污泥陶粒的生產與應用
一、污泥的分類與特征
根據污泥的來源分為市政污泥和工業污泥。市政污泥主要指城市污水處理廠產生的污泥與市政建設產生的污泥。工業污泥主要有電鍍污泥、鋼鐵冶煉污泥、紡織印染污泥、化工污泥、造紙污泥等。
1.1
市政污泥
具統計，每處理1m3廢水約產生3-5kg濕基市政污泥，其中含水約96%，pH值通常在6.5-7.0之間。市政污泥中含有CaO和Fe2O3等無機氧化物，多源自污水處理過程所加入的絮凝劑。污泥中的重金屬主要有Zn、Cd、Cr、Cu、As等。因我國城市污泥輸送管網多使用含Zn管道，因此在重金屬中占比較多。如果市政污水和工業污水合并，則污泥中所含重金屬將會增加。目前市政建設污泥，如河道與管網疏浚、地鐵建設等污泥量增加迅猛。
1.2
工業污泥
(1)冶金鋼鐵污泥
鋼鐵、有色金屬等冶煉過程均會產生污泥，鋼鐵污泥的產生主要有2個來源，一是冶煉過程中的冶煉廢料，二是冶煉過程產生的酸性廢水經沉淀處理后形成的污泥。冶煉廢料主要包括瓦斯泥和鋼渣等，瓦斯泥通常比重輕、粒徑小、有化學毒性，并含有硫、鐵等元素。在酸性廢水中加入生石灰，會使重金屬以氫氧化物的形式沉淀析出形成污泥，所含主要有害元素為Cu、Sn、Pb、As等。
(2)電鍍污泥
電鍍污泥因重金屬含量偏高，不能在農業領域應用。電鍍污泥物相特別復雜，化合物主要有Al2O3、Fe2O3、CuO、 Zn、Cr鹽、氧化物等。
(3)紡織印染污泥
紡織業中污泥的產生量比較大，我國每天產生印染污泥為0.75萬-1萬m3， 其中2/3為物化污泥。印染污泥來自其污水排放巨大的的各個工序，多產生于印染過程中的助料、油料、染料等。
(4)化工污泥
化工污泥主要指化工廠產生的懸浮物雜質，以及來自于化工行業中一些比較難分解物質，種類復雜。有的還含有病原微生物等有毒物質。
(5)造紙污泥
每生產1t原紙或再生紙將產生245kg干基污泥，按照造紙污泥的來源可分為生物、堿回收和脫墨污泥三種，主要來源是纖維素等有機物。造紙污泥的含水率約為97%，呈中性；重金屬含量比較少。根據造紙污泥的化學成分和熱值特征，可將它適當處理后作為能源使用。
總之，不同類型的污泥其化學組成和物化性質有較大差別，應根據其來源和物性特征采用相應的處置方式，其中以各類污泥生產陶粒是污泥消納的重要途徑之一。
二、陶粒的類型與生產
陶粒是一種陶質顆粒，一般粒徑為5-20mm，外觀多為圓形或橢圓形，外觀顏色因原料和工藝而異，多為暗紅色，SiO2和Al2O3是陶粒成陶的主要成分。陶粒按照生產方式可分為燒結陶粒、燒脹陶粒和免燒陶粒。
2.1
燒結陶粒
燒結陶粒是將污泥干化、破碎，加入輔料和粘接劑等混勻后經造粒、干燥、燒制而成，下圖為由污泥生產燒結陶粒的典型工藝流程。
2.2
燒脹陶粒
燒脹陶粒是一種很重要的建筑材料，生產需在高溫下生成足夠黏度的液相和包裹大量氣體，具有表觀密度小、孔隙較多、隔絕性良好等特點。其燒脹效果與性能受酸、堿性氧化物的影響，酸性氧化物有SiO2和Al2O3，在高溫下兩者反應生成的莫來石可以使陶粒達到所需要的強度；堿性氧化物包括Fe2O3、CaO、MgO等起助熔作用。酸性和堿性氧化物的存在使污泥具備用于生產陶粒的條件，奠定了資源化利用的基礎。
2.3
免燒陶粒
免燒陶粒是將污泥干化、破碎、攪拌、混勻后，噴灑外加劑后造粒，經養護而得到而形成的輕集料。若放入Fe3O4懸浮液中浸漬涂層，則可制得磁性免燒陶粒。
三、污泥陶粒的類型與生產
3.1
污泥含量對陶粒生產的影響
污泥摻量主要影響陶粒孔隙率、吸水率、表觀密 度、堆積密度等性能，典型污泥復合焙燒陶粒的物化性質見表２。研究表明，隨著污泥摻量增加，陶粒的孔隙率和吸水率均降低，分別從56.1%、30.5% 降至45.5%、13.2%。松散容重由471kg/m3升高到610kg/m3。在污泥與黏土質量比為1:1時，所得陶粒外表堅硬，強度很好，表面粗糙，成球較好。研究還證明：
隨著污泥含量增加，污泥陶粒1h吸水率先增大后減小，污泥含量為40%時，1h吸水率最大，為10.6%；而污泥含量為25%時，1h吸水率最小為4.2%；
添加污泥含量增加，陶粒堆積密度先減小后增大，污泥為40%時，最小值為388kg/m3；
