前言
城市污水廠污泥的處理處置已成為我國市政工程的一大難題,目前,主要采用衛(wèi)生填埋、堆肥農(nóng)用、焚燒等處理處置方式,填埋穩(wěn)定性差且易污染地下水,堆肥農(nóng)用受污泥中重金屬含量影響較大,污泥焚燒則能耗太高。近年來,污泥資源化制磚技術(shù)得到了充分發(fā)展,但目前普遍停留在實驗階段。本文采用城市污泥為部分原料,進行了批量生產(chǎn)燒結(jié)普通磚(承重磚,240mm×115mm×53mm)和空心砌塊(非承重磚,190mm×190mm×190mm)的生產(chǎn)性試驗,研究了城市污泥燒結(jié)制磚技術(shù),并重點分析了磚體的物理力學(xué)性能(抗壓強度)和熱工性能,結(jié)果充分表明:污泥制磚是城市污泥處理處置有效方式。
1 試驗部分
1.1試驗材料
城市污泥取自南京市某污水處理廠,剩余污泥經(jīng)濃縮2消化2機械脫水處理后,含水率P=75%左右。試驗共取脫水污泥約20t，樣品污泥的有機物含量為37.76%,總氮1.875×104mg/kg，總磷6.545×103mg/kg，銅180.5mg/kg，鋅538.5mg/kg，鉛35.45mg/kg，汞3.585mg/kg，砷24.7mg/kg，六價鉻12.45mg/kg。
污泥經(jīng)干燥后(含水率P=55%左右)破碎機械篩分,去除其中的粗大顆粒。頁巖粉粘土均取自南京某新型建筑材料公司，其塑性指標分別為7.8和13，粘土級顆粒(d<01005mm)含量10.3%和25.6%，滿足制磚原料對塑性指數(shù)7～15，粘土級顆粒含量10%～60%的要求；兩者含水率分別為7%和11%。城市污泥和頁巖粉粘土主要組成成分見表1。
1.2 制磚工藝
在污泥制磚生產(chǎn)性試驗中，污泥干燥是重要的工藝環(huán)節(jié)，試驗在不改變磚廠生產(chǎn)工藝流程基礎(chǔ)上，利用磚廠現(xiàn)有干燥隧道窯(目的為干燥磚坯，150～200℃)來干燥污泥，干燥后，污泥含水率P=55%左右。干燥污泥與頁巖粉(粘土)按表2配比混合，經(jīng)陳化、成型制坯、干燥、焙燒等處理工序后，制成污泥燒結(jié)磚，工藝流程如圖1所示。
各工段主要工藝參數(shù)如下：原料計量預(yù)混，加水攪拌混合，控制含水率17%～19%；陳化均勻混合料顆粒間的空隙水分，制坯成型，成型壓力約為2.8～3.0MPa，磚坯含水率控制在16%～18%；坯體150～200℃隧道窯干燥，含水率降至6%以下，一般在3%左右；980～1060℃隧道窯焙燒、降溫，制成燒結(jié)磚。
1.3分析儀器和方法
抗壓強度：NYL2300型壓力試驗機，最大破壞負載法；熱導(dǎo)率：準穩(wěn)態(tài)平板測試裝置，熱線法；傳熱系數(shù)：紫微BW21212WT設(shè)備，標定熱箱法。
2 結(jié)果與討論
2.1污泥摻量對燒結(jié)普通磚抗壓強度的影響
干污泥摻量對燒結(jié)普通磚抗壓強度影響較大，圖2為抗壓強度與污泥摻量關(guān)系曲線，從圖2中可以看出，污泥摻量越高，磚體的抗壓強度越差。分析原因為：磚體燒結(jié)過程中，污泥中有機物揮發(fā)大量氣孔和孔洞，造成磚體抗壓強度下降。
摻加1.92%～5%污泥的粘土燒結(jié)磚抗壓強度在16.1～20.8MPa之間，當污泥摻加量在5%以下時，污泥粘土磚能夠達到國家標準《燒結(jié)普通磚》(GB5101-2003)中MU15強度等級要求，具有較好的承重性能，可作為承重墻體材料。如果污泥摻量減少為2.5%時，可以達到MU20強度等級要求，具有優(yōu)良的承重性能。
摻加1.92%～5%污泥的頁巖燒結(jié)磚抗壓強度在16.1～20.8MPa之間。由圖2可知,當污泥摻加量在6%以下時，污泥頁巖磚能夠達到國家標準《燒結(jié)普通磚》GB5101-2003中MU10強度等級要求，可作為承重墻體材料。如果污泥摻量減少為3.5%時，可以達到MU15強度等級要求，具有較好的承重性能。
