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污泥陶粒轻质焙烧多孔
目录
摘要................................................................1
第一章绪论........................................................1
1.1本文研究的背景和意义...........................................1
1.2污泥陶粒的研究现状.............................................2
1.2.1国外的情况................................................2
1.2.2国内......................................................3
1.2.3污泥陶粒在工程中的应用....................................4
1.3研究的目地.....................................................4
第二章试验原理、设备及试验操作..................................5
2.1试验原理、技术路线.............................................5
2.1.1.试验原理.................................................5
2.1.1.1.烧胀陶粒的原理.......................................5
2.1.1.2.烧胀原料的要求.......................................5
2.1.2.试验路线.................................................6
2.2主要试验设备...................................................7
2.3试验原料.......................................................7
2.4试验操作.......................................................7
2.4.1.生料成球.................................................7
2.4.2.生料球的预处理...........................................7
2.4.3.烧胀及冷却...............................................7
2.4.4.产品指标的测定............................................7
2.4.4.1污泥陶粒松散容重的测定.................................7
2.4.4.2污泥陶粒颗粒容重的测定.................................8
第三章试验结果及分析..............................................9
3.1初始配合比的确定................................................9
3.1.1初始配比...................................................9
3.1.2通过调节脱水污泥和高岭土的比例实验.........................9
3.1.3加入碳酸钙和铝粉的实验.....................................9
3.2污泥陶粒制备过程中主要因素对产品性能的影响.....................15
3.2.1焙烧温度的影响............................................15
3.2.2焙烧时间的影响............................................15
3.2.3预热温度的影响............................................15
3.2.4预热时间的影响............................................15
3.2.5干燥时间的影响............................................16
第四章总结及建议...................................................17
参考文献............................................................19
致谢.................................................................20
第一章绪论
1.1本文研究的背景和意义
以科学发展观为指导,以改善城市生态环境、促进社会经济可持续发展,是建设资源节约型、环境友好型社会的必由之路。
这一建立在以科学发展观为指导前提下的发展循环经济,就是构建节约型社会理念的基础。
因此,以技术可靠、经济合理、综合治理和利用为目标的新技术,就应当坚持科学研究,因地制宜,注重实效的思路来开展。
在目前,各地在对污水、污泥的处理处置中,主要采取临时填埋的处置方法,这种处理处置方法会影响周围环境,容易产生二次污染。
为此,就城市污泥而言,以焚烧技术进行资源化利用,就成为多元化、综合性处理处置污泥的主要模式。
这对于不断提高城市污泥的资源化和无害化,对于改善城市生态环境,促进社会经济可持续发展有积极意义。
本文针对这一现状,提出了利用污泥烧制陶粒新技术的发展与研究的新课题。
应当指出,循环经济是一种将经济体系与环境资源紧密结合的生态经济模式,它主张“减量化、再使用、再循环”的经济活动原则。
它是建立在物质不断循环利用的基础之上的,同时又要求经济运行,必须遵循“资源-产品-再生资源”的物质反复循环流动,也是一种环境友好型、资源节约型社会发展的经济模式。
由于废弃污泥泥源不一,呈现着多变性和多样性,质地各不相同。
这也决定了处理处置污泥的手段和方法的多种多样性,很难也不能以一种方法覆盖全貌。
有的污泥具有残存能源,干基竟达2000~5000大卡/公斤,这可作为再生能源,在一般窑炉作为燃料掺合使用;
有的存有贵重、稀有金属。
可作转、瓦原料予以利用,有的要以物理、化学方法交错技术予以无害化处置。
本文以利用废弃污泥烧制一种建材深加工的陶粒仅是出路之一。
那么,什么是陶粒?
