D0I:10.13374/1.issm100I103.2008.10.009 第30卷第10期 北京科技大学学报 Vol.30 No.10 2008年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2008 由化工脱水污泥烧制陶粒 刘景明12)陈立颖) 宋存义) 苏力军3)魏小文) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)东北电力大学化学工程学院，吉林132012 3)吉林市永吉县自来水公司，吉林132220 摘要以综合化工污泥，膨润土和造孔剂为原料，制成粒径为3~6mm水处理用的生料球，经烘干、预热、焙烧等工艺过程， 进行了陶粒填料的合成研究·采用正交试验进行陶粒的制备，测定了所制备陶粒的堆积密度、表观密度、比表面积，筒压强度 和磨损率等性能，分析了造孔剂掺量、污泥与膨润土配比、预热时间、预热温度及烧结温度等不同因素对陶粒主要性能的影 响·根据作为水处理填料的材料应遵循的原则和对陶粒各性能分析的结果，确定了烧制污泥陶粒的最佳工艺参数：造孔剂掺 量5%、污泥与膨润土比例4：6、预热时间30mi、预热温度400℃、烧结温度1140℃.扫描电镜照片揭示了陶粒表面和内部孔 隙特征及不同烧结温度下陶粒内部孔隙的变化特征· 关键词污泥：陶粒：微观结构：废水处理 分类号X705:TB321 Manufacturing aggregates by sintering chemical industrial dewatering sludge LIU Jingming).CHEN Liying?),SONG Cunyi).SU Lijun,WEI Xiaowen 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)School of Chemical Engineering.Northeast Dianli University,Jilin 132012.China 3)Tap Water Corporation of Yongji County,Jilin 132220,China ABSTRACT Complex chemical industrial dewatering sludge.clay and adherent were chosen as the initial components for preparing raw aggregates of3-6mm in diameter used in wastewater treatment by drying,preheating,and firing proceses.The effects of ad- herent quantity,sludge-to-clay ratio,preheating time and firing temperature on the performance of finished products were analyzed by measuring the bulk density,apparent density,specific surface area,crushing strength and wear rate.The optimal ratios of the com- ponents and the appropriate process were obtained as follows:adherent quantity 5%,sludge-to-clay ratio 4:6.preheating at 400C for 30min,and firing temperature 1140C according to the principles for making aggregates and the results of the orthogonal design method.The microstructures and characters of aggregates at different firing temperatures were observed by scanning electronic micro- scope· KEY WORDS sludge:aggregate:microstructure:wastewater treatment 吉林化学工业公司污水处理厂酸碱中和及预处 有轻质、多孔和比表面积大等优点，在水处理中得到 理工序每年大约产生含水率80%的化工污泥 了广泛的应用)，目前，用于制作陶粒的原料有粘 50620t山，现处理方式为堆埋和部分焚烧，处理含 土、陶土、粉煤灰、页岩、河道底泥、生活污水处理产 水率60%~80%的化工污泥的费用约为 生的剩余污泥和脱水污泥等[3]，而以化工脱水污泥 RMB￥100/L,占用了大量土地和焚烧费用.化工污 烧制陶粒尚未见报道，就陶粒的制作工艺而言，主 泥与普通生活污泥相比，成分更加复杂，含有大量有 要是集中在建材材料的工艺研究，而对作为水处理 毒的有机物和部分重金属，处理不当所造成的二次 滤料的陶粒工艺研究较少).因此，利用含有大量 污染会对人类和环境产生更加严重的危害，陶粒具 芳香环、有机农药、香兰素和颜料中间体等有机物 收稿日期：2007-08-20修回日期：2007-10-23 基金项目：北京市教有委员会共建项目(Na-XK100080432) 作者简介：刘景明(1963-），男.教授，博士，E mail:liujingmingmail(@yahoo:com-cn