同等污泥摻量時，污泥粘土磚抗壓強度優(yōu)于污泥頁巖磚，這是因為粘土原料SiO2和Al2O3含量要比頁巖粉高(表1)，燒結(jié)過程中生成的3Al2O3·2SiO2(莫來石，決定磚體機械強度的決定性因素)的量比頁巖磚高，提高了粘土磚的抗壓強度。其次，粘土中粘土級顆粒含量較高，在燒結(jié)過程中，形成燒結(jié)磚結(jié)構(gòu)致密，整體性強，抗壓強度高。
2.2 污泥摻量對頁巖空心砌塊抗壓強度的影響
圖3為頁巖空心砌塊抗壓強度與污泥摻量關(guān)系曲線，其變化趨勢與圖2基本一致，說明抗壓強度下降機理相同。污泥摻量4.45%頁巖空心砌塊抗壓強度為4.88MPa，與國家標準《燒結(jié)空心磚和空心砌塊》(GB13545-2003)最低MU2.5強度等級要求相比，完全可以滿足其作為填充墻(或隔離墻)的使用要求。污泥摻量在5%之內(nèi)的頁巖燒結(jié)空心砌塊，強度等級為MU3.5(GB13545-2003)，具有較好的承重能力。當污泥摻量較少至413%時，能夠達到與現(xiàn)行市售砌塊相同的MU5.0強度等級，具有優(yōu)良承重性能。
2.3 污泥摻量對頁巖燒結(jié)普通磚熱導(dǎo)率的影響
對上述頁巖燒結(jié)普通磚進行熱導(dǎo)率(氣態(tài)、干態(tài))測定，所得結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著污泥摻量增加,磚體熱導(dǎo)率降低,分析原因為：磚體燒結(jié)使污泥中有機物揮發(fā)，磚體內(nèi)部氣孔和孔洞增多，磚體熱傳導(dǎo)能力下降。4.45%干污泥摻量頁巖燒結(jié)普通磚熱導(dǎo)率為0.295W/(m·K)，較不摻加污泥的頁巖磚(0.312W/(m·K))降低了5.4%，磚體熱傳導(dǎo)能力明顯下降。
2.4 污泥摻量對頁巖燒結(jié)空心砌塊墻體傳熱系數(shù)的影響
分別對不同干污泥含量的頁巖空心砌塊墻體進行傳熱系數(shù)K測定，見圖5。由圖5可知，頁巖空心砌塊墻體的傳熱系數(shù)隨污泥摻量增加而降低，隨著污泥摻量的增加，磚體熱傳導(dǎo)能力下降，墻體傳熱系數(shù)隨之下降，隔熱保溫性能提高。頁巖空心砌塊由于摻入了一定量的尾礦(燒失量大,焙燒過程易形成孔洞)，熱工性能已經(jīng)大大改善，普通頁巖空心砌塊墻體的傳熱系數(shù)已經(jīng)能夠滿足《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134-2001)對外墻平均傳熱系數(shù)1.5W/(m2·K)要求。4.45%干污泥空心砌塊墻體傳熱系數(shù)為1.33W/(m2·K)，同比標準(JGJ134-2001)1.5W/(m2·K)的要求，節(jié)能效率可提高1.13%，墻體隔熱保溫性能得到明顯改善。
3 結(jié) 論
(1)磚體燒結(jié)過程中，污泥中有機物大量揮發(fā)，形成氣孔和孔洞，增加了磚體內(nèi)部微觀孔隙率，降低了磚體的抗壓強度，提高了磚體的熱工性能。
(2)污泥摻量在6%之內(nèi)的頁巖燒結(jié)普通磚，可以達到MU10以上強度等級(GB5101-2003)，可作為承重磚體使用。污泥摻量在5%之內(nèi)的頁巖空心砌塊，強度等級為MU3.5(GB13545-2003),可作為填充墻(或隔離墻)使用。
(3)4.45%干污泥摻量頁巖燒結(jié)普通磚熱導(dǎo)率為0.295W/(m·K)，較普通頁巖磚(0.312W/(m·K))降低5.4%，磚體熱傳導(dǎo)能力明顯降低。
(4)4.45%干污泥摻量頁巖空心砌塊墻體傳熱系數(shù)為1.33W/(m2·K)，比《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ134-2001)1.5W/(m2·K)的要求，節(jié)能效率可提高11.3%。
(5)在不改變磚廠生產(chǎn)工藝流程基礎(chǔ)上，利用隧道窯干燥污泥，普通隧道窯磚廠就可以進行規(guī)模化生產(chǎn)，并能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟和社會效益。
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