頁巖污泥陶粒焙燒制度影響因素的研究

  據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部“公告2014年第26號(hào)”：2013年，全國投運(yùn)的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施共4136座，總設(shè)計(jì)處理能力1.61億立方米/日，平均日處理水量1.26億立方米；另據(jù)國家環(huán)境保護(hù)部2012年環(huán)境污染統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示：2012年城鎮(zhèn)生活污水排放量462.7億噸，比上年增加8.1%；占廢水排放總量的67.6%，比上年增加2.7個(gè)百分點(diǎn)。按照萬噸污水污泥產(chǎn)生量的平均值7.5t（80%水分）計(jì)算，2012年污泥產(chǎn)生量約為3500萬噸（80%水分）。顯而易見，隨著污水處理行業(yè)的快速發(fā)展，作為城鎮(zhèn)污水處理的必然副產(chǎn)物，污泥的處理處置問題變得前所未有的嚴(yán)峻和迫切。

  以污水廠的污泥作為主要原料，適量添加頁巖作為輔料，燒制成具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)陶粒和高強(qiáng)陶粒，不但可以消耗大量的污泥，而且可以降低處理成本，同時(shí)避免污泥二次污染，尤其符合固廢處理的無害化、減量化和資源化原則，具有廣闊的發(fā)展前景。

  頁巖污泥陶粒生產(chǎn)過程中的影響因素較多，除了生產(chǎn)管理等因素外，主要有原材料性能（即原料配比）、預(yù)燒溫度和預(yù)燒時(shí)間、燒成溫度和燒成時(shí)間的影響。本研究通過不同污泥摻加量的配合比設(shè)計(jì)，不同預(yù)燒制度和燒成制度下的陶粒成品性能變化，提出適宜于頁巖污泥陶粒的焙燒制度。

  1 實(shí)驗(yàn)原料和方法

  1.1實(shí)驗(yàn)原料及基本性能

  本實(shí)驗(yàn)采用污水處理廠經(jīng)干燥處理的污泥和遼寧朝陽頁巖原料，原料基本性能如表1所示。

  表1  原料的基本性能

  1.2實(shí)驗(yàn)方法

  分別將破碎處理后的原料按照重量比進(jìn)行配料，加入18%～22%的水拌合均勻，經(jīng)手工制成7mm～10mm的生料球；生料球在100℃±5℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至恒重，隨后轉(zhuǎn)至事先設(shè)定并升至預(yù)定溫度的箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行要求時(shí)間的預(yù)燒處理；預(yù)燒處理后的料球再轉(zhuǎn)入預(yù)定溫度的箱式高溫爐內(nèi)進(jìn)行要求時(shí)間的燒制，燒制好的陶粒自然冷卻至室溫。按照GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法 第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：堆積密度、1h吸水率。

  陶粒的制備過程如圖1所示：

  圖1 實(shí)驗(yàn)室陶粒制備流程圖

  2 配合比設(shè)計(jì)

  配合比設(shè)計(jì)旨在研究在污泥頁巖陶粒生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)污泥的最佳摻加量的工藝參數(shù)。試驗(yàn)中污泥（75%的含水率）的摻加量分別為30%、40%、50%和60%。設(shè)計(jì)的配合比例如2所示。

  表2污泥頁巖陶粒配合比設(shè)計(jì)

  3 預(yù)燒溫度、預(yù)燒時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)

  本試驗(yàn)將表2-1中的配合比1-1～1-5分別在400℃、500℃、600℃的電阻爐中分別預(yù)燒5min、10min、15min、20min后，置于焙燒溫度為1150℃的高溫爐中燒制10min，取出進(jìn)行陶粒性能測(cè)試。預(yù)燒時(shí)間對(duì)陶粒性能的影響見圖2～圖6，預(yù)燒溫度對(duì)陶粒性能的影響見圖7～圖11。

  由圖2～圖6可知,以頁巖單獨(dú)為原料的配比1-1，隨著預(yù)燒時(shí)間增長(zhǎng)陶粒樣品的堆積密度逐漸增大。

  同一預(yù)燒溫度下，隨著污泥摻加量的增加，預(yù)燒時(shí)間逐漸加長(zhǎng)。

  在400℃預(yù)燒溫度下，污泥摻加量為30%、40%、50%、60%（配比1-2、1-3、1-4、1-5）時(shí)的最佳預(yù)燒時(shí)間為10min、15min、15min和20min。

