污水污泥頁巖建筑材料制備與性能研究.pdf

1、城市生活污水處理將產生大量含水率非常高的污水污泥，已成為城市化快速發(fā)展過程中必須面臨的重大環(huán)境問題之一?，F有的污水污泥填埋、堆肥、焚燒等處置方式要么無害化不徹底，要么成本過高，難以處置排放量迅速增長的污水污泥，因此研究新的污水污泥資源化利用方式非常必要。本論文根據頁巖建筑材料對原材料的要求和燒制過程的特點，將高含水率污水污泥與來源廣泛的頁巖進行混合，以污水污泥中的水分作為頁巖建筑材料制品生產過程中必須外加的水分，同時利用污水污泥中有機物

2、來補充頁巖建筑材料制品燒制過程中的熱值，使得污水污泥用于頁巖建筑材料制備具有技術經濟和環(huán)保優(yōu)勢。
　　 本文研究首先根據頁巖陶粒和燒結磚制備對于原材料的要求，選擇了不同處理工藝的污水處理廠經過壓濾脫水后得到的高含水率污水污泥，研究了污泥粒徑分布范圍、化學與礦物組成等，并與頁巖進行對比，還研究了污水污泥與頁巖混合后的塑性指數，另外，還采用TG-DTA對污水污泥的熱值進行了分析。結果顯示污水污泥的化學、礦物組成與頁巖比較接近，顆粒非

3、常細小，主要集中0.15mm以下，且具有較高的塑性指數，與頁巖混合后可以明顯改善頁巖的塑性，適合頁巖陶粒的成球和頁巖燒結磚坯的制備，頁巖陶粒料球抗沖擊性能明顯增強。另外，污水污泥放熱量較大，在250℃～550℃的升溫過程放出熱量可超過3000J/g。
　　 本文進行了污水污泥頁巖燒結磚的研究，先固定污泥摻量，變化燒成溫度、升溫速率和保溫時間等因素，進行實心和多孔污泥頁巖燒結磚的燒制。結果表明污泥摻量30％時可以燒制出體積密度16

4、00 kg/m3左右，抗壓強度10MPa以上的實心磚，摻加污水污泥可明顯降低燒結磚的體積密度，但也同時增加燒結磚的收縮。通過測定不同污泥摻量和不同燒成溫度下的燒結磚收縮率變化，同時采用SEM進行微觀結構分析，結果表明污水污泥摻入后，較低溫度下頁巖燒結磚的微觀結構從致密的塊狀轉為較為分散的層片狀結構，密實程度較低，隨著溫度升高到900℃時，顆粒堆積緊密程度明顯增加，但溫度過度升高則產生的液相完全浸潤包裹固體顆粒，微觀上表現為致密的板狀結構

5、，宏觀上表現非常大的體積收縮。因此，污水污泥摻入后控制頁巖燒結磚的燒成溫度非常重要。對污水污泥頁巖磚性能分析還發(fā)現當污泥摻量過高時會出現比較嚴重的泛霜。
　　 本文重點研究了污水污泥用于頁巖陶粒的燒制，通過改變污水污泥摻量、預熱溫度和時間、焙燒溫度和時間等因素，研究了陶粒的顆粒表觀密度、強度和吸水率等性能。結果顯示，污水污泥將明顯提高頁巖陶粒的燒脹性能，含水率80％左右的污水污泥摻量為20％～30％，燒脹溫度達到1150℃時，可

6、獲得顆粒表觀密度500kg/m3左右的超輕陶粒。還進一步研究燒制工藝參數對陶粒性能的影響，結果表明預熱時適當降低溫度和縮短時間，焙燒時適當提高溫度和延長時間有利于獲得輕質污泥頁巖陶粒。
　　 為了更好了解污水污泥在頁巖陶粒燒脹過程中的作用，本文還采用SEM、XRD、IR和TG-DTA手段，研究了摻加污水污泥的頁巖陶粒的內部結構、礦物組成、Si-O四面體聚合度以及高溫焙燒熔融變化情況。結果顯示，污水污泥頁巖陶粒的主要礦物為α-石英

7、(α-SiO2)、藍晶石(Al2O3·SiO2)及鈣長石(CaO·2Al2O3·2SiO2)等，隨著污水污泥摻量增加時，陶粒中Fe的價態(tài)由赤鐵礦(Fe2O3)向方鐵礦(FeO)轉變，反映了陶粒料球焙燒時還原環(huán)境的增強，此時，陶粒礦物中的Si-O對稱伸縮振動波數降低明顯，Si-O四面體的聚合度明顯降低，架狀結構的橋氧大量斷裂，從而表現為焙燒時陶粒的熔融溫度降低和熔融程度增加；污水污泥能促使陶粒內部產生大量孔結構，污泥摻量過多時會出現孔結構

8、的連通和坍縮，隨預熱溫度提高，陶粒表層殼結構增厚，焙燒溫度越高，焙燒時間越長，陶粒內部孔結構尺寸變大，并逐漸由孤立到連通，最后合并成大孔。
　　 本文最后研究了污水污泥中的重金屬在陶粒和燒結磚燒制過程中的揮發(fā)情況以及在使用過程中的浸出情況?？紤]到污水污泥中重金屬可能的含量范圍，選取具有代表性的重金屬Zn、Cu、Cr、Pb、Ni，通過外摻重金屬化合物以擴大污水污泥中的重金屬含量，研究最為不利條件下污水污泥頁巖建筑材料生產和使用過程

9、中的環(huán)境特性。結果顯示，在相同燒成溫度下，與純污水污泥焚燒相比，污水污泥頁巖陶粒和燒結磚的重金屬揮發(fā)量明顯降低；另外，污水污泥頁巖陶粒和燒結磚中的重金屬浸出濃度都非常低，符合浸出毒性的安全標準；相比而言，陶粒比燒結磚對污水污泥中的重金屬有更好的固化能力。
　　 可以認為高含水率的污水污泥與頁巖混合制備陶粒和燒結磚不僅可以充分消納污水污泥，還能提高頁巖建筑材料制品的性能，是污水污泥資源化最為有效和最為環(huán)保的技術途徑；本研究條件下，