由化工脱水污泥烧制陶粒 刘景明12） 陈立颖2） 宋存义1） 苏力军3） 魏小文1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 东北电力大学化学工程学院吉林132012 3） 吉林市永吉县自来水公司吉林132220 摘 要 以综合化工污泥、膨润土和造孔剂为原料制成粒径为3～6mm 水处理用的生料球经烘干、预热、焙烧等工艺过程 进行了陶粒填料的合成研究．采用正交试验进行陶粒的制备测定了所制备陶粒的堆积密度、表观密度、比表面积、筒压强度 和磨损率等性能分析了造孔剂掺量、污泥与膨润土配比、预热时间、预热温度及烧结温度等不同因素对陶粒主要性能的影 响．根据作为水处理填料的材料应遵循的原则和对陶粒各性能分析的结果确定了烧制污泥陶粒的最佳工艺参数：造孔剂掺 量5％、污泥与膨润土比例4∶6、预热时间30min、预热温度400℃、烧结温度1140℃．扫描电镜照片揭示了陶粒表面和内部孔 隙特征及不同烧结温度下陶粒内部孔隙的变化特征． 关键词 污泥；陶粒；微观结构；废水处理 分类号 X705；TB321 Manufacturing aggregates by sintering chemical industrial dewatering sludge LIU Jingming 12）CHEN Liying 2）SONG Cunyi 1）SU Lijun 3）W EI Xiaowen 1） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） School of Chemical EngineeringNortheast Dianli UniversityJilin132012China 3） Tap Water Corporation of Yongji CountyJilin132220China ABSTRACT Complex chemical industrial dewatering sludgeclay and adherent were chosen as the initial components for preparing raw aggregates of 3－6mm in diameter used in wastewater treatment by dryingpreheatingand firing processes．T he effects of adherent quantitysludge-to-clay ratiopreheating time and firing temperature on the performance of finished products were analyzed by measuring the bulk densityapparent densityspecific surface areacrushing strength and wear rate．T he optimal ratios of the components and the appropriate process were obtained as follows：adherent quantity 5％sludge-to-clay ratio 4∶6preheating at 400℃ for30minand firing temperature1140℃ according to the principles for making aggregates and the results of the orthogonal design method．T he microstructures and characters of aggregates at different firing temperatures were observed by scanning electronic microscope． KEY WORDS sludge；aggregate；microstructure；wastewater treatment 收稿日期：2007-08-20 修回日期：2007-10-23 基金项目：北京市教育委员会共建项目（No．XK100080432） 作者简介：刘景明（1963－）男教授博士E-mail：liujingmingmail＠yahoo．com．cn 吉林化学工业公司污水处理厂酸碱中和及预处 理工序每年大约产生含 水 率 80％ 的 化 工 污 泥 50620t ［1］现处理方式为堆埋和部分焚烧处理含 水 率 60％ ～80％ 的 化 工 污 泥 的 费 用 约 为 RMB￥100／t占用了大量土地和焚烧费用．化工污 泥与普通生活污泥相比成分更加复杂含有大量有 毒的有机物和部分重金属处理不当所造成的二次 污染会对人类和环境产生更加严重的危害．陶粒具 有轻质、多孔和比表面积大等优点在水处理中得到 了广泛的应用［2］．目前用于制作陶粒的原料有粘 土、陶土、粉煤灰、页岩、河道底泥、生活污水处理产 生的剩余污泥和脱水污泥等［3］而以化工脱水污泥 烧制陶粒尚未见报道．就陶粒的制作工艺而言主 要是集中在建材材料的工艺研究而对作为水处理 滤料的陶粒工艺研究较少［4］．因此利用含有大量 芳香环 、有机农药、香兰素和颜料中间体等有机物 第30卷 第10期 2008年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．10 Oct．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．10．009
第10期 刘景明等：由化工脱水污泥烧制陶粒 ,1091 化工污泥为原料，制备废水处理填料，既为化工污泥 材料的主要化学成分见表1.造孔剂是一种来源广 的处理开辟了新途径，又可为陶粒的制作寻找到了 泛和价格低廉的工业原料，此外，在含水率为 新的有效的添加原料 60%~80%的化工污泥中，还含有大量致癌、致突变 1实验材料与方法 和致畸的物质，如苯并蒽57.48mgkg、苯并芘 1.76mgkg1、芴56.53mgkg、菲13.71mg· 1.1实验原材料和设备 kg1、芘9.44mgkg1;重金属铜397.44mgkg1、 (1)膨润土为吉林省九台市钙质膨润土，外观呈 铅33.52mgkg1、锌146.36mgkg1和锰40.68 灰白色.化工污泥为吉林化学工业公司污水处理厂 -1 mgkg· 初沉池的综合化工脱水污泥，外观呈黑色，这两种 表1原料的化学成分 Table 1 Chemical composition of materials 质量分数/% 烧失 原材料 SiO2 Al203 Fe203 Ca0 Mgo Kz0十Na20 量/% 化工污泥 30.18 14.76 9.05 5.42 1.81 2.96 34.75 膨润土 62.21 20.60 2.82 2.2 3.42 0.74 7.150 (2)主要设备有S一3000N型扫描电镜(SEM)、 制出符合要求的陶粒.