污泥为掺料烧结砖的生产性研究

admin

                                                                                                  前    言

城市污水厂污泥的处理处置已成为我国市政工程的一大难题 , 目前 , 主要采用卫生填埋、 堆肥农用、焚烧等处理处置方式, 填埋稳定性差且易污染地下水, 堆肥农用受污泥中重金属含量影响较大, 污泥焚烧则能耗太高。近年来, 污泥资源化制砖技术得到了充分发展, 但目前普遍停留在实验阶段。本文采用城市污泥为部分原料 , 进行了批量生产烧结普通砖 ( 承重砖 , 240 mm × 115 mm × 53 mm) 和空心砌块 ( 非承重砖 , 190 mm × 190 mm× 190 mm) 的生产性试验 , 研究了城市污泥烧结制砖技术 , 并重点分析了砖体的物理力学性能 ( 抗压强度 ) 和热工性能 , 结果充分表明 : 污泥制砖是城市污泥处理处置有效方式。

1 　 试验部分
1. 1  试验材料

城市污泥取自南京市某污水处理厂 , 剩余污泥经浓缩 2 消化 2 机械脱水处理后 , 含水率 P = 75% 左右。试验共取脱水污泥约 20 t，样品污泥的有机物含量为 37.76% , 总氮1.875×104m g / kg, 总磷6 . 545 × 103  mg/kg, 铜 180. 5 mg/kg, 锌 538. 5 mg/kg, 铅 35.45 mg/kg, 汞 3 .585 mg/kg, 砷 24. 7 mg/kg, 六价铬 12.45 mg/kg 。

污泥经干燥后 ( 含水率 P =55% 左右 ) 破碎机械筛分 , 去除其中的粗大颗粒。页岩粉粘土均取自南京某新型建筑材料公司 , 其塑性指标分别为 7.8 和13, 粘土级颗粒 ( d < 0 1 005 mm ) 含量 10. 3% 和25. 6% , 满足制砖原料对塑性指数 7 ～ 15, 粘土级颗粒含量 10% ～ 60% 的要求 ; 两者含水率分别为 7%和 11% 。城市污泥和页岩粉粘土主要组成成分见表 1 。

表 1 　页岩粉、 粘土及城市污泥的主要组成成分

1. 2 　制砖工艺

在污泥制砖生产性试验中 , 污泥干燥是重要的工艺环节 , 试验在不改变砖厂生产工艺流程基础上 ,利用砖厂现有干燥隧道窑 ( 目的为干燥砖坯 , 150 ～200 ℃ ) 来干燥污泥 , 干燥后 , 污泥含水率 P =55% 左右。干燥污泥与页岩粉 ( 粘土 ) 按表2 配比混合 , 经陈化、 成型制坯、 干燥、 焙烧等处理工序后 , 制成污泥烧结砖 , 工艺流程如图 1 所示。

表 2 　干污泥 2 页岩粉 ( 粘土 ) 质量配比

各工段主要工艺参数如下：原料计量预混 ,加水搅拌混合 ,控制含水率 17% ～19%; 陈化均匀混合 料颗粒间的空隙水分，制坯成型 ，成型压力约为 2.8～3.0MPa，砖坯含水率控制在 16% ～18% ；坯体150～200 ℃隧道窑干燥，含水率降至 6%以下，一般在 3%左右 ;980 ～1 060 ℃隧道窑焙烧、降温，制成烧结砖。

1.3   分析仪器和方法

抗压强度 :NYL 2 300 型压力试验机 , 最大破坏负载法 ; 热导率 : 准稳态平板测试装置 , 热线法 ; 传热系数 : 紫微 BW 2 1212WT 设备 , 标定热箱法。

2 　 结果与讨论

2.1  污泥掺量对烧结普通砖抗压强度的影响

干污泥掺量对烧结普通砖抗压强度影响较大 ,图 2 为抗压强度与污泥掺量关系曲线 , 从图 2 中可以看出 , 污泥掺量越高 , 砖体的抗压强度越差。分析原因为 : 砖体烧结过程中 , 污泥中有机物挥发大量气孔和孔洞 , 造成砖体抗压强度下降。

掺加 1 . 92% ～ 5% 污泥的粘土烧结砖抗压强度在 16. 1 ～ 20 . 8 MPa 之间 , 当污泥掺加量在 5% 以下时 , 污泥粘土砖能够达到国家标准《烧结普通砖 》(GB5101-2003) 中MU15 强度等级要求, 具有较好的承重性能 , 可作为承重墙体材料。如果污泥掺量减少为 2. 5% 时 , 可以达到 MU20 强度等级要求 , 具有优良的承重性能。

