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《武汉大学》 2009年
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基于工业废渣污泥干化剂的研制及半干化污泥的资源化研究

魏娜  
【摘要】:随着城市的迅猛发展,城市污泥的产出量迅速增加,其含水率高且呈现一种稳定的液-固相混合浆态特征,仅靠城市污水处理厂的机械力处理只能将其含水率降至80%左右,进一步的干化通常采用热干燥等手段,能耗较高,同时干化后的污泥遇水又转变为泥浆态,且其中重金属可能浸出造成环境的二次污染。本文从“节能减排”和“循环经济”角度出发,提出以工业废渣—矿渣为主要原料,通过多种激发剂复合实现矿渣的高效激发,形成一种经济、有效的城市污泥干化剂,对经城市污水厂机械脱水后的湿污泥(泥饼)进行有效干化,降低污泥含水率的同时改变污泥胶状亲水性能并固化其中部分重金属,实现污泥的“无害化、稳定化”处置。同时,通过污泥干化剂的加入调整污泥中无机物组分,从而代替部分粘土烧制污泥陶粒,进一步实现污泥的“资源化”处置。 本文以武汉市某污水处理厂机械脱水后的湿污泥为研究对象,在对其自身理化特性、污染特征进行全面测定和分析的基础上,首先研究了生石灰和普通硅酸盐水泥等单一胶凝材料对污泥干化效果,并以HAS土壤固化剂及其相关的淤泥改性研究成果为基础分别研究了两类矿渣基HAS土壤固化剂对湿污泥的干化效果。在对上述四种材料的干化效果及机理进行比较、分析的基础上,提出采用矿渣、生石灰、二水石膏、活性激发剂A及促凝剂五组分复合配制污泥干化剂。通过对污泥干化剂干化效果的研究,分析了其应用于湿污泥干化处理的可行性并结合XRD、SEM等技术对其干化机理进行了探讨。同时,对半干化处理后污泥的耐水性及浸出毒性也进行了研究。最后,以半干化污泥为原料进行了污泥陶粒烧制试验并分析了污泥陶粒的性能与结构,探索了其资源化利用的可行性和安全性。本文的主要研究内容包括以下几个方面: (1)污泥干化剂配方优化研究 为分析污泥干化剂各组分配比对其干化效果的影响,对污泥干化剂的配方进行了优化研究,其中促凝剂质量含量很小,采用外掺方式,因此污泥干化剂的配方研究主要分为矿渣、生石灰、二水石膏、活性激发剂A的四组分配方试验和促凝剂掺量的优化试验两部分。四组分配方试验采用带约束条件的配方均匀实验设计方法,通过对试验结果的二次多项式回归分析,建立了干化污泥含水率与四组分质量含量间的回归模型。同时,根据各因素的约束条件,建立了配方优化模型,并通过复合形法优化计算得出了四组分的最优配比。在此基础上,考虑经济性等因素后对配比进行了进一步调整,确定了四组分的最佳配比。促凝剂掺量优化试验以四组分最佳配比为基础,比较了外掺促凝剂B和C及不同掺量条件下干化污泥含水率高低,从而确定了促凝剂的种类和最优掺量。两试验结果表明,污泥干化剂的最佳配比为:40%的矿渣+21.09%的生石灰+30.91%石膏+8%的活性激发剂A,同时外掺1%的促凝剂C。 (2)污泥干化剂的干化效果研究与机理探讨 以最佳配比配制污泥干化剂进行污泥干化试验,从而研究污泥干化剂的干化效果并探讨其干化机理。污泥干化试验主要研究干化剂干化污泥的含水率随材料掺量和养护龄期的变化情况,并同生石灰的干化效果进行分析、比较,同时,结合干化剂净浆样品的XRD定性及半定量分析,进一步探讨污泥干化剂水化反应及其干化污泥的机理。实验结果表明,相对生石灰,污泥干化剂的干化效果有了较大提高,尤其适合应用于目标含水率在40%-60%间的污泥半干化处理。XRD分析表明,污泥干化剂主要通过钙矾石和水化硅酸钙等水化产物的生成,尤其是钙矾石的大量生成,将污泥中自由水转变为结合水从而实现污泥干化。 (3)污泥干化剂改性效果研究与机理探讨 按最佳配比配制污泥干化剂并对干化污泥进行耐水性试验和毒性浸出试验。耐水性试验结果表明,相对生石灰,污泥干化剂能显著改变污泥的亲水性能,干化剂掺量20%的干化污泥养护3d后,在水中浸泡7d时其结构仍保持一定的强度,不会解体,因而干化污泥体系发生的胶凝反应不仅可有效降低污泥含水率,而且水化产物的大量生成可以改变湿污泥中固体颗粒的结构,从而削弱污泥中胶体物质的亲水性,并增加干化污泥强度。此外,重金属浸出试验结果表明,掺加10%污泥干化剂养护3d后的污泥其中各重金属浸出浓度已满足《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)中的要求,且污泥干化剂固化效果远优于生石灰。 (4)污泥陶粒烧制的原料组成及热工制度的优化研究 以陶粒烧胀理论为基础,通过对湿污泥干化效果与机理进行分析,提出以半干化污泥替代部分粘土进行污泥陶粒烧制试验。前期资料的查阅和试烧实验首先确定了污泥陶粒烧成的基本技术路线,之后进行正交试验研究了污泥干化剂质量、粘土质量、焙烧温度和焙烧时间四因素对污泥陶粒的表观密度、颗粒抗压强度和吸水率三个性能指标的影响。试验结果表明,陶粒的表观密度、颗粒抗压强度和吸水率均随污泥干化剂掺加量的增加而降低;而随着粘土质量、焙烧温度和时间的增加,陶粒的表观密度和颗粒抗压强度均增加,吸水率均减小。从陶粒综合性能出发,对三个性能指标进行分析研究后,确定污泥陶粒烧成工艺的最优方案为污泥干化剂与湿污泥质量比为0.05,粘土与湿污泥质量比为2.4,焙烧温度为1180℃,焙烧时间为15min。 (5)污泥陶粒性能检测与安全性评价 为分析半干化污泥烧制陶粒技术的可行性,按《轻集料及其试验方法第二部分:轻集料试验方法》(GB/T 17431.2-1998)对优化方案烧制出的污泥陶粒的各项性能指标进行了测定,并对陶粒重金属浸出毒性进行试验研究,以评价污泥陶粒使用时的环境安全性,同时,结合XRD和SEM技术分析了污泥陶粒的物相组成与内部结构并探讨了半干化预处理对陶粒性能的影响。试验结果表明,污泥陶粒的各项性能指标均达到或超过《轻集料及其试验方法第一部分:轻集料》(GB/T 17431.1-1998)中的规定,且重金属已被大部分固化在污泥陶粒中,其浸出浓度均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-1996)中规定的最高允许浓度,不会对环境造成二次污染。此外,XRD和SEM分析表明,污泥中高含量的磷有利于污泥陶粒烧制过程中磷酸铝的生成从而提高陶粒强度,而半干化过程中钙矾石晶体的生成可促进污泥陶粒的膨胀,改善其内部孔型结构,从而提高陶粒强度并降低其吸水率。 本文所提出的污泥干化剂对湿污泥有很好的干化及改性效果,同时半干化后的污泥可应用于烧制污泥陶粒,其各项性能指标均满足轻集料标准,且不会造成环境的二次污染。该种污泥干化剂取之于工业废渣,应用于生产实践中可实现污泥的“无害化、稳定化、资源化”处置,其对于保护环境,合理利用资源有着重要的意义。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X703

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