■沈 桃，劉瀟灑，蔣貴思 ■揚(yáng)州江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，江蘇 揚(yáng)州 225101

1 前言

污泥(包括生活污泥、工業(yè)污泥和湖河底泥)中含有大量重金屬、病菌、毒性有機(jī)質(zhì)等，已成為影響水質(zhì)及水域生態(tài)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，但這些方法并未根本上解決污泥的潛在危害。利用污泥燒制陶粒，既實(shí)現(xiàn)了污泥的無害化處理，又具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)城市污水廠污泥制備陶粒進(jìn)行研究，目的在于為城市污水廠污泥找到一條經(jīng)濟(jì)可行的資源化道路，以消除城市污水廠污泥對(duì)環(huán)境的潛在危害，降低污水處理廠的運(yùn)行成本。陶粒燒制過程中有機(jī)質(zhì)可以作為發(fā)泡物質(zhì)，因此，利用城市污水廠污泥燒制陶粒，不僅充分利用了污泥中有機(jī)質(zhì)，而且污泥中的無機(jī)成分也得到了利用。

美國Nakouzi S［1］等人通過研究，發(fā)現(xiàn)回收或再利用污泥，根據(jù)C.M Riley(1951)所述，陶粒要燒脹必須滿足2個(gè)條件:(1)原料被加熱到高溫時(shí)，必須生成黏性的玻璃相，能密封住由原料內(nèi)部釋放出的氣體;(2)高溫下生成黏性的玻璃相后必須有氣體物質(zhì)釋放。

國內(nèi)學(xué)者重慶大學(xué)黃晶［2］研究陶粒膨脹性認(rèn)為影響陶粒原料主要因素是化學(xué)成分、礦物成分、物理性能及工藝條件，其中原料的化學(xué)成分是導(dǎo)致陶粒膨脹的主要因素，當(dāng)SiO2含量在75%以上時(shí)，由于液相粘度太大，坯料幾乎不能膨脹;當(dāng)Al2O3含量大于25%時(shí)，會(huì)使燒成溫度過高，對(duì)燒脹不利。

2 陶粒燒制中物理化學(xué)變化

污泥陶粒的燒制過程有幾道工序，這幾道工序過程中會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，直到冷卻至室溫，陶粒礦物組成與內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、強(qiáng)度提高，陶粒產(chǎn)品得以形成。

2．1 干燥階段

室溫～105℃左右。這一階段發(fā)生的物理化學(xué)變化主要是生料球中濕存水和調(diào)和水的蒸發(fā)，隨著水分的排出，生料球會(huì)發(fā)生如下變化［3］:(1)料球的質(zhì)量減輕;(2)體積收縮。

2．2 預(yù)熱階段(200℃ ～400℃)

這階段發(fā)生的物理化學(xué)變化主要是料球內(nèi)部水分蒸發(fā)和排出，料球發(fā)生如下變化［7］:(1)生料球水分排出，氣孔增加，孔隙變多;(2)坯體所含自由水和間隙水的解吸附和蒸發(fā)溢出。

2．3 氧化分解階段(400℃～1000℃)

陶粒原料中往往含有碳素、硫化物和有機(jī)物，在400～800℃，這些物質(zhì)析出揮發(fā)物和干餾產(chǎn)物。在快速升溫和缺氧條件下，有機(jī)物要完全氧化需要更高的溫度，同時(shí)還有碳酸鹽的分解。

(1)有機(jī)物分解［4］，這過程有機(jī)分解如式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)。

(2)碳酸鹽分解。陶粒中的碳酸鹽在500℃左右開始受熱分解并釋放出CO2氣體，其反應(yīng)式如式(3-4)、式(3-5)、式(3-6)，碳酸鹽的結(jié)晶完整程度以及升溫速度與氣氛都影響碳酸鹽的分解，碳酸鹽分解如下［5］。

2．4 高溫階段(1000℃ ～1200℃)

(1)此階段為陶粒的燒結(jié)階段，氧化分解反應(yīng)繼續(xù)，陶粒燒結(jié)階段為莫來石的生成和陶粒強(qiáng)度的增加，其反應(yīng)式［6］如式(2-7)～式(2-10)。

(2)在坯料中存在的碳酸鹽類一般在1000℃時(shí)基本上分解完畢，鐵的氧化物還原分解反應(yīng)過程主要有以下幾類反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)式［7］如式(2-11)～式(2-14):

3 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3．1 初步實(shí)驗(yàn)

陶粒原料配比和燒成溫度是燒制陶粒兩個(gè)最主要因素。一是燒制優(yōu)質(zhì)陶粒的化學(xué)成分范圍，二是陶粒合適的燒成溫度范圍。燒制污泥陶粒原料質(zhì)量百分比的取值范圍:污泥為0% ～58%，黃土為22% ～100%，膨潤土為0%～54%。根據(jù)燒制優(yōu)質(zhì)陶粒范圍制定如表3-1實(shí)驗(yàn)配比。

表3-1 實(shí)驗(yàn)配比

燒制方案中燒成溫度是燒制陶粒的重要一步，而預(yù)熱溫度對(duì)燒制陶粒的性能方面影響不大，須對(duì)原料配比和燒制方案中的燒成溫度進(jìn)行綜合考慮。在參考相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出表3-2初步實(shí)驗(yàn)方案。

