CN114409425B - 一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，以污泥与生活垃圾焚烧炉渣为主要原料，添加适量玻璃粉，通过调控主要组分质量比为：SiO2/Al2O3＝2.3～3.4，(SiO2+Al2O3)/(CaO+K2O+MgO)＝1.7～3.8，来控制焙烧过程液相的生成量，从而提高陶粒的筒压强度，降低焙烧温度。将满足上述组分质量比的生活垃圾焚烧炉渣、污泥、玻璃粉和水混合均匀，经造粒、干燥后，在1000～1080℃温度下焙烧20～50min，即可得到性能优异的陶粒。本发明具有工艺简单、生产成本低、资源利用率高、环境友好等诸多优点，不仅可同步实现污泥的彻底解毒和资源化高效利用，而且可为陶粒工业提供原料，减少对天然原料的依赖。

Description

一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法
技术领域
本发明属于水污染净化材料领域，涉及污泥资源化利用，具体涉及一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，实现污泥的重金属固化与资源化利用。
背景技术
市政污泥是污水厂在处理城市生活污水和工业废水过程中产生的带有大量污染物的副产物。从外观上看，城市污泥是呈黑色或黑褐色的半流体状或泥饼状的絮凝体，是由泥砂、纤维、动植物残体以及多种微生物形成的菌胶团，同时含有铜、砷、铅、锌、铬、镉等重金属和难降解的有机、无机污染成分。其特点为:①含水率很高，持水力强，难以压缩脱水；②稳定性极差，易变质，产生恶臭；③呈现介于流体和胶体之间的絮凝体状态，流动性差；④含有多种重金属成分，简单处理会造成重金属污染；⑤产量大，处理成本高，占污水处理成本的30％～40％。
陶粒是以SiO2和Al2O3为主成分的原材料、经过高温焙烧而成的堆积密度小于1200kg/m3的多孔轻集料。具有密度小、强度高、吸水率低、保温、隔热、抗震及耐火等特点，近年来市场应用广泛，潜力巨大。可取代普通砂石配制轻集料混凝土，用作水处理滤料、吸附剂、透水路面材料，还可用作农业、园林中无土栽培的培养基以及桥面板、空心砌块等建材原料，目前已报导的污泥制陶粒的吸水率不足7％，孔隙率也较低，如何利用市政污泥协同炉渣制备出孔隙率在50％以上、吸水率在50％以上的多孔水处理陶粒现有技术中还尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，以市政污泥与生活垃圾炉渣为主要原料，添加玻璃粉来制备一种具有高吸水率和富孔的陶粒，可有效地解决现有城市污水处理厂污水污泥处理问题，有效地解决污水污泥的环境污染问题，拓展了污泥和炉渣的新用途。
本发明的核心创新点在于原料的选择，以生活垃圾焚烧炉渣与市政污泥为主，其中市政污泥中含有超过50％的有机物，根据这一特性，原料中不需要添加造孔剂，即可实现生活垃圾焚烧炉渣与市政污泥的资源化利用。本发明以污泥充当陶粒烧结过程中的发泡剂，污泥与炉渣协同作用，在预烧和焙烧机制下，添加玻璃粉使得在焙烧过程中产生足够多的液相，包裹产生的气体，将气体留在陶粒内部，形成更多的孔，最终使得陶粒具有更高的孔隙率和吸水率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，陶粒原材料中污泥含量为30～65wt％、垃圾焚烧炉渣5～40wt％、玻璃粉20～40wt％；陶粒焙烧前的原材料中主要成分及含量(参见表1)分别是：Al2O3含量为11～17wt％、SiO2含量为35～40wt％、MgO含量为2.5～3.5wt％、CaO含量为10～24wt％、K2O含量为1～2wt％、其余物质含量为5～10wt％。
制备方法的具体过程是：
S1：将污泥烘干至恒重；
S2：将污泥与炉渣破碎球磨，并过200目筛；
S3：按配比分别称取相应的污泥、炉渣、玻璃粉与淀粉，球磨混料；
S4：在混匀的原料中加入40～60％的去离子水，陈腐；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将搓好的陶粒放入烘箱中干燥；
S7：将干燥之后的陶粒在马弗炉中焙烧，冷却之后取出；
S8：陶粒性能测试。
优选地，所述市政污泥含量为55～65wt％、垃圾焚烧炉渣5～20wt％。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明采用生活垃圾炉渣与污泥为主原料，并用玻璃粉为辅料来制备陶粒，不但工艺简单、成本低，还可使炉渣、污泥得到充分利用。在变废为宝的同时不仅节约了黏土、页岩等珍贵资源，同时还避免了炉渣、污泥的大量排放和堆积，降低了环境污染，真正达到了固体废物的资源化、无害化和减量化的目的，同时实现了变废为宝。从原料角度来说，由于污泥中含有大量有机物，在烧结过程中会产生大量气体，所以不需要使用发泡剂就能获得成孔效果极佳的陶粒。本发明的水处理陶粒吸水率能达到69.45％，孔隙率能够达到58.84％、比表面积大于3.8×104cm2/g，相较于其他的固废陶粒成孔效果更好，吸水率更高。