掺加 1.92% ～5%污泥的页岩烧结砖抗压强度 在 16.1～20.8 M Pa之间。由图 2可知 ,当污泥掺加量在 6%以下时，污泥页岩砖能够达到国家标准《烧 结普通砖》GB5101-2003中 MU10 强度等级要求，可作为承重墙体材料。如果污泥掺量减少为 3.5%时，可以达到 MU15强度等级要求，具有较好的承重性能。

同等污泥掺量时 ，污泥粘土砖抗压强度优于污泥页岩砖，这是因为粘土原料SiO2和A l2O3含量要比页岩粉高 (表 1 ) ，烧结过程中生成的3A l2O3·2SiO2  (莫来石，决定砖体机械强度的决定性因素 )的量比页岩砖高，提高了粘土砖的抗压强度。其次，粘土中粘土级颗粒含量较高，在烧结过程中，形成烧结砖结构致密，整体性强，抗压强度高。

2. 2 　污泥掺量对页岩空心砌块抗压强度的影响

图3 为页岩空心砌块抗压强度与污泥掺量关系曲线 , 其变化趋势与图 2 基本一致 , 说明抗压强度下降机理相同。污泥掺量 4.45% 页岩空心砌块抗压强度为 4.88 MPa, 与国家标准《烧结空心砖和空心砌块 》 (GB13545-2003) 最低 MU2.5 强度等级要求相比 , 完全可以满足其作为填充墙 ( 或隔离墙 ) 的使用要求。污泥掺量在 5% 之内的页岩烧结空心砌块 , 强度等级为 MU3.5 (GB13545-2003) , 具有较好的承重能力。当污泥掺量较少至 4 1 3% 时 , 能够达到与现行市售砌块相同的 MU5.0 强度等级 , 具有优良承重性能。

2. 3 　污泥掺量对页岩烧结普通砖热导率的影响

对上述页岩烧结普通砖进行热导率 ( 气态、 干态 ) 测定 , 所得结果如图 4 所示。由图 4 可知 , 随着污泥掺量增加 , 砖体热导率降低 , 分析原因为 : 砖体烧结使污泥中有机物挥发 , 砖体内部气孔和孔洞增多 , 砖体热传导能力下降。 4. 45% 干污泥掺量页岩烧结普通砖热导率为 0.295 W / (m · K) , 较不掺加污泥的页岩砖(0.312 W / (m ·K) )降低了 5 .4% ,砖体热传导能力明显下降。

2. 4 　污泥掺量对页岩烧结空心砌块墙体传热系数的影响

分别对不同干污泥含量的页岩空心砌块墙体进行传热系数 K 测定 , 见图 5 。由图 5 可知 , 页岩空心砌块墙体的传热系数随污泥掺量增加而降低 , 随着污泥掺量的增加 , 砖体热传导能力下降 , 墙体传热系数随之下降 , 隔热保温性能提高。页岩空心砌块由于掺入了一定量的尾矿( 烧失量大 , 焙烧过程易形成孔洞) ,热工性能已经大大改善 , 普通页岩空心砌块墙体的传热系数已经能够满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 ( JGJ 134-2001 ) 对外墙平均传热系数 1.5 W / (m2 ·K)要求。4.45%干污泥空心砌块墙体传热系 数为 1.33 W / (m2 ·K) , 同比标准 ( JGJ 134-2001 ) 1.5 W / (m2 ·K)的要求 ,节能效率可提高 1.13% ,墙体隔热保温性能得到明显改善。

3 　结 　论

(1) 砖体烧结过程中 , 污泥中有机物大量挥发 ,形成气孔和孔洞 , 增加了砖体内部微观孔隙率 , 降低了砖体的抗压强度 , 提高了砖体的热工性能。

(2) 污泥掺量在 6% 之内的页岩烧结普通砖 , 可以达到 MU10 以上强度等级(GB5101-2003) , 可作为承重砖体使用。污泥掺量在 5% 之内的页岩空心砌块 , 强度等级为 MU3 . 5 (GB13545-2003) , 可作为填充墙 ( 或隔离墙 ) 使用。

(3) 4.45% 干污泥掺量页岩烧结普通砖热导率为0. 295W / (m · K) , 较普通页岩砖(0.312 W / (m ·K) )降低 5.4% , 砖体热传导能力明显降低。

(4) 4.45% 干污泥掺量页岩空心砌块墙体传热系数为 1.33 W / (m2 ·K) , 比 《 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 》 (JGJ 134- 2001) 1.5 W / (m2 ·K)的要求 , 节能效率可提高 11.3% 。

(5) 在不改变砖厂生产工艺流程基础上 , 利用隧道窑干燥污泥 , 普通隧道窑砖厂就可以进行规模化生产 , 并能创造一定的经济和社会效益。