表3-2 污泥燒制陶粒初步試驗(yàn)方案

3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果討論

表3-2的實(shí)驗(yàn)方案燒制過程中，有三個(gè)階段的變化，變化如下:(1)干燥階段:即105℃左右，干燥后水分蒸發(fā)，料球外徑變小，內(nèi)部仍有少量水分，料球的顏色為干燥狀態(tài)下的顏色，即淺灰色;(2)預(yù)熱階段:預(yù)熱階段溫度在400℃左右，預(yù)熱后的料球顏色變暗，呈暗灰色，在預(yù)熱時(shí)間較長的情況下，陶粒表面與干燥箱底接觸的那一面呈暗黑色。說明陶粒在400℃預(yù)熱情況下，陶粒中有機(jī)物已經(jīng)有部分分解;(3)燒成階段:燒成階段溫度在1150℃左右，料球內(nèi)有機(jī)物燃燒殆盡，產(chǎn)生液相，說明在1150℃左右陶粒熔融釉化。

生產(chǎn)中是在預(yù)熱完成后迅速將陶粒轉(zhuǎn)移到燒成溫度下，有助于燒制膨脹性較好的陶粒;氣氛爐是程序控溫，程序控溫的特點(diǎn)是從預(yù)熱溫度緩慢升到燒成溫度，導(dǎo)致不能有理想的燒脹性能。

圖3-1為陶粒燒制3種不同的燒制溫度方案。

圖3-1 陶粒各配比燒制

根據(jù)圖中現(xiàn)象，總結(jié)如下:

(1)燒成溫度為1000℃情況下，陶粒配比不可燒制成球，燒制后的陶粒表面顏色暗黑，密度較高，手捏易碎與剛成球的陶粒強(qiáng)度相似。隨著陶粒料球中污泥比例逐漸變大，陶粒出現(xiàn)開裂且裂縫變大。表中的陶粒配比沒有真正燒成成品的陶粒。1000℃的燒成溫度下，陶粒的燒制強(qiáng)度沒有符合國家標(biāo)準(zhǔn)，因此1000℃沒有達(dá)到陶粒燒成溫度的要求。(2)燒成溫度為1100℃情況下，陶粒配比可燒制成球，陶粒表面顏色暗紅似磚，密度較高，有一定氣孔，污泥百分比較大時(shí)氣孔較多較好但強(qiáng)度較低。隨著陶粒中污泥的比例逐漸變大，陶粒出現(xiàn)開裂且裂縫變大。表中陶粒配比燒制出成品陶粒，1100℃的燒成溫度下能夠達(dá)到一定燒制強(qiáng)度甚至有的陶粒強(qiáng)度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可知1100℃達(dá)到或者接近陶粒的燒成溫度要求。(3)燒成溫度為1200℃情況下，陶粒配比可燒制成球，陶粒表面顏色暗灰且全部熔融黏在一起，黃土比重較大時(shí)強(qiáng)度較高，污泥比重較大時(shí)強(qiáng)度較低，內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)，質(zhì)量輕。陶粒配比都燒制成成品陶粒且熔融，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，即1200℃的燒成溫度下已經(jīng)完全超過了生產(chǎn)優(yōu)良陶粒的溫度。

4 總結(jié)

從1000℃未燒成，1100℃燒成和1200℃出現(xiàn)過燒現(xiàn)象可知，污泥燒制陶粒的燒成溫度應(yīng)該在1100℃ ～1200℃適宜。對(duì)于污泥、膨潤土和黃土配比，污泥配比適宜在10%～35%之間。鑒于黃土便于取材和污泥為廢棄的垃圾且有補(bǔ)貼政策，所以應(yīng)該適量多用污泥和黃土。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論方面的研究和文中對(duì)各影響因素的研究，可得出如下結(jié)論:(1)污泥在原料中配比應(yīng)在10% ～35%之間;(2)污泥燒制陶粒的燒成溫度應(yīng)該在1100℃ ～1200℃之間;(3)污泥燒制陶粒中預(yù)熱溫度應(yīng)該在200℃ ～400℃之間;(4)污泥燒制陶粒的燒結(jié)時(shí)間應(yīng)為不大于30min。

［1］Nakouzi.S.，Mielewski.D.，BallJ.C.，etal.Novel approach to Paint sludge recyeling［J］.Journal of Material Research，1998，13(1):53-60.

［2］黃晶.脫水污泥資源化利用研究-利用三葉回轉(zhuǎn)窯制備陶粒［D］.重慶:重慶大學(xué)，2009.

［3］杜欣.市政污泥燒結(jié)陶粒的工藝與配方研究［J］.四川建材，2009，35(148):61-63.

［4］Mun K J.Development and Tests of Lightweight Aggregate Using Sewage Sludge for Nonstructural Concrete［J］.Construction and Building Materials.2006，21:(7):1583-1588.

［5］邱珊.陶粒性能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系建立及凈水效能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］張靜文，徐淑紅，陳玲，姜佩華.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在電鍍污泥燒制陶粒中的應(yīng)用［J］.環(huán)?？萍?，2009(01):34-36.

［7］張振文，胡彭青，周海華，柳俊哲.基于固體廢棄物的高性能陶粒的研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(1):11-13.