城市污泥為摻料燒結磚的生產

  近年來, 污泥資源化制磚技術得到了充分發展, 但目前普遍停留在實驗階段。本文采用城市污泥為部分原料 , 進行了批量生產燒結普通磚 ( 承重磚 , 240 mm × 115 mm × 53 mm) 和空心砌塊 ( 非承重磚 , 190 mm × 190 mm× 190 mm) 的生產性試驗 , 研究了城市污泥燒結制磚技術 , 并重點分析了磚體的物理力學性能 ( 抗壓強度 ) 和熱工性能 , 結果充分表明 : 污泥制磚是城市污泥處理處置有效方式。

一、試驗部分

1. 1  試驗材料

    城市污泥取自南京市某污水處理廠 , 剩余污泥經濃縮 2 消化 2 機械脫水處理后 , 含水率 P = 75% 左右。試驗共取脫水污泥約 20 t，樣品污泥的有機物含量為 37.76% , 總氮1.875×104m g / kg, 總磷6 . 545 × 103  mg/kg, 銅 180. 5 mg/kg, 鋅 538. 5 mg/kg, 鉛 35.45 mg/kg, 汞 3 .585 mg/kg, 砷 24. 7 mg/kg, 六價鉻 12.45 mg/kg 。

    污泥經干燥后 ( 含水率 P =55% 左右 ) 破碎機械篩分 , 去除其中的粗大顆粒。頁巖粉粘土均取自南京某新型建筑材料公司 , 其塑性指標分別為 7.8 和13, 粘土級顆粒 ( d < 0 1 005 mm ) 含量 10. 3% 和25. 6% , 滿足制磚原料對塑性指數 7 ～ 15, 粘土級顆粒含量 10% ～ 60% 的要求 ; 兩者含水率分別為 7%和 11% 。城市污泥和頁巖粉粘土主要組成成分見表 1 。

表 1  頁巖粉、 粘土及城市污泥的主要組成成分

1. 2  制磚工藝

    在污泥制磚生產性試驗中 , 污泥干燥是重要的工藝環節 , 試驗在不改變磚廠生產工藝流程基礎上 ,利用磚廠現有干燥隧道窯 ( 目的為干燥磚坯 , 150 ～200 ℃ ) 來干燥污泥 , 干燥后 , 污泥含水率 P =55% 左右。干燥污泥與頁巖粉 ( 粘土 ) 按表2 配比混合 , 經陳化、 成型制坯、 干燥、 焙燒等處理工序后 , 制成污泥燒結磚 , 工藝流程如圖 1 所示。

表 2  干污泥 2 頁巖粉 ( 粘土 ) 質量配比

    各工段主要工藝參數如下：原料計量預混 ,加水攪拌混合 ,控制含水率 17% ～19%; 陳化均勻混合 料顆粒間的空隙水分，制坯成型 ，成型壓力約為 2.8～3.0MPa，磚坯含水率控制在 16% ～18% ；坯體150～200 ℃隧道窯干燥，含水率降至 6%以下，一般在 3%左右 ;980 ～1 060 ℃隧道窯焙燒、降溫，制成燒結磚。

1.3   分析儀器和方法

    抗壓強度 :NYL 2 300 型壓力試驗機 , 最大破壞負載法 ; 熱導率 : 準穩態平板測試裝置 , 熱線法 ; 傳熱系數 : 紫微 BW 2 1212WT 設備 , 標定熱箱法。

二、 結果與討論

2.1  污泥摻量對燒結普通磚抗壓強度的影響

    干污泥摻量對燒結普通磚抗壓強度影響較大 ,圖 2 為抗壓強度與污泥摻量關系曲線 , 從圖 2 中可以看出 , 污泥摻量越高 , 磚體的抗壓強度越差。分析原因為 : 磚體燒結過程中 , 污泥中有機物揮發大量氣孔和孔洞 , 造成磚體抗壓強度下降。

    摻加 1 . 92% ～ 5% 污泥的粘土燒結磚抗壓強度在 16. 1 ～ 20 . 8 MPa 之間 , 當污泥摻加量在 5% 以下時 , 污泥粘土磚能夠達到國家標準《燒結普通磚 》(GB5101-2003) 中MU15 強度等級要求, 具有較好的承重性能 , 可作為承重墻體材料。如果污泥摻量減少為 2. 5% 時 , 可以達到 MU20 強度等級要求 , 具有優良的承重性能。

    摻加 1.92% ～5%污泥的頁巖燒結磚抗壓強度 在 16.1～20.8 M Pa之間。由圖 2可知 ,當污泥摻加量在 6%以下時，污泥頁巖磚能夠達到國家標準《燒 結普通磚》GB5101-2003中 MU10 強度等級要求，可作為承重墻體材料。如果污泥摻量減少為 3.5%時，可以達到 MU15強度等級要求，具有較好的承重性能。