根据国内外学者研究的具有 HY920YC万能材料试验机、SRUX一4-13高温箱形 高膨张性能陶粒的原料化学组成成分[门，按污泥与 电阻炉、Y802A八篮恒烘箱和STA409红外热重分 膨润土为2：8、3：7、4：6、5：5的比例，并掺入了5% 析仪 的造孔剂制成料球，经干燥后，在相同的预热时间及 1.2实验方法 预热温度下分别升温至1100,1150及1200℃进行 工艺流程：原料预处理、称量、搅拌、造粒、烘干、 烧制实验，冷却后取出，1200℃烧制的陶粒粘结成 预热、高温焙烧和成品，陶粒的性能测试包括堆积 块，不能分开，出现过烧现象，为了实现利用化工污 密度、表观密度、比表面积、筒压强度及磨损率等，性 泥作为添加剂与膨润土烧出适合废水处理和质量优 能测定方法按行业方法].烧制成型过程：将化工 异的陶粒，尽可能减少各种助剂的添加，在进行配 脱水污泥、助剂和膨润土的混合料制成粒径为3 方设计时，主要考虑了以下几点， 6mm的生料球，先经温度约105℃的烘箱内干燥约 (1)根据废水生物滤池对陶粒填料的要求，填料 1~2h,再移入高温电阻炉中升温至400~550℃，时 性能应该是堆积密度、表观密度和磨损率较小，以及 间约为20~50min,再经过2h,逐渐升温至焙烧温 比表面积和筒压强度较大， 度1100~1200℃，维持10min,期间瞬时开启炉门 (2)为了使陶粒获得良好膨胀，一般要求陶粒原 几次，以供氧气给炉内，烧制过程历时约5h,可制 料中的烧失量达4%~13%，有机质含量2%~5%， 得球形陶粒填料 一般陶粒厂的主原料达不到上述要求，都要掺加适 量有机质材料，主要有重油、废机油、渣油、煤粉或木 2配方、工艺设计和实验结果 屑等8].化工污泥中有机质含量很高，在满足废水 配方探索试验是按照Riley和Wilson提出的适 处理陶粒制作标准的情况下，尽可能多用化工污泥， 合烧成陶粒粘土化学组成进行的，其范围为]： 提高环境效益 Si02,53%~79%;A203,12%26%;氧化物熔剂 (3)一般认为，烧制陶粒的物料要膨胀必须具备 两个基本条件：一是料球在膨胀温度下能够产生适 ∑(Ca0+Mg0十Fez03+Na0+K20),8%~ 当的黏度和表面张力；二是与此同时产生足够的气 24%.膨润土的化学成分符合R&W范围，化工污 体町.混合料的膨胀是铁和碳发生氧化还原反应的 泥不在上述范围内，将化工污泥和膨润土分别制成 结果，其膨胀气体是氧化还原反应的产物CO2和 粒径为3~6mm的生料球，经过烧制成型过程后， C0.必须设定一定中间温度，去除有机物或碳原 化工污泥制成的陶粒收缩明显，成焦碳状，不具有烧 子，增加发泡剂和〉氧化物熔剂. 胀性；膨润土制成的陶粒表面成灰白色，稍有裂纹， (4)化工污泥的烧失量较高，说明内含的有机物 也不具有烧胀性.实验结果表明单一的原料无法烧 量较大，有一定的热值，这对于烧制过程中烧成温度
化工污泥为原料制备废水处理填料既为化工污泥 的处理开辟了新途径又可为陶粒的制作寻找到了 新的有效的添加原料． 1 实验材料与方法 1∙1 实验原材料和设备 （1）膨润土为吉林省九台市钙质膨润土外观呈 灰白色．化工污泥为吉林化学工业公司污水处理厂 初沉池的综合化工脱水污泥外观呈黑色．这两种 材料的主要化学成分见表1．造孔剂是一种来源广 泛和 价 格 低 廉 的 工 业 原 料．此 外在 含 水 率 为 60％～80％的化工污泥中还含有大量致癌、致突变 和致畸的物质如苯并蒽57∙48mg·kg －1、苯并芘 1∙76mg·kg －1、芴 56∙53mg·kg －1、菲 13∙71mg· kg －1、芘9∙44mg·kg －1 ；重金属铜397∙44mg·kg －1、 铅33∙52mg·kg －1、锌146∙36mg·kg －1和锰40∙68 mg·kg －1． 表1 原料的化学成分 Table1 Chemical composition of materials 原材料 质量分数／％ SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O＋Na2O 烧失 量／％ 化工污泥 30∙18 14∙76 9∙05 5∙42 1∙81 2∙96 34∙75 膨润土 62∙21 20∙60 2∙82 2∙2 3∙42 0∙74 7∙150 （2）主要设备有 S－3000N 型扫描电镜（SEM）、 HY－920YC 万能材料试验机、SRJX－4－13高温箱形 电阻炉、Y802A 八篮恒烘箱和 STA409红外热重分 析仪． 1∙2 实验方法 工艺流程：原料预处理、称量、搅拌、造粒、烘干、 预热、高温焙烧和成品．陶粒的性能测试包括堆积 密度、表观密度、比表面积、筒压强度及磨损率等性 能测定方法按行业方法［5］．烧制成型过程：将化工 脱水污泥、助剂和膨润土的混合料制成粒径为3～ 6mm的生料球先经温度约105℃的烘箱内干燥约 1～2h再移入高温电阻炉中升温至400～550℃时 间约为20～50min再经过2h逐渐升温至焙烧温 度1100～1200℃维持10min期间瞬时开启炉门 几次以供氧气给炉内．烧制过程历时约5h可制 得球形陶粒填料． 2 配方、工艺设计和实验结果 配方探索试验是按照 Riley 和 Wilson 提出的适 合烧成陶粒粘土化学组成进行的其范围为［6］： SiO253％～79％；Al2O312％～26％；氧化物熔剂 ∑（CaO ＋ MgO ＋Fe2O3＋ Na2O ＋ K2O）8％～ 24％．膨润土的化学成分符合 R＆W 范围化工污 泥不在上述范围内．将化工污泥和膨润土分别制成 粒径为3～6mm 的生料球经过烧制成型过程后 化工污泥制成的陶粒收缩明显成焦碳状不具有烧 胀性；膨润土制成的陶粒表面成灰白色稍有裂纹 也不具有烧胀性．实验结果表明单一的原料无法烧 制出符合要求的陶粒．根据国内外学者研究的具有 高膨胀性能陶粒的原料化学组成成分［7］按污泥与 膨润土为2∶8、3∶7、4∶6、5∶5的比例并掺入了5％ 的造孔剂制成料球经干燥后在相同的预热时间及 预热温度下分别升温至11001150及1200℃进行 烧制实验．