陶粒是一种建筑材料,其外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体,但也有一些仿碎石陶粒不是圆形或椭圆形球体,而呈不规则碎石状。
【2】陶粒形状因工艺不同而各异。
它的表面是一层坚硬的外壳,这层外壳呈陶质或釉质,具有隔水、保气的作用,并且必须赋予陶粒较高的强度。
陶粒径,一般为5-25mm。
陶粒,一般用来取代混凝土中的碎石和卵石。
它能使混凝土在不减强度的前提下,大大减轻混凝土的自重。
陶粒,具有密度小、质轻、保温、隔热,而且有较好的物理性能,也可作为水处理中的一种滤料。
密度(kg/m3)
空隙率%
孔隙率%
IH吸水率%
筒压强度MPa
堆积
密度
颗粒
890
1500
2.61
41
42
10.9
10.8
>
30.0
随着经济的全面发展,陶粒在用于高层建筑、公路桥墩、海运码头、保温隔热、环保滤料等方面已开始广泛使用,并已得到市场的接受。
以废弃污泥烧制成陶粒,其意义有两:
一是经济意义。
二是社会环境效益。
利用污泥烧制陶粒,是针对某些有选择的污泥源,从而向建筑材料这个广阔领域去寻找出路,应该说这是一个方向。
从利用的投入和成品的产出的价值差,去权衡经济效益的可取性,是应该首要考虑的问题。
就经济意义而言。
污泥是一种废弃物,源头的材料是低价值的,烧制陶粒是正规工业,它有自身的原料品位要求。
这里所指的投入,其一是把“弃料”改造成“原料”所化的代价,及烧制过程中的相应费用。
从目前国内已有类似厂的实例说明,一立方米的陶粒从废弃污泥至成品,如以直接成本为A的话,其产品市场价值可达2A,应该说有50%的毛利,这是值得我们去追求的。
所以,最终经济效益是可取的。
二是有选择的利用污泥烧制陶粒,在技术上已是成熟的,目前市上已有众多的实例,随着经济的发展,市场的需求是呈上升趋势。
三是从其污泥源头来看,废弃污泥只能越来越多不会枯绝。
从以上三方面因素来看,推广上述方案无重大风险,它能较好地体现综合利用、资源化的总原则。
再从社会效益来看。
目前的河道淤泥形势严峻,在水库、湖泊、海岸、河道中,日积月累,渐渐地沉积起来越厚的泥层。
这不但使河床抬高,减少库容,降低通航能力,影响交通,而且又脏又臭,污染水体和环境,导致赤潮、蓝藻的爆发,影响生产和生活,更由于调蓄能力的降低、引洪能力的减弱,特别在汛期来临之时造成洪水泛滥,危及提防,水灾难免。
这是其一。
其二,城市污水处理厂的污泥,由于污水处理厂的日益发展,其终端废弃污泥的排放也日益增多,而它的特征是:
含水率高(多达70%−98%)难以焚烧,运输成本高,堆放占地面积大,直接填埋则会使填埋场提前报废;
其三,微生物、病原体含量高,不加处理,直接施用或弃置会污染食物链;
其四,恶臭污染环境,同时向大气排放温室气体(是二氧化碳的20倍);
其五,含有重金属,如果不加控制使用,可能污染土地,造成不可逆的耕地退化。
诚然,污泥的危害目前尚还鲜为人知,常常被非法取用,造成土地的重金属积累超标、土地板结,人类居住环境和食物被无意中污染和破坏。
另外,再从可持续发展的观点看。
经济的发展,不可避免的使工业会产生废弃的污泥排放量,这种面广、量大,且趋日增多的排放后果严重,不可避免地制约着可持续发展。
例如,造纸、皮革、电镀、机制、采油、运驳等等,由此产生的污泥又是有害,又是成分复杂。
以往传统做法常常任意流放,目前已到了无处可排、无地可堆的局面,现实的情况是已到了非解决不可的地步。
为了我国经济的可持续发展,为了我们的子孙后代,科学地、合理地处理处置污泥,已成为我辈不可推卸的历史重任【3】。
1.2污泥陶粒的研究现状
污泥陶粒技术在国内外的研究刚起步,目前的应用主要集中在将污泥作为一种陶粒烧制中的有机物添加剂,使用量少,只有10%左右,达不到大规模处置污泥的目的,其工艺条件和原料配比亟需优化。
1.2.1国外概况
1994年,美国威斯康辛(Wisconsin)公司建成世界上第一家利用城市污泥生产陶粒的工厂,年产量约10万m3,由于产品质量好,得到政府和污水处理厂补贴企业经济效益和社会效益很好【4】。
1.2.2国内情况
