粉煤灰与污泥制备陶粒工艺研究

（ＩＣＰ－ＡＥＳ）；ＤＨＧ－９１４３ＢＳ?Ⅲ 型 电 热 恒 温 鼓 风 干 燥 箱；ＢＳ３２３Ｓ 电子分析天平；ＫＣＭ－１００ 电 动 制 丸 机；ＫＳＷ－４ 箱 式 节 能 电 阻 炉；２００目 试 验 筛；Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡＳＡＰ２０２０ 型 比 表 面 积 测 定 仪 ；ＫＣ－３ 数 显 颗 粒 强 度 测 定 仪 。
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文 章 编 号 ：１００７－２２８４（２０１５）０４－０１３８－０５
中 国 农 村 水 利 水 电 ·２０１５ 年 第 ４ 期
粉煤灰与污泥制备陶粒工艺研究
邵 青１，周 靖 淳１，王 俊 陆１，王 红 萍２，黄 种 买２
（１．武汉大学土木建筑工程学院，武汉 ４３００７２；２．武汉大学资源与环境科学学院，武汉 ４３００７２）
与 此 同 时，随 着 我 国 城 市 污 水 处 理 厂 数 量、规 模 的 日 益 增 大，也带来了大量剩余污泥的处置 问 题。 对 污 泥 的 有 效 处 置 和 资源化利用已成为当今污水处理领域的研究热点。当前剩余 污泥的处理技术主要有填埋、焚烧、堆 肥、消 化、制 备 活 性 炭、热 解［６］等 。与 粉 煤 灰 的 利 用 一 样 ，Ｎａｋｏｕｚｉ等 最 ［１９］ 早 提 出 了 以 污 泥为原料，掺 加 适 量 辅 料，经 过 成 球、焙 烧 而 成 污 泥 陶 粒 的 方 案 。随 后 ，科 技 人 员 开 始 将 污 泥 作 为 原 料 制 备 建 材 产 品 和 ［７－１２］ 水 处 理 陶 粒 滤 料 。 ［１３－１７］ 研 究 表 明［１８］：利 用 污 泥 烧 结 陶 粒 可 以 节省黏土的用量，同 时 污 泥 中 含 有 的 有 机 质、磷、钾、氮 以 及 各
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｅｒａｍｓｉｔｅ ｗｉｔｈ Ｆｌｙ Ａｓｈ ａｎｄ Ｓｅｗａｇｅ Ｓｌｕｄｇｅ
ＳＨＡＯ Ｑｉｎｇ１，ＺＨＯＵ Ｊｉｎｇ－ｃｈｕｎ１，ＷＡＮＧ Ｊｕｎ－ｌｕ１，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｐｉｎｇ２，ＨＵＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ－ｍａｉ ２
收 稿 日 期 ：２０１４－１１－２０ 基 金 项 目 ：国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 （２０１２ＢＡＪ２１Ｂ０６）。 作者简介：邵 青（１９６９－），女，博 士，从 事 水 污 染 控 制 技 术 的 研 究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｓｈａｏ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
水及 含 磷 废 水 、含 氟 废 水 、含 铬 废 水 等 。 ［２－５］ 利 用 粉 煤 灰 生 产 陶粒是一条很好的粉煤灰资源化的途 径，具 有 良 好 经 济 效 益 和 社 会 效 益 ，应 用 前 景 广 阔 。
为 实 现 经 济 和 环 境 效 益，本 文 以 粉 煤 灰、污 水 处 理 厂 剩 余 污泥这两种废弃资源为主要原料进行 陶 粒 制 备 正 交 试 验 ，将 比 表面积、抗压强度、吸水率和堆积密 度 作 为 陶 粒 性 能 评 价 指 标 ， 考察污泥和粉煤灰 的 配 比、预 热 时 间、预 热 温 度、烧 结 时 间、烧 结温度等因素对陶粒性能的影响，并对 陶 粒 本 身 固 定 重 金 属 能 力进行了考察。
（１）配比的 选 择。 除 了 资 源 化 利 用 的 目 的 外，原 料 中 添 加 粉煤灰是利用其化学组成使制备的陶粒具有较高的强度。污 泥的添加则可以使得陶粒在烧结工艺中具有低温制备的特性，
继而减少能量的投入量，起到节约 能 耗 的 作 用。 少 量 黏 结 剂 与 成孔剂的辅助添加是考虑到对生料球的成球与烧结陶粒的成 孔率都有较好的促进作用。本试验考察的粉煤灰∶污泥∶黏 结剂和成孔剂的配 比 水 平 分 别 为 ４∶５∶１、５∶４∶１、６∶３∶１ 和 ７∶２∶１。
１．２ 制 备 方 法
污泥、粉煤灰和一定量的黏结剂 和 成 孔 剂 经 烘 干、粉 碎，并 通过 ２００ 目标准筛进行筛分后将四者按照不同配比进 行 混 均， 加水塑化成球，置于 烘 箱 中 烘 干，再 放 于 高 温 电 阻 炉 中 经 预 热 和 烧 结 过 程 ，冷 却 后 完 成 陶 粒 的 制 备 。