本发明以污泥与生活垃圾焚烧炉渣为主要原料，添加适量玻璃粉，通过调控主要组分质量比为：SiO2/Al2O3＝2.3～3.4，(SiO2+Al2O3)/(CaO+K2O+MgO)＝1.7～3.8，来控制焙烧过程液相的生成量，从而提高陶粒的筒压强度，降低焙烧温度。将满足上述组分质量比的生活垃圾焚烧炉渣、污泥、玻璃粉和水混合均匀，经造粒、干燥后，在1000～1080℃温度下焙烧20～50min，即可得到性能优异的陶粒。而且陶粒表面粗糙、内部多孔，可用作水处理滤料，改性之后可以用来处理含油污水，如生活污水中的食用油、餐饮业的污水，含废油较高，能高效吸附油污。本发明具有工艺简单、生产成本低、资源利用率高、环境友好等诸多优点，不仅可同步实现污泥的彻底解毒和资源化高效利用，而且可为陶粒工业提供原料，减少对天然原料的依赖。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实例对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述。
下述实例中涉及的原材料的化学组成见表1。
表1：原材料化学组成(wt％)
化学组成 SiO2 Al2O3 MgO CaO K2O
生活垃圾焚烧炉渣 23.4 6.82 4.61 43.6 1.71
市政污泥 28.5 23.7 2.32 8.49 1.99
玻璃粉 67.9 5.07 3.50 10.2 0.07
实例一
本实例一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，原材料组成为市政污泥65％，垃圾焚烧炉渣5％，玻璃粉30％；
包括以下步骤：
S1：将污泥在烘箱中干燥至恒重，烘箱温度为80℃，烘干时间为12h；
S2：将烘干后的污泥与炉渣分别球磨成粉，过200目筛，球磨机转速为1500r/min，时间为30min；
S3：按配方比例称取对应重量的原料，并球磨混匀，球磨机转速为800r/min，时间为5min；
S4：将混匀的原料倒入研磨锅中，加入50％的去离子水，混匀后陈腐20min；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将成型的陶粒放入烘箱中烘干，烘箱温度80℃，时间3h；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1030℃，焙烧时间30min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
S8：对本实例中焙烧完成的陶粒进行性能测试，其中1h吸水率为69.45％，比表面积为3.79×104cm2/g，孔隙率58.84％，盐酸可溶率为0.7％，符合CJ/T 299—2008对水处理陶粒滤料的主要性能标准要求。另外重金属浸出浓度，可溶性氯含量、硫化物和硫酸盐含量及放射性均低于国家标准限值。
实例二
本实例一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，原料组成为污泥55％，炉渣15％，玻璃粉30％；
包括以下步骤：
S1：将污泥在烘箱中干燥至恒重，烘箱温度为80℃，烘干时间为12h；
S2：将烘干后的污泥与炉渣分别球磨成粉，过200目筛，球磨机转速为1500r/min，时间为30min；
S3：按配方比例称取对应重量的原料，并球磨混匀，球磨机转速为800r/min，时间为5min；
S4：将混匀的原料倒入研磨锅中，加入50％的去离子水，混匀后陈腐2h；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将成型的陶粒放入烘箱中烘干，烘箱温度80℃，时间3h；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1050℃，焙烧时间30min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
S8：对本实例中焙烧完成的陶粒进行性能测试，其中吸水率为62.39％，比表面积为3.17×104cm2/g，孔隙率52.34％，盐酸可溶率为0.9％，符合CJ/T 299—2008对水处理陶粒滤料的主要性能标准要求。另外重金属浸出浓度，可溶性氯含量、硫化物和硫酸盐含量及放射性均低于国家标准限值。
实例三
本实例一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，原材料组成为市政污泥30％，垃圾焚烧炉渣40％，玻璃粉30％；
包括以下步骤：
S1：将污泥在烘箱中干燥至恒重，烘箱温度为80℃，烘干时间为12h；
S2：将烘干后的污泥与炉渣分别球磨成粉，过200目筛，球磨机转速为1500r/min，时间为30min；
S3：按配方比例称取对应重量的原料，并球磨混匀，球磨机转速为800r/min，时间为5min；
S4：将混匀的原料倒入研磨锅中，加入50％的去离子水，混匀后陈腐20min；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将成型的陶粒放入烘箱中烘干，烘箱温度80℃，时间3h；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1000℃，焙烧时间20min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
S8：对本实例中焙烧完成的陶粒进行性能测试，其中1h吸水率为50.34％，比表面积为2.53×104cm2/g，孔隙率51.13％，盐酸可溶率为1.1％，符合CJ/T 299—2008对水处理陶粒滤料的主要性能标准要求。另外重金属浸出浓度，可溶性氯含量、硫化物和硫酸盐含量及放射性均低于国家标准限值。
对比例1
本对比例在实例一基础上用钼尾矿替代垃圾焚烧炉渣，原材料组成为污泥65％，钼尾矿5％，玻璃粉30％。
表2：原材料化学组成(wt％)
化学组成 SiO2 Al2O3 MgO CaO K2O
钼尾矿 68.8 14.3 0.668 2.01 6.31
包括以下步骤：