金坛市博大陶粒制品厂
一天80至100吨来自污水处理厂的污泥,与当地的膨润土按比例混合,经1200摄氏度高温烧制等工序后,从输送带滑落下来的,已经是新型绿色建材陶粒——这些陶粒,一个个鸽子蛋般大小,还带着余温。
17日,记者在金坛市博大陶粒制品厂见识了这一神奇过程。
本月初,省环保厅副厅长姚晓晴来此调研时称,直接将污泥处理制成建材陶粒,在全国还是第一家。
据了解,污水处理厂产生的污泥目前主要采用焚烧、填埋和堆肥三种处置办法。
但是,焚烧成本高,最高每吨需千元以上,低的也要二三百元;
填埋,人工投入大,还极易产生二次污染;
堆肥则要占用大片土地,且技术尚不过关。
由此,污泥无害化处理矛盾日益突出,成为全国亟待破解的重大难题,我省将其列为2009年全省7大突出环境问题的第一题。
金坛市博大陶粒制品厂原先以页岩作原料生产陶粒,因成本高、产量低而处于半停产状态。
去年,企业与西安墙体材料研究设计院合作,投入1000多万元改造生产工艺,利用薛埠方山的黄色膨润土资源,将污泥与膨润土混合匀化、陈化堆棚、对辊制粒、回窑转烧等制成陶粒,今年9月获得成功,真正实现了污泥无害化、资源化、效益化处理并利用;
而且每吨处理费用只要五六十元,产生效益却是它的十多倍。
这种陶粒密度小、质地轻,经环保、建材等各方面检测,比原来的混凝制品墙体建材更节能、更抗震、更保温、更环保,一经面世便被视为不可多得的绿色建材而大受欢迎,并被苏、浙、沪等地房屋开发商用作屋面和车库绿化层,产品供不应求。
据该厂总经理王谋泉介绍,随着住宅建筑观念的改变,选择陶粒作墙体保温建材已被许多房屋开发企业接受。
现在,该厂两条生产线一天能消化80至100吨污泥,等正常生产后日处理能力可达150至200吨,金坛市所有污水处理厂产生的污泥可日产日清,年生产15万立方米陶粒【5】。
记者同时获悉,金坛市本来准备投入2000多万元新建污泥焚烧厂的资金因此而省下;
并已出台污水处理厂污泥治理专项规划,到明年底,6个城镇污水处理厂除1个厂的污泥继续用于制作复合肥外,其余全部送博大陶粒制品厂制作陶粒,使全市包括印染、电镀、化工行业污泥在内的所有污泥无害化处置率达到100%。
台州市
记者从椒江区建设局获悉,我市拟建一条年产5万立方米陶粒生产线,将利用河道淤泥和污水厂污泥作为主要生产原料,设计日处理污泥能力达170吨,淤泥(干)120吨,这种利用污泥来生产陶粒产品的做法在国内还是首例。
生产线投产后,将大大缓解我市河道淤泥和污水厂污泥的处理压力。
据悉,随着我市水环境整治工作的推进,水质卫生有了较大提高,但是河道清淤和污水处理厂的运作也产生了大量的淤泥和污泥。
如何对这些污泥进行处理,也成为一个难题。
据了解,椒江污水厂日处理污水5万吨,平均每天产生污泥70吨,一年内已填满10多亩土地。
污水处理二期工程建成后,日处理污水量将达到15万吨,污泥量也将成倍增长。
由于椒江处理的化工污水较多,污泥无法风干,若有人员不慎跌入后果不堪设想。
同时,成堆的污泥也会给环境造成影响。
而拟建的这套生产线将利用河道清理淤泥作主要原料,污水(化工)处理污泥为主要辅助原料,再掺加少量外加剂生产出优质的各种级别陶粒,其各项指标均符合国家标准。
而陶粒及其制品的密度轻、相对强度高,隔热保温及耐火性能好,具有广阔的市场前景,真正实现了“变废为宝”,实现了污泥的资源化突破,破解了污泥处理难题【6】。
20世纪90年代以来,中国学者也进行了大量污泥质轻质陶粒的研究,并取得了一定的成果。
广州华惠轻质陶粒制品厂利用城市污水处理厂污泥,替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒获得成功,已经应用于实际生产,日处理污泥量已达到300t/d,过去注珠江口填海的污泥得以在利用[7]池长江等人在1995年以污泥为主要原料,掺以粘土和少量固体燃料研制生产出污泥陶粒,使污泥变废为宝,有利于改善环境污染,具有较好的社会效益和经济效益[8]。
1.2.3在工程中的应用
(1)用于配制轻骨料砼
陶粒可以配制CL2.5-C45Mpa,密度小于1950kg/m的轻骨料砼.
