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《重庆大学》 2010年
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污水污泥页岩建筑材料制备与性能研究

罗晖  
【摘要】: 城市生活污水处理将产生大量含水率非常高的污水污泥,已成为城市化快速发展过程中必须面临的重大环境问题之一。现有的污水污泥填埋、堆肥、焚烧等处置方式要么无害化不彻底,要么成本过高,难以处置排放量迅速增长的污水污泥,因此研究新的污水污泥资源化利用方式非常必要。本论文根据页岩建筑材料对原材料的要求和烧制过程的特点,将高含水率污水污泥与来源广泛的页岩进行混合,以污水污泥中的水分作为页岩建筑材料制品生产过程中必须外加的水分,同时利用污水污泥中有机物来补充页岩建筑材料制品烧制过程中的热值,使得污水污泥用于页岩建筑材料制备具有技术经济和环保优势。 本文研究首先根据页岩陶粒和烧结砖制备对于原材料的要求,选择了不同处理工艺的污水处理厂经过压滤脱水后得到的高含水率污水污泥,研究了污泥粒径分布范围、化学与矿物组成等,并与页岩进行对比,还研究了污水污泥与页岩混合后的塑性指数,另外,还采用TG-DTA对污水污泥的热值进行了分析。结果显示污水污泥的化学、矿物组成与页岩比较接近,颗粒非常细小,主要集中0.15mm以下,且具有较高的塑性指数,与页岩混合后可以明显改善页岩的塑性,适合页岩陶粒的成球和页岩烧结砖坯的制备,页岩陶粒料球抗冲击性能明显增强。另外,污水污泥放热量较大,在250℃~550℃的升温过程放出热量可超过3000J/g。 本文进行了污水污泥页岩烧结砖的研究,先固定污泥掺量,变化烧成温度、升温速率和保温时间等因素,进行实心和多孔污泥页岩烧结砖的烧制。结果表明污泥掺量30%时可以烧制出体积密度1600 kg/m3左右,抗压强度10MPa以上的实心砖,掺加污水污泥可明显降低烧结砖的体积密度,但也同时增加烧结砖的收缩。通过测定不同污泥掺量和不同烧成温度下的烧结砖收缩率变化,同时采用SEM进行微观结构分析,结果表明污水污泥掺入后,较低温度下页岩烧结砖的微观结构从致密的块状转为较为分散的层片状结构,密实程度较低,随着温度升高到900℃时,颗粒堆积紧密程度明显增加,但温度过度升高则产生的液相完全浸润包裹固体颗粒,微观上表现为致密的板状结构,宏观上表现非常大的体积收缩。因此,污水污泥掺入后控制页岩烧结砖的烧成温度非常重要。对污水污泥页岩砖性能分析还发现当污泥掺量过高时会出现比较严重的泛霜。 本文重点研究了污水污泥用于页岩陶粒的烧制,通过改变污水污泥掺量、预热温度和时间、焙烧温度和时间等因素,研究了陶粒的颗粒表观密度、强度和吸水率等性能。结果显示,污水污泥将明显提高页岩陶粒的烧胀性能,含水率80%左右的污水污泥掺量为20%~30%,烧胀温度达到1150℃时,可获得颗粒表观密度500kg/m3左右的超轻陶粒。还进一步研究烧制工艺参数对陶粒性能的影响,结果表明预热时适当降低温度和缩短时间,焙烧时适当提高温度和延长时间有利于获得轻质污泥页岩陶粒。 为了更好了解污水污泥在页岩陶粒烧胀过程中的作用,本文还采用SEM、XRD、IR和TG-DTA手段,研究了掺加污水污泥的页岩陶粒的内部结构、矿物组成、Si-O四面体聚合度以及高温焙烧熔融变化情况。结果显示,污水污泥页岩陶粒的主要矿物为α-石英(α-SiO2)、蓝晶石(Al2O3·SiO2)及钙长石(CaO·2Al2O3·2SiO2)等,随着污水污泥掺量增加时,陶粒中Fe的价态由赤铁矿(Fe2O3)向方铁矿(FeO)转变,反映了陶粒料球焙烧时还原环境的增强,此时,陶粒矿物中的Si-O对称伸缩振动波数降低明显,Si-O四面体的聚合度明显降低,架状结构的桥氧大量断裂,从而表现为焙烧时陶粒的熔融温度降低和熔融程度增加;污水污泥能促使陶粒内部产生大量孔结构,污泥掺量过多时会出现孔结构的连通和坍缩,随预热温度提高,陶粒表层壳结构增厚,焙烧温度越高,焙烧时间越长,陶粒内部孔结构尺寸变大,并逐渐由孤立到连通,最后合并成大孔。 本文最后研究了污水污泥中的重金属在陶粒和烧结砖烧制过程中的挥发情况以及在使用过程中的浸出情况。考虑到污水污泥中重金属可能的含量范围,选取具有代表性的重金属Zn、Cu、Cr、Pb、Ni,通过外掺重金属化合物以扩大污水污泥中的重金属含量,研究最为不利条件下污水污泥页岩建筑材料生产和使用过程中的环境特性。结果显示,在相同烧成温度下,与纯污水污泥焚烧相比,污水污泥页岩陶粒和烧结砖的重金属挥发量明显降低;另外,污水污泥页岩陶粒和烧结砖中的重金属浸出浓度都非常低,符合浸出毒性的安全标准;相比而言,陶粒比烧结砖对污水污泥中的重金属有更好的固化能力。 可以认为高含水率的污水污泥与页岩混合制备陶粒和烧结砖不仅可以充分消纳污水污泥,还能提高页岩建筑材料制品的性能,是污水污泥资源化最为有效和最为环保的技术途径;本研究条件下,污水污泥用于烧制页岩陶粒优势更为明显。
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