，在30 min時達到最小；燒失率持續增大，速度先快后慢。

綜上所述，可以得出比較適合本試驗燒制陶粒的配比為：20%污泥+30%膨潤土+50%黃土；焙燒溫度為1 180℃，時間25 min。

3 結論

（1）燒制污泥陶粒的質量百分比的取值范圍：污泥0%～51%，黃土25%～100%，膨潤土0%～51%。

（2）試驗表明，1 100℃不能很好的使坯料發生熔融反應，使得陶粒發生理想的膨脹。隨著污泥摻量的增加，最佳膨脹溫度在降低。從整體看，污泥摻量越高，堆積密度越低。

（3）試驗表明30%、40%和50%污泥摻量的陶粒的筒壓強度最大都未超過4.0 MPa，在此條件下他們的堆積密度為740～790 kg/m3，參考輕集料密度等級表，800級的陶粒筒壓強度應超過4.0 MPa，因此無法滿足標準要求。

（4）吸水率隨著焙燒溫度的升高呈下降趨勢。

（5）燒失率隨著溫度升高而增大，速度先快后慢。污泥摻量越多燒失率越大，這是由于污泥有機質含量多，燒失量大。

（6）得出比較適合本試驗燒制陶粒的配比為：20%污泥+30%膨潤土+50%黃土；預熱105℃，2 h；預熱300℃，30 min；焙燒溫度為1 180℃，時間25 min。