冷却后取出1200℃烧制的陶粒粘结成 块不能分开出现过烧现象．为了实现利用化工污 泥作为添加剂与膨润土烧出适合废水处理和质量优 异的陶粒尽可能减少各种助剂的添加．在进行配 方设计时主要考虑了以下几点． （1）根据废水生物滤池对陶粒填料的要求填料 性能应该是堆积密度、表观密度和磨损率较小以及 比表面积和筒压强度较大． （2）为了使陶粒获得良好膨胀一般要求陶粒原 料中的烧失量达4％～13％有机质含量2％～5％ 一般陶粒厂的主原料达不到上述要求都要掺加适 量有机质材料主要有重油、废机油、渣油、煤粉或木 屑等［8］．化工污泥中有机质含量很高在满足废水 处理陶粒制作标准的情况下尽可能多用化工污泥 提高环境效益． （3）一般认为烧制陶粒的物料要膨胀必须具备 两个基本条件：一是料球在膨胀温度下能够产生适 当的黏度和表面张力；二是与此同时产生足够的气 体［9］．混合料的膨胀是铁和碳发生氧化还原反应的 结果其膨胀气体是氧化还原反应的产物 CO2 和 CO．必须设定一定中间温度去除有机物或碳原 子增加发泡剂和 ∑ 氧化物熔剂． （4）化工污泥的烧失量较高说明内含的有机物 量较大有一定的热值这对于烧制过程中烧成温度 第10期 刘景明等： 由化工脱水污泥烧制陶粒 ·1091·
,1092 北京科技大学学报 第30卷 的降低是有利的，根据生产黏土陶粒的化学组成要 内，所以，为了烧制出合格的陶粒产品，就必须设法 求来看，化工污泥中Al203含量比较合适，Al203含 提高碱土金属的成分， 量对土的塑性贡献较大：表1还显示出K20和 为了探索合理的产品配方及工艺参数，根据上 Na20含量略低，K20、Na20和碱土金属是良好的助 述实验结果和交叉因素影响的程度，确定选用 熔剂，含量高，可使黏度下降，即要达到一定黏 L16(4)正交表安排实验，其因素和水平的排列情况 度，需要的温度也低；其他成分都在可以接受的范围 和陶粒的性能测试结果见表2. 表2化工污泥陶粒正交试验表和性能测试结果 Table 2 Orthogonal experiments and results for aggregates properties 因素和水平 实验结果 号 B C D 堆积密度/表观密度/比表面积/ 磨损 抗压强度/ 造孔剂/% 污泥：膨润土预热时间/mim预热温度/℃烧结温度/℃ (gem)(gcm3)(m2g) 率/% MPa 1 0 28 20 400 1100 0.91 1.67 5.70 4.48 4.21 2 10 3:7 30 450 1140 0.62 1.00 7.67 4.08 6.42 10 4±6 40 500 1160 0.63 1.30 7.42 4.75 3.88 10 5±5 50 550 1180 0.86 1.12 5.93 4.49 2.98 5 7.5 2:8 30 500 1180 0.99 1.45 5.33 1.60 5.65 6 7.5 3±7 20 550 1160 0.86 1.55 5.98 3.11 5.73 7.5 4:6 50 400 1140 0.82 1.32 6.15 4.42 4.90 8 7.5 5:5 40 450 1100 0.66 1.36 5.78 5.74 3.26 9 5.0 2:8 40 550 1140 0.87 1.46 5.59 1.39 6.77 10 5.0 3±7 50 500 1100 1.02 1.67 4.02 3.92 4.61 11 5.0 4:6 20 450 1180 0.99 1.74 5.15 3.87 4.65 12 5.0 55 30 400 1160 0.72 1.20 6.22 3.76 5.80 13 2.5 2:8 50 450 1160 1.07 1.75 4.22 1.41 4.78 2.5 3±7 40 400 1180 1.02 1.77 4.22 1.20 4.12 15 2.5 4:6 30 550 1100 0.85 1.55 5.24 4.66 4.84 16 2.5 5:5 20 500 1140 0.68 1.20 6.55 4.58 4.68 增加到5.46MPa;当造孔剂掺量从5%增加到10% 3结果分析与讨论 时，由于产生的气体过多，导致料球内部孔隙连通和 3.1造孔剂对陶粒性能的影响 大小不均，容易形成应力集中，平均抗压强度又开始 实验所用的造孔剂是一种矿物原料，该原料能 降至4.37MPa.陶粒表面粗糙多孔，见图2(a),为 够在600℃以上高温分解，产生大量的气体并生成 微生物的生长繁殖提供了良好的栖息场所，造孔剂 氧化物助熔剂，见图1.造孔剂掺量由2.5%增加到 掺量确定为5% 5%时，料球内部产生的气体逐渐增多，生成的孔隙 3.2化工污泥与膨润土比例对陶粒性能的影响 逐渐均匀，主要因素一平均抗压强度由4.61MPa 陶粒的膨胀主要是由于料球在高温下能够产生 100厂来大---通-重量是22--- 适当黏度的液相，同时产生适量的气体0~山.原料 90 80 中SO2含量越高，熔液黏度越高，膨胀性能降低； 70 A2O3含量越高，烧成陶粒强度越大[可.造孔剂掺量 60F 一■一污泥陶粒 为5%时，在污泥掺量逐渐从2：8增加到5：5的过 一·一影润土 50 一▲一造孔剂 程中，料球中有机物增加，Si02含量从55.81%减少 40 一一泥原料 甲7 到46.19%，使料球在烧制过程中由最初的气体少、 3 0100200300400500600700800900 液相多逐渐转变为料球中含有的气体量与液相黏度 加热温度： 相平衡，料球逐渐具有较好的膨胀性，平均比表面积 图1红外热重曲线 从5.21m2g1增加到6.12m2g;随着污泥掺量 Fig.1 Thermal gravimetric analysis curves for aggregates 的增加，Al203含量从19.43%减少到17.68%，从