    同等污泥摻量時 ，污泥粘土磚抗壓強度優于污泥頁巖磚，這是因為粘土原料SiO2和A l2O3含量要比頁巖粉高 (表 1 ) ，燒結過程中生成的3A l2O3·2SiO2  (莫來石，決定磚體機械強度的決定性因素 )的量比頁巖磚高，提高了粘土磚的抗壓強度。其次，粘土中粘土級顆粒含量較高，在燒結過程中，形成燒結磚結構致密，整體性強，抗壓強度高。

2. 2  污泥摻量對頁巖空心砌塊抗壓強度的影響

    圖3 為頁巖空心砌塊抗壓強度與污泥摻量關系曲線 , 其變化趨勢與圖 2 基本一致 , 說明抗壓強度下降機理相同。污泥摻量 4.45% 頁巖空心砌塊抗壓強度為 4.88 MPa, 與國家標準《燒結空心磚和空心砌塊 》 (GB13545-2003) 最低 MU2.5 強度等級要求相比 , 完全可以滿足其作為填充墻 ( 或隔離墻 ) 的使用要求。污泥摻量在 5% 之內的頁巖燒結空心砌塊 , 強度等級為 MU3.5 (GB13545-2003) , 具有較好的承重能力。當污泥摻量較少至 4 1 3% 時 , 能夠達到與現行市售砌塊相同的 MU5.0 強度等級 , 具有優良承重性能。

2. 3  污泥摻量對頁巖燒結普通磚熱導率的影響

    對上述頁巖燒結普通磚進行熱導率 ( 氣態、 干態 ) 測定 , 所得結果如圖 4 所示。由圖 4 可知 , 隨著污泥摻量增加 , 磚體熱導率降低 , 分析原因為 : 磚體燒結使污泥中有機物揮發 , 磚體內部氣孔和孔洞增多 , 磚體熱傳導能力下降。4. 45% 干污泥摻量頁巖燒結普通磚熱導率為 0.295 W / (m · K) , 較不摻加污泥的頁巖磚(0.312 W / (m ·K) )降低了 5 .4% ,磚體熱傳導能力明顯下降。

2. 4  污泥摻量對頁巖燒結空心砌塊墻體傳熱系數的影響

    分別對不同干污泥含量的頁巖空心砌塊墻體進行傳熱系數 K 測定 , 見圖 5 。由圖 5 可知 , 頁巖空心砌塊墻體的傳熱系數隨污泥摻量增加而降低 , 隨著污泥摻量的增加 , 磚體熱傳導能力下降 , 墻體傳熱系數隨之下降 , 隔熱保溫性能提高。頁巖空心砌塊由于摻入了一定量的尾礦( 燒失量大 , 焙燒過程易形成孔洞) ,熱工性能已經大大改善 , 普通頁巖空心砌塊墻體的傳熱系數已經能夠滿足《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》 ( JGJ 134-2001 ) 對外墻平均傳熱系數 1.5 W / (m2 ·K)要求。4.45%干污泥空心砌塊墻體傳熱系 數為 1.33 W / (m2 ·K) , 同比標準 ( JGJ 134-2001 ) 1.5 W / (m2 ·K)的要求 ,節能效率可提高 1.13% ,墻體隔熱保溫性能得到明顯改善。

三、結  論

(1) 磚體燒結過程中 , 污泥中有機物大量揮發 ,形成氣孔和孔洞 , 增加了磚體內部微觀孔隙率 , 降低了磚體的抗壓強度 , 提高了磚體的熱工性能。

(2) 污泥摻量在 6% 之內的頁巖燒結普通磚 , 可以達到 MU10 以上強度等級(GB5101-2003) , 可作為承重磚體使用。污泥摻量在 5% 之內的頁巖空心砌塊 , 強度等級為 MU3 . 5 (GB13545-2003) , 可作為填充墻 ( 或隔離墻 ) 使用。

(3) 4.45% 干污泥摻量頁巖燒結普通磚熱導率為0. 295W / (m · K) , 較普通頁巖磚(0.312 W / (m ·K) )降低 5.4% , 磚體熱傳導能力明顯降低。

(4) 4.45% 干污泥摻量頁巖空心砌塊墻體傳熱系數為 1.33 W / (m2 ·K) , 比 《 夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準 》 (JGJ 134- 2001) 1.5 W / (m2 ·K)的要求 , 節能效率可提高 11.3% 。

(5) 在不改變磚廠生產工藝流程基礎上 , 利用隧道窯干燥污泥 , 普通隧道窯磚廠就可以進行規?；a , 并能創造一定的經濟和社會效益。

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