與頁(yè)巖共混燒結(jié)制備輕質(zhì)陶粒的污泥資源化利用研究

摘要：將污泥與頁(yè)巖共同燒結(jié)，探討污泥與頁(yè)巖在不同配比、不同燒結(jié)溫度及有氧無(wú)氧條件下對(duì)所燒結(jié)陶粒物理性能的影響。 結(jié)果表明，不論是在有氧還是無(wú)氧條件下，隨著溫度的升高，復(fù)合陶粒的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，但孔隙率卻無(wú)法達(dá)到商用陶粒26%以上的要求；與有氧燃燒相比，無(wú)氧條件下，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)，物體表面的縫隙較小且分布更加均勻。因此，研究為后續(xù)優(yōu)化原料配伍和生產(chǎn)工況提供參考依據(jù)，也為污泥資源化利用提供了參考途徑。

關(guān)鍵詞：污泥；頁(yè)巖；燒結(jié)；陶粒；孔隙率；

表觀密度；資源化利用

引言

陶粒是一種人工輕質(zhì)骨料，其特點(diǎn)包括具有低顆粒密度、高抗壓強(qiáng)度、保溫隔熱性能及耐腐蝕、隔水、保氣等優(yōu)點(diǎn)[1]。陶粒最早主要應(yīng)用于建筑材料領(lǐng)域[2]，以替代混凝土中粗骨料碎石和卵石。隨著對(duì)不同類(lèi)型陶粒性能的研究和認(rèn)識(shí)的深入[3]，陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，涉及環(huán)保、冶金、化工、石油、農(nóng)業(yè)、園藝等行業(yè)[4-6]，推動(dòng)了陶粒技術(shù)的迅速發(fā)展。

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的關(guān)注不斷增加，污泥處理市場(chǎng)日益受到重視。將污泥制備成污泥陶粒并應(yīng)用于污水處理[7][8]，不僅有效降低了其對(duì)環(huán)境的污染，還實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化和資源化利用，并在一定程度上緩解了資源緊張問(wèn)題；同時(shí)，這種處理方式也帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)效益。由于污泥無(wú)機(jī)成分以SiO2、Al2O3為主，且污泥中的有機(jī)物在燒結(jié)時(shí)可以為燒制陶粒提供一部分能量，因而污泥碳化后又能得到大量C，為陶粒的膨脹提供充足的成氣物質(zhì)，滿(mǎn)足燒制陶粒的基本要求[9]。但污中的SiO2、Al2O3含量較低，如果直接用污泥燒制陶粒會(huì)引起陶粒強(qiáng)度下降、燒結(jié)溫度升高、燒結(jié)過(guò)程收縮明顯、無(wú)高溫液相出現(xiàn)等問(wèn)題，因此需要加入頁(yè)巖以提高SiO2、Al2O3含量。

本文采用干燥、磨粉、成片、燒結(jié)工藝，以污泥、頁(yè)巖2種原料進(jìn)行陶粒的制備。以抗壓強(qiáng)度、表觀密度、孔隙率為主要性能指標(biāo)，探究污泥與頁(yè)巖共混燒結(jié)制備輕質(zhì)陶粒燒結(jié)過(guò)程中原料配比、燒結(jié)溫度及有氧、無(wú)氧等因素對(duì)陶粒性能的影響，為污泥資源化利用提供參考途徑。

1實(shí)驗(yàn)方案

將市政污泥進(jìn)行烘干，選取立式鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干，設(shè)置烘干溫度為100℃，烘干時(shí)間為6h，使其含水率降為0。樣粉碎機(jī)進(jìn)行打磨，將頁(yè)巖片與烘干后的污泥進(jìn)行打磨成粉，且粉的粒徑大小在80～200目之間。隨后將打磨好的頁(yè)巖粉與市政污泥粉按不同比例進(jìn)行混合，定量3±0.01g，并按照不同比例混合均勻后，倒入成片模具進(jìn)行壓片。選用壓力為2000psi大小，平均壓制20min，使其充分成型。選用馬弗爐將污泥-頁(yè)巖制片進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，選取800℃、900℃、1000℃的工況進(jìn)行燒制，燒制時(shí)間為60min，同時(shí)選用有氧、無(wú)氧2種形式進(jìn)行對(duì)比。