的降低是有利的．根据生产黏土陶粒的化学组成要 求来看化工污泥中 Al2O3 含量比较合适Al2O3 含 量对土的塑性贡献较大；表 1 还显示出 K2O 和 Na2O 含量略低K2O、Na2O 和碱土金属是良好的助 熔剂［9］含量高可使黏度下降即要达到一定黏 度需要的温度也低；其他成分都在可以接受的范围 内．所以为了烧制出合格的陶粒产品就必须设法 提高碱土金属的成分． 为了探索合理的产品配方及工艺参数根据上 述实验结果和交叉因素影响的程度确定选用 L16（45）正交表安排实验其因素和水平的排列情况 和陶粒的性能测试结果见表2． 表2 化工污泥陶粒正交试验表和性能测试结果 Table2 Orthogonal experiments and results for aggregates’properties 编 号 因素和水平 实验结果 A 造孔剂／％ B 污泥∶膨润土 C 预热时间／min D 预热温度／℃ E 烧结温度／℃ 堆积密度／ （g·cm －3） 表观密度／ （g·cm －3） 比表面积／ （m 2·g －1） 磨损 率／％ 抗压强度／ MPa 1 10 2∶8 20 400 1100 0∙91 1∙67 5∙70 4∙48 4∙21 2 10 3∶7 30 450 1140 0∙62 1∙00 7∙67 4∙08 6∙42 3 10 4∶6 40 500 1160 0∙63 1∙30 7∙42 4∙75 3∙88 4 10 5∶5 50 550 1180 0∙86 1∙12 5∙93 4∙49 2∙98 5 7∙5 2∶8 30 500 1180 0∙99 1∙45 5∙33 1∙60 5∙65 6 7∙5 3∶7 20 550 1160 0∙86 1∙55 5∙98 3∙11 5∙73 7 7∙5 4∶6 50 400 1140 0∙82 1∙32 6∙15 4∙42 4∙90 8 7∙5 5∶5 40 450 1100 0∙66 1∙36 5∙78 5∙74 3∙26 9 5∙0 2∶8 40 550 1140 0∙87 1∙46 5∙59 1∙39 6∙77 10 5∙0 3∶7 50 500 1100 1∙02 1∙67 4∙02 3∙92 4∙61 11 5∙0 4∶6 20 450 1180 0∙99 1∙74 5∙15 3∙87 4∙65 12 5∙0 5∶5 30 400 1160 0∙72 1∙20 6∙22 3∙76 5∙80 13 2∙5 2∶8 50 450 1160 1∙07 1∙75 4∙22 1∙41 4∙78 14 2∙5 3∶7 40 400 1180 1∙02 1∙77 4∙22 1∙20 4∙12 15 2∙5 4∶6 30 550 1100 0∙85 1∙55 5∙24 4∙66 4∙84 16 2∙5 5∶5 20 500 1140 0∙68 1∙20 6∙55 4∙58 4∙68 3 结果分析与讨论 图1 红外热重曲线 Fig．1 Thermal gravimetric analysis curves for aggregates 3∙1 造孔剂对陶粒性能的影响 实验所用的造孔剂是一种矿物原料该原料能 够在600℃以上高温分解产生大量的气体并生成 氧化物助熔剂见图1．造孔剂掺量由2∙5％增加到 5％时料球内部产生的气体逐渐增多生成的孔隙 逐渐均匀主要因素－－－平均抗压强度由4∙61MPa 增加到5∙46MPa；当造孔剂掺量从5％增加到10％ 时由于产生的气体过多导致料球内部孔隙连通和 大小不均容易形成应力集中平均抗压强度又开始 降至4∙37MPa．陶粒表面粗糙多孔见图2（a）为 微生物的生长繁殖提供了良好的栖息场所．造孔剂 掺量确定为5％． 3∙2 化工污泥与膨润土比例对陶粒性能的影响 陶粒的膨胀主要是由于料球在高温下能够产生 适当黏度的液相同时产生适量的气体［10～11］．原料 中 SiO2 含量越高熔液黏度越高膨胀性能降低； Al2O3 含量越高烧成陶粒强度越大［7］．造孔剂掺量 为5％时在污泥掺量逐渐从2∶8增加到5∶5的过 程中料球中有机物增加SiO2 含量从55∙81％减少 到46∙19％使料球在烧制过程中由最初的气体少、 液相多逐渐转变为料球中含有的气体量与液相黏度 相平衡料球逐渐具有较好的膨胀性平均比表面积 从5∙21m 2·g －1增加到6∙12m 2·g －1 ；随着污泥掺量 的增加Al2O3 含量从19∙43％减少到17∙68％从 ·1092· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第10期 刘景明等：由化工脱水污泥烧制陶粒 ,1093 而导致陶粒平均抗压强度从5.35MPa降到3.4烧结温度对陶粒性能的影响 4.18MPa,主要因素一平均磨损率从2.22%上 在陶粒的膨胀温度范围内，产生的气体主要是 升到4.64%.化工污泥与膨润土的比例确定为4：6. C与Fe203的氧化还原反应生成的C02].烧结温 3.3预热时间和预热温度对陶粒性能的影响 度对陶粒的膨胀性有较大的影响，温度过低，烧结陶 预热阶段是对料球进入烧胀阶段的预处理，以 粒得不到足够的膨胀性；温度太高，液相黏度太小， 此来进一步调整生料球的化学组成，主要是降低烧 甚至使料球熔融，束缚不住产生的气体，也得不到好 胀前料球中的碳含量，烧结陶粒的烧胀程度和强度 的膨胀，如图2(c)所示.在造孔剂为5%时，烧结温 与产品中残留碳的含量有关，碳与Fe203的比值为 度从1100℃升至1180℃的过程中，在1140℃时具 0.5时，陶粒的烧胀度为2倍2]，碳含量越多，陶粒 有最佳的主要因素一平均比表面积6.49m2g1、 的强度越低1].预热时间不足，料球中含碳量高； 平均抗压强度5.69MPa和平均表观密度 预热时间过长，料球含碳量低，会影响陶粒在膨胀过 1,25gcm-3.