(2)用于生产轻质砌砖
轻质陶粒生产的轻质砌块具有节能环保、轻质高强、隔音隔热、耐火防潮等优良性能.
(3)用于生产轻质墙板
轻质陶粒生产的轻质墙板具有重量轻、强度高、保温、隔热、隔声、耐火、防潮性能好、抗震、抗冲击、收缩率小等优良性能.
(4)用于天面隔热、找坡
轻质陶粒用于天面隔热找坡具有隔热效果明显;
整体性好、施工简便;
抗压强度高;
可永久性使用;
屋面可以承重,且钢筋砼结构无需找坡,可以按使用要求铺设排水坡度,大大方便了设计和施工.
(5)用于楼地面、管道、厨、厕和软基础的回填和垫层
轻质陶粒用于垫层可提高楼层保温、隔热、隔音及承载力,可方便地面中管线的布置和安装,可防止楼地面回潮;
用于卫生间厕盆、浴缸回填,大大减轻了楼面荷载;
可方便公路软基础处理.
(6)用于天台花园绿化
轻质陶粒用于天台花园具有减轻楼面荷载,保护泥土不随水流失及快速疏通积水,并在炎热干燥时保持土壤水份和肥料的供给.
1.3研究的目的
本论文的目的是以城市污水处理厂脱水污泥作为原料制备污泥陶粒,并对污泥陶粒在废水处理实验中的应用性能进行检验。
本论文以污泥作为主要原料,以高岭土和碳酸钙、碳铝粉作为辅料来烧制陶粒滤料,对配料的最佳配比进行了筛选。
并考察了烧制过程中各主要因素(干燥时间、预热温度、预热时间、烧胀温度和烧胀时间)对产品性能指标(比表面积、松散容重和颗粒容重)的影响,最终根据做出样确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件,为此项污泥资源化技术的:
工业化应用奠定了坚实的基础:
然后,将污泥陶粒与普通商品陶粒作对照,检验其在废水处理实验中的性能,进一步论证了其在废水处理中的可行性,为污泥陶粒的推广应用提供了可靠的技术依据。
,
综上可以看出,以脱水污泥制备陶粒滤料,既解决了污泥的二次污染问题,同时又将污泥变“废”为“宝”,使其成为一种有用的资源,实现了经济效益、环境效益和社会效益的完美结合,走出了一条可持续发展的新路。
因此,本论文具有重要的理论意义和实际应用价值。
第二章试验原理、设备及试验操作
2.1试验原理、技术路线
污泥是由代谢的微生物尸体和吸附物组成,排放时含水量在99%以上,经过机械脱水后呈泥土状,含水率仍达80%左右。
我们以前处理脱水污泥主要是用填埋、焚烧、排海、堆肥等方法。
但由于现在许多城市的排水系统大多有工业废水排入,致使脱水污泥中的有害物质增多,另外脱水污泥经机械脱水时,加入的絮凝剂对土壤有板结作用,当用于农业应用时,易使土质恶化,同时污泥中的有害物质会在土壤中累积,病毒等也易污染土壤,直接或间接地危害人类的身体健康[9]。
这些使得脱水污泥的处理处置日趋困难。
部分地区的脱水污泥甚至没有经过处理,露天堆放,容易重新循环到环境中,再次造成污染。
一些发达国家和地区目前采用焚烧的方法处理脱水污泥,这样可以避免有害物质重新回到环境中造成污染。
但焚烧处理的费用较高,每吨污泥(含水率80%)的处理成本在200元左右[10]。
从我国的现状来看,脱水污泥的焚烧处理在经济上难以承受。
因而,我们有必要对脱水污泥的处理处置及资源化进行研究,找出适合我国国情的处理处置及资源化方法。
2.1.1.试验原理
国内目前对直接利用脱水污泥研制陶粒的报道很少,几乎都是污泥焚烧后再制陶粒,这种方法能耗大,且未能充分利用污泥中的有机成分。