2污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒強(qiáng)度和表觀密度特性

2.1污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒抗壓強(qiáng)度

由圖1可以看出，不論是在有氧還是無(wú)氧條件下，隨著溫度的升高，污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒的抗壓強(qiáng)度逐漸增加；同時(shí)，隨著污泥比例的降低，總體的抗壓強(qiáng)度呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。在無(wú)氧條件下，當(dāng)污泥與頁(yè)巖的混合比例為7∶3且燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，復(fù)合陶粒抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。而在有氧條件下，當(dāng)污泥與頁(yè)巖的混合比例為4∶6且燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，復(fù)合陶粒抗壓強(qiáng)度也達(dá)到峰值。這些峰值結(jié)果，為污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒后續(xù)研究提供了重要的參考依據(jù)。

2.2污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒表觀密度

對(duì)不同配比與溫度燒結(jié)下燒制成的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒進(jìn)行密度測(cè)量與計(jì)算，并將得到的密度進(jìn)行無(wú)氧與有氧的分析對(duì)比，其結(jié)果如圖2所示。

隨著污泥所占比例的降低，無(wú)氧與有氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。具體而言，在800℃溫度下，當(dāng)污泥比例降低到30％以下時(shí)，無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度超過(guò)有氧條件下的密度。在900℃溫度下，當(dāng)污泥比例降低到40％以下時(shí)，無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度超過(guò)有氧條件下的密度。在1000℃溫度下，當(dāng)污泥比例降低到25％以下時(shí)，無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度超過(guò)有氧條件下的密度。結(jié)合圖2還可以看出，當(dāng)污泥的比例降低到一定程度時(shí)，無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度會(huì)逐漸超過(guò)有氧條件下的密度。這可能是由于有氧條件下燒結(jié)過(guò)程中污泥成分的氧化和揮發(fā)，導(dǎo)致部分質(zhì)量損失，從而影響污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒的密度增長(zhǎng)。而在無(wú)氧條件下，由于缺乏氧氣的參與，污泥的揮發(fā)和氧化反應(yīng)受到限制，減少了質(zhì)量損失，使得無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度相對(duì)較高。

3 污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒孔隙和微觀形貌特性

商用陶粒的孔隙率要求為 26% 以上。然而，如圖 3 所示，無(wú)論是在有氧條件還是無(wú)氧條件下，單純只采用污泥和頁(yè)巖制取的陶粒，盡管在抗壓強(qiáng)度方面能夠滿(mǎn)足商用要求，但卻難以達(dá)到商用所需的孔隙率要求。因此，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要引入新的物質(zhì)，如加入發(fā)氣成分來(lái)改變和提升陶粒的性能，以達(dá)到孔隙率的要求。

選取污泥與頁(yè)巖按質(zhì)量比為 5∶5 混合壓制后，分別進(jìn)行無(wú)氧和有氧燒結(jié)，產(chǎn)品微觀形貌如圖 4、圖 5 所示。可以發(fā)現(xiàn)，在相同的成分比例下，隨著溫度升高，由于高溫下污泥和頁(yè)巖復(fù)合材料受熱膨脹，引起了表面的變形和開(kāi)裂，使得表面縫隙增多。相比于有氧燃燒，在 800℃時(shí)，高溫?zé)o氧條件下物體表面的縫隙更小，且分布更加均勻。此外，溫度升高也可能導(dǎo)致污泥和頁(yè)巖復(fù)合材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化，如熱膨脹、熱穩(wěn)定性等，可進(jìn)一步影響污泥和頁(yè)巖復(fù)合材料的顏色和表面縫隙的形成。因此，有必要對(duì)污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒進(jìn)行深入的研究，以更好地理解溫度對(duì)污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)的影響。在有氧還是無(wú)氧條件下，隨著溫度的升高，復(fù)合制片的抗壓強(qiáng)度逐漸增加。抗壓強(qiáng)度雖然能滿(mǎn)足一定的要求，但隨著穩(wěn)定的升高，污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒縫隙雖越來(lái)越大但孔隙率依然無(wú)法達(dá)到商用陶粒26%以上的要求。

②在無(wú)氧條件下，當(dāng)污泥與頁(yè)巖的混合比例為7∶3且燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，復(fù)合陶粒抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。而在有氧條件下，當(dāng)污泥與頁(yè)巖的混合比例為4∶6且燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，復(fù)合陶粒抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。當(dāng)污泥的比例降低到一定程度時(shí)，無(wú)氧條件下的污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒密度會(huì)逐漸超過(guò)有氧條件下的密度。因此，無(wú)論是在有氧條件還是無(wú)氧條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明污泥-頁(yè)巖復(fù)合陶粒無(wú)法達(dá)到所需的商用陶粒孔隙率要求。

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作者簡(jiǎn)介

梁梅華（1989—），女，漢族，山東臨沂人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)大數(shù)據(jù)。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-04-19