这是因为在1100℃时，料球开始软 程中产生的气体量，从而影响陶粒的膨胀性，在造 化并形成液相，逐渐能束缚住产生的气体，从而形成 孔剂为5%时，预热时间从20min增加到30min的 孔隙，随着温度逐渐升高，产生的液相增多，陶粒孔 条件下，主要因素一平均抗压强度和比表面积分 隙趋于均匀；而当温度超过1140℃时，液相黏度不 别从4.82MPa上升到5.68MPa及从5.85m2g1 断下降，料球部分熔融，液相已不能很好地束缚住产 增加到6.12m2g1;而预热时间增加到50min的 生的气体，部分孔隙连通，形成的孔隙大小不一，致 条件下，平均比表面积降低到5.08m2g1,平均抗 使陶粒的膨胀性不好，从而影响了陶粒的各项性能， 压强度降低到4.32MPa·可以看出，实验得出的最 图2分别为陶粒微观结构的扫描电镜(SEM)和成 佳预热时间为30min,在所选用的预热温度400~ 品照片，图2(a)和(b)为最佳工艺条件下陶粒表面 550℃范围内，预热温度对陶粒性能没有太大影响， 和断面的SEM照片，从照片中可以观察到陶粒表 从图1可知，在400~550℃的范围内，造孔剂基本 面粗糙多孔，内部有许多孔隙，且大小比较均匀； 还没有分解，而化工污泥中有机物基本分解完全， 图2(c)是烧结温度为1180℃的陶粒断面SEM照 从经济的角度若虑洗400℃. 片，与图2(b)相比，陶粒的孔隙虽然也较多，但大小 a (b) 200um 200um 200um Icm 图2陶粒表面、断面和成品照片.(a)1140℃陶粒表面；(b)1140℃陶粒断面：(c)1180℃陶粒断面：()陶粒成品 Fig.2 Images of the exterior.interior and finished product of aggregates:(a)SEM image of the exterior fired at 1140C:(b)SEM image of the interior fired at 1140C:(e)SEM image of the interior fired at 1180C:(d)image of finished aggregates
而导 致 陶 粒 平 均 抗 压 强 度 从 5∙35 MPa 降 到 4∙18MPa主要因素－－－平均磨损率从2∙22％上 升到4∙64％．化工污泥与膨润土的比例确定为4∶6． 3∙3 预热时间和预热温度对陶粒性能的影响 预热阶段是对料球进入烧胀阶段的预处理以 此来进一步调整生料球的化学组成主要是降低烧 胀前料球中的碳含量．烧结陶粒的烧胀程度和强度 与产品中残留碳的含量有关碳与 Fe2O3 的比值为 0∙5时陶粒的烧胀度为2倍［12］碳含量越多陶粒 的强度越低［13］．预热时间不足料球中含碳量高； 预热时间过长料球含碳量低会影响陶粒在膨胀过 程中产生的气体量从而影响陶粒的膨胀性．在造 孔剂为5％时预热时间从20min 增加到30min 的 条件下主要因素－－－平均抗压强度和比表面积分 别从4∙82MPa 上升到5∙68MPa 及从5∙85m 2·g －1 增加到6∙12m 2·g －1 ；而预热时间增加到50min 的 条件下平均比表面积降低到5∙08m 2·g －1平均抗 压强度降低到4∙32MPa．可以看出实验得出的最 佳预热时间为30min．在所选用的预热温度400～ 550℃范围内预热温度对陶粒性能没有太大影响 从图1可知在400～550℃的范围内造孔剂基本 还没有分解而化工污泥中有机物基本分解完全． 从经济的角度考虑选400℃． 3∙4 烧结温度对陶粒性能的影响 在陶粒的膨胀温度范围内产生的气体主要是 C 与 Fe2O3 的氧化还原反应生成的 CO ［12］．烧结温 度对陶粒的膨胀性有较大的影响温度过低烧结陶 粒得不到足够的膨胀性；温度太高液相黏度太小 甚至使料球熔融束缚不住产生的气体也得不到好 的膨胀如图2（c）所示．在造孔剂为5％时烧结温 度从1100℃升至1180℃的过程中在1140℃时具 有最佳的主要因素－－－平均比表面积6∙49m 2·g －1、 平 均 抗 压 强 度 5∙69 MPa 和 平 均 表 观 密 度 1∙25g·cm －3．这是因为在1100℃时料球开始软 化并形成液相逐渐能束缚住产生的气体从而形成 孔隙随着温度逐渐升高产生的液相增多陶粒孔 隙趋于均匀；而当温度超过1140℃时液相黏度不 断下降料球部分熔融液相已不能很好地束缚住产 生的气体部分孔隙连通形成的孔隙大小不一致 使陶粒的膨胀性不好从而影响了陶粒的各项性能． 图2分别为陶粒微观结构的扫描电镜（SEM）和成 品照片．图2（a）和（b）为最佳工艺条件下陶粒表面 和断面的 SEM 照片从照片中可以观察到陶粒表 面粗糙多孔内部有许多孔隙且大小比较均匀； 图2（c）是烧结温度为1180℃的陶粒断面 SEM 照 片与图2（b）相比陶粒的孔隙虽然也较多但大小 图2 陶粒表面、断面和成品照片．（a）1140℃陶粒表面；（b）1140℃陶粒断面；（c）1180℃陶粒断面；（d） 陶粒成品 Fig．2 Images of the exteriorinterior and finished product of aggregates：（a） SEM image of the exterior fired at1140℃；（b） SEM image of the interior fired at 1140℃；（c） SEM image of the interior fired at 1180℃；（d） image of finished aggregates 第10期 刘景明等： 由化工脱水污泥烧制陶粒 ·1093·
,1094 北京科技大学学报 第30卷 不一，出现穿孔现象，孔洞疏松，烧结温度确定为 度为1140℃，预热温度400℃.图2(d)为最佳工艺 1140℃. 条件下陶粒成品，外形为球形，由于在烧制过程中炉 4最佳工艺参数的确定 内烧结温度不均匀的影响，外观颜色呈铁褐色或栗 红色.由图1可知，陶粒在高温灼烧后没有减重，也 根据填料的选用原则和以上对陶粒各项性能的 即陶粒内没有有机毒物成分，在蒸馏水中浸泡两个 分析，确定最佳工艺参数为：造孔剂掺量为5%，污 月没检出重金属，该条件下烧结的陶粒性能符合建 泥与膨润土比例为4：6，预热时间为30min,烧结温 设部水处理滤料标准，见表3所示 表3化工污泥陶粒最佳性能测试结果 Table 3 Optimum properties of aggregates 堆积密度/ 表观密度/ 比表面积/ 磨损 空隙 烧灼 筒压 项目 (g'em3) (g'cm-3) (m2g 1) 率/% 率/% 减量/% 强度/MPa 污泥陶粒 0.87 1.51 5.37 1.21 42.41 0.1 5.78 行业标准 0.7-0.9 1.41.8 ≥4 3 >42 0.1 一 [6]Yan H D.Study on the superlighting ceramsite calcined by the 5结论 modified life sludge.Eniron Pollut Control.2005.27(1):63 (严捍东，生活污泥改性烧制超轻陶粒的研究.