摘 要：以粉煤灰和污水处理厂剩余污泥为主要原料，开展了粉煤灰污泥陶粒的制备工艺研究。利用 正 交 试 验 研 究 了材料配比、预热时间、预热温度、烧结时间、烧结温度等因 素 对 陶 粒 制 备 工 艺 及 性 能 的 影 响 。 结 果 表 明：无 论 是 制 备 建 筑骨料还是水处理滤料，烧结温度及配方比例的控制是最重要的因素。如果用于建筑骨料，建议配方中各 组 分 质 量 分 数 为粉煤灰７０％，污泥２０％，黏土及煤粉１０％，控 制 预 热 温 度 ４５０ ℃，预 热 时 间 １５ ｍｉｎ，烧 结 温 度 １ １５０ ℃，烧 结 时 间 ２０ ｍｉｎ；如果用于水处理滤料，建议配方中各组分质量分数为粉煤灰４５％，污泥４５％，黏土及煤粉１０％，预热温度４００ ℃，预 热时间１５ｍｉｎ，烧结温度１ ０５０ ℃左右，烧结时间２５ｍｉｎ。 关 键 词 ：粉 煤 灰 ；剩 余 污 泥 ；陶 粒 ；烧 结 温 度 ；污 泥 掺 量 中 图 分 类 号 ：Ｘ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｅｒａｍｓｉｔｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｆｒｏｍ ｆｌｙ ａｓｈ ａｎｄ ｓｌｕｄｇｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｔｅｓｔｓ，ｉｎ－ ｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａ，ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ａｒｅ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｐｒｏ－ ｄｕｃｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ．Ｆｏｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｇｇｒｅｇａｔｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｔ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ２０％，ｆｌｙ ａｓｈ ７０％ ａｎｄ ｐｏｒｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ １０％．Ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅ ４５０ ℃ ａｎｄ １ １５０ ℃，Ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｒｅ １５ｍｉｎ ａｎｄ ２０ｍｉｎ．Ｆｏｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｃｅｒａｍｓｉｔｅ ｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ４５％，ｆｌｙ ａｓｈ ４５％ ａｎｄ ｐｏｒｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ １０％．Ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ４００ ℃，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｉｓ １ ０５０ ℃ ａｎｄ ｐｒｅｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｒｅ １５ｍｉｎ ａｎｄ ２５ｍｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｙ ａｓｈ；ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ；ｃｅｒａｍｓｉｔｅ；ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ
目前，粉煤灰资源化是世界各国国 民 经 济 发 展 中 的 一 个 重 大课题。粉煤灰陶粒是用粉煤灰加入部分其他原料经粉磨后 加工成球，烧结或 直 接 养 护 制 备 而 成，具 有 密 度 小、质 量 轻、保 温隔热效果好、耐 火、抗 渗、抗 冻 及 耐 久 性 能 好 的 特 点，因 此 被 大量应用于生 产 各 种 建 筑 材 料［１］。 此 外，由 于 其 比 表 面 积 大 、 表面能高，且内部存在着铝、硅氧化物 等 活 性 点，具 有 良 好 的 吸 附性能，可作为一种廉价的吸附剂用作 水 处 理 滤 料 处 理 生 活 污
表 １ 粉 煤 灰ｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｙ ａｓｈ
成分 ＳｉＯ２ ＡＬ２Ｏ３ Ｆｅ２Ｏ３ ＣａＯ ＭｇＯ Ｎａ２Ｏ Ｋ２Ｏ Ｌｏｓｓ
质量分数 ５３．８５ ２６．５０ ４．０６ ３．２０ １．３０ １．１２ １．１８ ８．６９
黏 结 剂 ：经 红 土 化 作 用 形 成 的 高 塑 性 黏 土 － 普 通 红 黏 土 。 成 孔 剂 ：选 自 湖 北 华 高 耐 火 材 料 有 限 公 司 所 销 售 的 红 煤 粉 。 设备：ＩＲＩＳＩｎｔｒｅｐｉｄ１１ＸＳｐ 全 谱 直 读 等 离 子 体 发 射 光 谱 仪
（２）预热温度的选择。预热的目 的 是 为 了 避 免 生 料 球 进 入 高温状态后受到急剧变化而引起炸裂。同时也为了使生料球 轻质化而将大部分有机质被热解后以气体的方式得以去除。 采用合适的预热温度有利于后续的烧 结 过 程 并 降 低 能 耗 ，从 而 提高生产效率。文献［９－１１］研 究 表 明，污 泥 中 绝 大 部 分 有 机 物会在３００～３５０ ℃充分分解。降低预热温 度 会 使 更 多 的 碳 进 入产气反应发生阶段，有利于陶粒 的 膨 胀。 本 文 考 虑 到 配 方 中 含有较大比例粉煤 灰，因 此，预 热 温 度 水 平 仍 然 选 取 ３５０、４００、 ４５０、５００ ℃。
１ 污 泥 粉 煤 灰 陶 粒 的 制 备 与 性 能 评 价 方 法