S1：将污泥在烘箱中干燥至恒重，烘箱温度为80℃，烘干时间为12h；
S2：将烘干后的污泥与钼尾矿分别球磨成粉，过200目筛，球磨机转速为1500r/min，时间为30min；
S3：按配方比例称取对应重量的原料，并球磨混匀，球磨机转速为800r/min，时间为5min；
S4：将混匀的原料倒入研磨锅中，加入50％的去离子水，混匀后陈腐2h；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将成型的陶粒放入烘箱中烘干，烘箱温度80℃，时间3h；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1030℃，焙烧时间30min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
S8：对本实例中焙烧完成的陶粒进行性能测试，其中吸水率为36.71％，比表面积为1.97×104cm2/g，孔隙率41.23％，盐酸可溶率为1.2％。
从上述测试结果可以看出，
对比例2
本对比例在实例一基础上用凹凸棒石替代垃圾焚烧炉渣，原料组成为污泥65％，凹凸棒石5％，玻璃粉30％；
表3：原材料化学组成(wt％)
化学组成 SiO2 Al2O3 MgO CaO K2O
凹凸棒石 63.6 15.2 4.51 5.49 1.7
包括以下步骤：
S1：将污泥在烘箱中干燥至恒重，烘箱温度为80℃，烘干时间为12h；
S2：将烘干后的污泥与凹凸棒石分别球磨成粉，过200目筛，球磨机转速为1500r/min，时间为30min；
S3：按配方比例称取对应重量的原料，并球磨混匀，球磨机转速为800r/min，时间为5min；
S4：将混匀的原料倒入研磨锅中，加入50％的去离子水，混匀后陈腐2h；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将成型的陶粒放入烘箱中烘干，烘箱温度80℃，时间3h；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1030℃，焙烧时间30min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
S8：对本实例中焙烧完成的陶粒进行性能测试，其中吸水率为26.64％，比表面积为1.56×104cm2/g，孔隙率36.87％，盐酸可溶率为1.4％。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，其特征在于：以市政污泥与生活垃圾焚烧炉渣为原料，添加玻璃粉，其中市政污泥含量为55～65wt%、生活垃圾焚烧炉渣5～40wt%、玻璃粉20～40wt%，通过调控主要组分质量比为：SiO2/Al2O3＝2.3～3.4，(SiO2+Al2O3)/(CaO+K2O+MgO)＝1.7～3.8，来控制焙烧过程液相的生成量，从而提高陶粒的筒压强度，降低焙烧温度；将满足上述组分质量比的生活垃圾焚烧炉渣、市政污泥、玻璃粉和水混合均匀，经造粒、干燥后，在1000～1080℃温度下焙烧20～50min，即得到孔隙率在50%以上、吸水率在50%以上的多孔水处理陶粒；
所述多孔水处理陶粒1h吸水率为51.34～69.45%，比表面积为2.4～3.8×104cm2/g，孔隙率51.13～58.84%，盐酸可溶率为0.7～1.1%，陶粒中重金属浸出浓度、可溶性氯含量、硫化物和硫酸盐含量及放射性均低于国家标准限值；
原材料的化学组成为：
Figure QLYQS_1
。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：以市政污泥与生活垃圾焚烧炉渣为原料，添加辅料玻璃粉；陶粒焙烧前的原材料中主要成分及含量分别是：Al2O3含量为11～17wt%、SiO2含量为35～40wt%、MgO含量为2.5～3.5wt%、CaO含量为10～24wt%、K2O含量为1～2wt%、其余物质含量为5～10wt%。
3.一种基于污泥的富孔高吸水率陶粒的制备方法，其特征在于：陶粒原材料中市政污泥含量为55～65wt%、垃圾焚烧炉渣5～40wt%、玻璃粉20～40wt%；陶粒焙烧前的原材料中主要成分及含量分别是：Al2O3含量为11～17wt%、SiO2含量为35～40wt%、MgO含量为2.5～3.5wt%、CaO含量为10～24wt%、K2O含量为1～2wt%、其余物质含量为5～10wt%；市政污泥中含有超过50%的有机物；
制备方法的具体过程是：
S1：将市政污泥烘干至恒重；
S2：将市政污泥与炉渣破碎球磨，并过200目筛；
S3：按配比分别称取相应的市政污泥、炉渣、玻璃粉与淀粉，球磨混料；
S4：在混匀的原料中加入40～60%的去离子水，陈腐；
S5：将陈腐之后的原料放入造粒机造粒，陶粒直径范围5～9mm；
S6：将搓好的陶粒放入烘箱中干燥；
S7：将烘干的陶粒放入马弗炉中进行焙烧，预热温度400℃，预热时间10min，升温速率5℃/min，焙烧温度1000～1080℃；焙烧时间20～50min，升温速率10℃/min；然后等炉温自然冷却到室温时取出陶粒；
原材料的化学组成为：
Figure QLYQS_2
。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述市政污泥含量为55～65wt%、垃圾焚烧炉渣5～20wt%。
5.一种陶粒，其特征在于，该陶粒采用权利要求1-4任一所述的制备方法获得。
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