环境污染与防 (1)化工脱水污泥含有大量的有机物、Al203和 治，2005.27(1)：63) F203,将其辅以膨润土和造孔剂进行合理复配，可 [7]Zhang G M,Zhang X F,Zhang P Y.Technical Progress for Do- 获得具有较好烧胀性的陶粒 mestic Sludge of City as Resource.Beijing:Chemical Industry (2)虽然化工污泥化学成分复杂，在适合的原 Press.2006 料配比和适当的烧制参数下进行污泥陶粒的烧制 (张光明，张信芳，张盼月，城市污泥资源化技术进展，北京： 化学工业出版社，2006) 后，陶粒内没有有机毒物成分，水中浸泡两个月未检 [8]Fan JZ.Using sludge to manufacture artificial energy-saving light 出重金属成分， aggregate-ceramsite.Wall Mater Inno Energy Saing Build, (③)造孔剂的加入大幅度提高了陶粒的比表面 2004(3):26 积，为微生物的生长繁殖提供良好的栖息场所，增强 (范锦忠。利用污泥生产节能型人造轻集料一陶粒.墙材革 了陶粒的挂膜性能， 新与建筑节能，2004(3)：26) [9]Zhang G W.Yang B.Xi D L.Manufacture of aggregates with (4)预热过程对陶粒的膨胀性能有很大的影 slurry.Environ Prot Technol.2007.13(1):39 响，在陶粒烧制过程中是个重要的环节， (张国伟，杨波，奚旦立.河道底泥制备陶粒滤料的研究·环保 科技，2007,13(1)：39) 参考文献 [10]Huang D Z.He S X,Jiang Y X.A lightweight aggregate addi- [1]Liu J M.Wang D A.Tecknological Worker's Handbook of tive made of de watered sludge from city sewage plants.Acta Wastewater Treatment.Beijing:Chemical Industry Press.2004 Sei Cireum,2000.20(Suppl):129 (刘景明，王德安.污水处理工·北京：化学工业出版社，2004) (黄德志，何少先，江映翔.污水处理厂脱水污泥制作轻质陶 [2]Metes A.Kovacevic D.Vujevic D,et al.The role of zeolites in 粒添加剂的研究.环境科学学报，2000,20（增刊）：129) wastewater treatment of printing inks.Water Res.2004.38: [11]Xu C R.Zou J L.Sun L X.Utilization of dried sludge as an ad- 3373 ditive for making ceramsite.J Harbin Inst Technol.2007.39 [3]Show K Y.Lee D J.Tay J H,et al.Lightweight aggregates (4):557 from industrial sludge:marine clay mixes.J Environ Eng. (许国仁，邹金龙，孙丽欣。污泥作为添加剂制备轻质陶粒的 2005,131(7):1106 试验研究.哈尔滨工业大学学报，2007,39(4)：557) [4]Zhang MM.Wang L J.Study on process of materials of aggre- [12]Wang Z.Guo Y S.Experimental study on swell properties of gates and it's application in wastewater treatment.Southwest high strength aggregates with fly ash.New Build Mater.2002 Water Wastewater,2005.27(1):32 (2):10 (张苗苗，王立久·污水处理用陶粒滤料的工艺研究和应用. (王征，郭玉顺.粉煤灰高强陶粒烧涨规律的实验研究·新型 西南给排水.2005,27(1)：32) 建筑材料，2002(2)：10) 5]Zheng Z.Wu HD.The Theory and Engineering Application in [13]Zhu K J,Ma Z L.Technology of Sludge Treatment and Uti- the Aerated Biofilm Filter.Beijing:Chemical Industry Press. lisation of it's Resource.Beijing:Chemical Industry Press. 2004 2006 (郑俊，吴浩汀·曝气生物滤池工艺的理论与工程应用·北京： (朱开金，马忠亮。污泥处理技术及资源化利用。北京：化学 化学工业出版社，2004) 工业出版社，2006)