陶粒的表觀密度隨著污泥的含量占比總體變化不大，污泥含量40%時，陶粒最輕為490kg/m3。故污泥摻入量應適宜，若摻入量太多，陶粒會發生炸裂，造成產品較差。曲烈等以污泥與玻璃粉制備陶粒，摻入污泥65%、70%、75%和80%時，預熱溫度600℃，焙燒溫度1100℃。隨著污泥摻量增加，陶粒堆積密度下降，吸水率增加，污泥為65-75%時，陶粒吸水率變化較小，抗壓強度較高，因為玻璃粉會在高溫下產生液相，推動固相反應，陶粒抗壓強度變大。當污泥含量超過80%時，陶粒吸水率急劇上升，液相減少，大量氣體無法被包裹而從陶粒內沖出，使得陶粒發生破裂。
3.2
預熱制度對陶粒生產的影響
預熱制度在陶粒生產中主要有兩個作用：
(1)減輕部分陶粒質量，使剛成球的陶粒中有機質揮發而去除；
(2)水分在焙燒升溫過程中蒸發速度過快，陶粒球將會發生炸裂，預熱制度可以去除生料球中的水分，提高強度性能和獲得超輕陶粒。要提高陶粒的生產效率，須控制適宜的預熱溫度和預熱時間，有利于焙燒過程的完成，預熱制度對陶粒性能的影響見表3。
研究證明，選用污泥和海泥混料并添加碳酸鈣制備陶粒，海泥、污泥和碳酸鈣占比為50% 、40%、10%，選擇焙燒溫度為1120℃，焙燒時間為12min。當預熱溫度為350℃，發現陶粒的堆積密度隨著預熱時間和預熱溫度的增加而下降，分別從580kg/m3 降 到550kg/m3 和567kg/m3 降到556kg/m3 ，對陶粒的抗壓強度略有影響，均為5.35MPa左右。隨著預熱時間的增加，陶粒的吸水率從16.8%降到16%。最終確定預熱溫度350℃、預熱時間20min。研制還發現隨著預熱時間的增加，所得陶粒抗壓強度增大，堆積密度減小。
3.3
焙燒制度對陶粒生產的影響
陶粒的抗壓強度，堆積密度，吸水率和顆粒密度等性能是衡量陶粒燒制質量的重要參數，且焙燒制度的影響比污泥摻量和預熱制度的影響更大，應控制合適的焙燒溫度和焙燒時間。
(1)焙燒溫度的影響
焙燒溫度是陶粒燒制過程中的主要影響因素之一。溫度較低時陶粒表面產生釉質層，使陶粒外層變得緊密；溫度上升，因發泡劑生成氣體增多而膨脹，液相量增多，黏度減小，陶粒外部生成一定量、有黏度的軟化液相。在形成半熔性球體時，料球內部還原反應充分，膨脹效能最好；溫度過高，可能造成陶粒破裂。
(2)焙燒時間的影響
陶粒焙燒初期，生料球內發生一系列化學反應，釋放氣體而留下孔洞，助熔劑及玻璃態物質開始熔融，阻礙氣體排出而膨脹；延長焙燒時間，陶粒表面液相量相繼增多，由于液相表面張力作用，使固體顆粒相互接近，液相填充到氣孔中，會促使坯體致密化，冷卻后變成玻璃相使表面積增加，導致吸水量和表觀密度急劇下降。
四、污泥陶粒的應用
污泥陶粒在水處理材料、建筑材料、吸聲材料、無土栽培材料、植物保肥材料等領域廣泛應用，污泥陶粒的典型應用及效果見表5。
4.1
在水處理材料中的應用
利用陶粒具有多孔性與吸附性，對COD、NH3-N、和TP的去除率分別達到94.27%、87.48%和59.98%；而同等普通陶粒去除率則為91.08%、79.46%和41.87%，顯示污泥陶粒的去除效果優越。
4.2
在建筑材料中的應用
陶粒具有質輕、保溫、隔熱的特點，用陶粒和膠結材料配制成輕集料混凝土和各種建材而得到廣泛應用。在干燥條件下表觀密度不大于1950kg/m3，自重輕、強度高（最高可達70MPa），保溫、隔熱性能優良0.233-0.523W/（m·k），僅為普通陶粒的12-33%，耐火特性好（1610℃）。與普通混凝土相比，陶粒具有強度可設計性等特點，可以制成陶粒混凝土塊，高強混凝土等材料，如陶粒混凝土復合保溫墻板、空心隔墻板等；高強混凝土材料可以用于橋梁工程，高層建筑框架等，污泥陶粒也將隨著陶粒的廣泛應用而拓展。
4.3
在吸聲材料中的應用
陶粒制備過程中由于燒脹等原因本身會產生較多孔隙，此外陶粒之間互相堆積也產生大量的微空隙，不同粒徑的陶粒對不同頻率的聲音有著不同的吸收效果，造就了陶粒吸音降噪性能優良。
五、結語
以污泥為原料生產污泥陶粒是污泥無害化處置與資源化利用的重要途徑。污泥陶粒的生產須根據市場需求、用途、品種確定合適的生產工藝，以實現污泥綜合利用的無害化和高效益化。應研究開發污泥陶粒生產新工藝、新品種，提升污泥陶粒的使用性能，進一步拓展污泥陶粒的應用領域和使用范圍，推進污泥無害化處置與資源化利用的產業發展。
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