上海建筑科学研究所对直接利用脱水污泥制陶粒的研究实验,所使用的为工业污泥[11],且只作配料,用量很少,占20%左右,未能达到大量处理脱水污泥的目的。
本试验用脱水污泥为主要原料制取陶粒,其污泥用量将达50%以上。
用脱水污泥制取陶粒不仅将污泥农用的风险减少,且能变废为宝,达到以废治废的目的,大大降低了处理脱水污泥的费用。
此外,利用污泥生产陶粒还可节约资源,减少堆放污泥的占地,还可使污水处理厂产生一定的经济效益。
2.1.1.1.烧胀陶粒的原理
关于陶粒的烧胀,许多专家认为,其原料应当满足下列两个条件才能产生膨胀[12]
第一、它应当有一定的化学组成,并有一定数量的对SiO2和Al2O3起助熔作用的熔剂,使物料在高温下产生足够粘稠的熔融物,以便能够包住气体,产生孔隙。
第二、原料应当含有能在物料达到熔融温度时分解放出气体,或是与其它物质反应放出气体的物质。
以上两个条件主要决定于原料的化学成分和矿物组成。
2.1.1.2.烧胀原料的要求
生产陶粒的原料不论采用什么原料,其对成分的要求都要适合一定的范围,否则达不到上述烧胀的两个条件。
对原料成分的要求Riley和Wilson做了大量的工作[13],通过对大量样品膨胀性能的研究,他们提出了一个以氧化硅、氧化铝和熔融物(氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠)为三个顶点的相图,如图3-1所示。
他们认为凡是原料组成在相图上特定区域内(图中阴影部分)的物质几乎都具有烧胀特性。
丹麦史密斯公司的专家根据对Leca陶粒的原料化学成分进行统计,认为具有一般烧胀性能的陶粒原料,其组成成分范围应如图2-1中所示[14]。
由于污泥富含有机质,在加热升温的过程中会发生反应,产生气体(主要是CO2、H2O、H2、CO、CH4、SO2等),可以满足上述的条件之一。
但污泥的无机成分不能满足对原料化学成分的要求,因此我们需要对原料的成分进行调整,添加一定的物质,使之满足条件。
2.1.2.试验路线
目前生产陶粒的方法主要有烧结、烧胀、蒸压和蒸养等[15]。
我们用于生产陶粒的主要原料是脱水污泥,由于其中含有大量的有机质和其它物质,因而采用蒸压和蒸养的方法都不可能。
我们研究的是陶粒,因此只能采用烧胀的方法生产。
另外,城市生活污泥制取陶粒的研究在成球工艺上一般有两种工艺,即使用成球盘的粉磨成球和挤压的塑化成球。
由于脱水污泥含水率较高(80%左右),而采用粉磨成球的原料必须先干燥粉碎后再成球,这样就将增加陶粒的生产成本。
所以我们采用挤压的塑化成球。
试验路线选定如图2-2、
图2-2试验路线
2.2主要试验设备
本试验采用的设备主要有:
架盘天平(Max=5000g,e=2g)一台
架盘天平(Max=100g,e=0.1g)一台
电热鼓风恒温干燥箱(300℃)一台
电阻炉温度控制器(1300℃)一台
箱式电阻炉(1300℃)一台
球磨机型号:
SQ.B,容积6.5L
标准筛国家统一标准筛,不绣钢网,直径20mm。
2.3试验原料
本试验采用的试验原料有:
脱水污泥(武进城区污水处理厂)
高岭土(福州)
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