不一出现穿孔现象孔洞疏松．烧结温度确定为 1140℃． 4 最佳工艺参数的确定 根据填料的选用原则和以上对陶粒各项性能的 分析确定最佳工艺参数为∶造孔剂掺量为5％污 泥与膨润土比例为4∶6预热时间为30min烧结温 度为1140℃预热温度400℃．图2（d）为最佳工艺 条件下陶粒成品外形为球形由于在烧制过程中炉 内烧结温度不均匀的影响外观颜色呈铁褐色或栗 红色．由图1可知陶粒在高温灼烧后没有减重也 即陶粒内没有有机毒物成分在蒸馏水中浸泡两个 月没检出重金属．该条件下烧结的陶粒性能符合建 设部水处理滤料标准［5］见表3所示． 表3 化工污泥陶粒最佳性能测试结果 Table3 Optimum properties of aggregates 项目 堆积密度／ （g·cm －3） 表观密度／ （g·cm －3） 比表面积／ （m 2·g －1） 磨损 率／％ 空隙 率／％ 烧灼 减量／％ 筒压 强度／MPa 污泥陶粒 0∙87 1∙51 5∙37 1∙21 42∙41 0∙1 5∙78 行业标准 0∙7～0∙9 1∙4～1∙8 ≥4 ≤3 ＞42 ≤0∙1 － 5 结论 （1） 化工脱水污泥含有大量的有机物、Al2O3 和 Fe2O3将其辅以膨润土和造孔剂进行合理复配可 获得具有较好烧胀性的陶粒． （2） 虽然化工污泥化学成分复杂在适合的原 料配比和适当的烧制参数下进行污泥陶粒的烧制 后陶粒内没有有机毒物成分水中浸泡两个月未检 出重金属成分． （3） 造孔剂的加入大幅度提高了陶粒的比表面 积为微生物的生长繁殖提供良好的栖息场所增强 了陶粒的挂膜性能． （4） 预热过程对陶粒的膨胀性能有很大的影 响在陶粒烧制过程中是个重要的环节． 参 考 文 献 ［1］ Liu J MWang D A． Technological Workerʾs Handbook of Wastewater T reatment．Beijing：Chemical Industry Press2004 （刘景明王德安．污水处理工．北京：化学工业出版社2004） ［2］ Metes AKovacevic DVujevic Det al．The role of zeolites in wastewater treatment of printing inks． Water Res200438： 3373 ［3］ Show K YLee D JTay J Het al．Lightweight aggregates from industrial sludge：marine clay mixes． J Environ Eng 2005131（7）：1106 ［4］ Zhang M MWang L J．Study on process of materials of aggregates and it’s application in wastewater treatment． Southwest Water Wastewater200527（1）：32 （张苗苗王立久．污水处理用陶粒滤料的工艺研究和应用． 西南给排水200527（1）：32） ［5］ Zheng ZWu H D．The Theory and Engineering Application in the Aerated Bio-film Filter．Beijing：Chemical Industry Press 2004 （郑俊吴浩汀．曝气生物滤池工艺的理论与工程应用．北京： 化学工业出版社2004） ［6］ Yan H D．Study on the super-lighting ceramsite calcined by the modified life sludge．Environ Pollut Control200527（1）：63 （严捍东．生活污泥改性烧制超轻陶粒的研究．环境污染与防 治200527（1）：63） ［7］ Zhang G MZhang X FZhang P Y．Technical Progress for Domestic Sludge of City as Resource．Beijing：Chemical Industry Press2006 （张光明张信芳张盼月．城市污泥资源化技术进展．北京： 化学工业出版社2006） ［8］ Fan J Z．Using sludge to manufacture artificial energy-saving light aggregate－ceramsite．Wall Mater Innov Energy Saving Build 2004（3）：26 （范锦忠．利用污泥生产节能型人造轻集料－－－陶粒．墙材革 新与建筑节能2004（3）：26） ［9］ Zhang G WYang BXi D L．Manufacture of aggregates with slurry．Environ Prot Technol200713（1）：39 （张国伟杨波奚旦立．河道底泥制备陶粒滤料的研究．环保 科技200713（1）：39） ［10］ Huang D ZHe S XJiang Y X．A lightweight aggregate additive made of de-watered sludge from city sewage plants．Acta Sci Circum200020（Suppl）：129 （黄德志何少先江映翔．污水处理厂脱水污泥制作轻质陶 粒添加剂的研究．环境科学学报200020（增刊）：129） ［11］ Xu G RZou J LSun L X．Utilization of dried sludge as an additive for making ceramsite．J Harbin Inst Technol200739 （4）：557 （许国仁邹金龙孙丽欣．污泥作为添加剂制备轻质陶粒的 试验研究．哈尔滨工业大学学报200739（4）：557） ［12］ Wang ZGuo Y S．Experimental study on swell properties of high strength aggregates with fly ash．New Build Mater2002 （2）：10 （王征郭玉顺．粉煤灰高强陶粒烧涨规律的实验研究．新型 建筑材料2002（2）：10） ［13］ Zhu K JMa Z L．Technology of Sludge T reatment and Utiliz ation of itʾs Resource．Beijing：Chemical Industry Press 2006 （朱开金马忠亮．污泥处理技术及资源化利用．北京：化学 工业出版社2006） ·1094· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