  在500℃預(yù)燒溫度下，污泥摻加量為30%、40%、50%、60%（配比1-2、1-3、1-4、1-5）時(shí)的最佳預(yù)燒時(shí)間為10min、10min、10min和20min。

  在600℃預(yù)燒溫度下，污泥摻加量為30%、40%、50%、60%（配比1-2、1-3、1-4、1-5）時(shí)的最佳預(yù)燒時(shí)間為10min、10min、15min和15min。

  由圖7～圖11可知, 同一預(yù)燒時(shí)間下，隨著污泥摻加量的增加，預(yù)燒溫度趨于提高。

  污泥摻加量為30%、40%（配比1-2、1-3）的最佳預(yù)燒溫度為500℃。

  污泥摻加量為50%、60%（配比1-4、1-5）的最佳預(yù)燒溫度為600℃。

  由此可見，以頁巖為輔助原料，隨著污泥原料摻加量的增加，需適當(dāng)提高預(yù)燒溫度，延長(zhǎng)預(yù)燒時(shí)間，以保證陶粒的膨脹性能。頁巖污泥陶粒各配比預(yù)燒制度優(yōu)化確定見表3。

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  表3 頁巖污泥陶粒的預(yù)燒制度

  4 焙燒溫度、焙燒時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)

  本實(shí)驗(yàn)將表2中的配合比1-1～1-5分別在各自的預(yù)燒制度下預(yù)燒，預(yù)燒后的生料球在1050℃、1080℃、1100℃、1130℃、1150℃、1180℃、1200℃的溫度下進(jìn)行焙燒時(shí)間為5min、10min、15min、20min的單因素實(shí)驗(yàn)，焙燒好的陶粒樣品進(jìn)行陶粒性能測(cè)試。焙燒時(shí)間對(duì)陶粒性能的影響見圖12～圖16，焙燒溫度對(duì)陶粒性能的影響見圖17～圖21。

  通過頁巖污泥的焙燒溫度、焙燒時(shí)間單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示，配比1-1～配比1-5的陶粒性能均呈相同的趨勢(shì)，即在同一燒成溫度下，隨著燒成時(shí)間的延長(zhǎng)，陶粒堆積密度和1h吸水率呈逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)燒成時(shí)間超過15分鐘后，陶粒將會(huì)產(chǎn)生熔融現(xiàn)象，形成過燒；在同一燒成時(shí)間下，隨著燒成溫度的逐漸增加，陶粒的堆積密度和1h吸水率逐漸降低，當(dāng)燒成溫度高于1150℃時(shí)，陶粒的堆積密度有的會(huì)提高，此時(shí)陶粒產(chǎn)生熔融，形成過燒現(xiàn)象。

  綜合燒成時(shí)間、燒成溫度與堆積密度、吸水率的關(guān)系，配比1-1的較佳的燒成時(shí)間為10分鐘，較佳的燒成溫度尾1120℃，其他配比的較佳燒成時(shí)間和燒成溫度分別為15分鐘和1120℃，燒成溫度范圍在1050℃～1150℃。

  不同燒成溫度與燒成時(shí)間下的陶粒堆積密度為300～500級(jí)。

  5 結(jié)論

  （1）以含水率75%計(jì)算的污泥為主要原料，摻配適宜性質(zhì)、摻配量的頁巖為輔助原料，可燒制出符合GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)密度等級(jí)要求的陶粒。

  （2）采用實(shí)驗(yàn)中選取的頁巖為輔助原料，污泥（以含水率75%計(jì)算）的最高摻加量可達(dá)60%，可燒制成密度等級(jí)為300級(jí)～500級(jí)的陶粒。

  （3）通過實(shí)驗(yàn)研究，提出實(shí)驗(yàn)室頁巖污泥陶粒的焙燒工藝參數(shù)，如表4所示。

  表4  頁巖污泥陶粒焙燒工藝參數(shù)