污泥的粉煤灰調(diào)查和污泥陶粒的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、本論文將粉煤灰作為污泥調(diào)理劑，首先對城市污水廠污泥進(jìn)行了脫水預(yù)處理效果研究。隨后，以污泥、粉煤灰為原料，添加粘土為粘結(jié)劑，研究了污泥陶粒的燒制工藝，進(jìn)行了中試生產(chǎn)，并在水處理實(shí)驗(yàn)中考察了其應(yīng)用性能。在上述實(shí)驗(yàn)研究過程中，探討了粉煤灰對污泥脫水的影響機(jī)理；研究了污泥中高含量有機(jī)物以及助熔劑對污泥陶粒性能的影響及作用機(jī)理，從而揭示了污泥陶粒的膨脹機(jī)理。本論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　 1.以污泥比阻(SRF)、脫水速度、濾餅含

2、水率等為考察指標(biāo)，并以陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)為對照，通過單因素實(shí)驗(yàn)對城市污水處理廠的剩余污泥進(jìn)行了脫水效果研究。結(jié)果表明，隨著粉煤灰投加量的提高，污泥比阻持續(xù)降低。當(dāng)粉煤灰投加量達(dá)到2g/(100mL污泥)時(shí)，污泥比阻從0.92×109s2/g降至0.32×109S2/g，降低了65.2％。單獨(dú)投加粉煤灰對降低脫水污泥含水率效果最明顯，當(dāng)粉煤灰投加量為3g/(100mL污泥)時(shí)，濾餅含水率降至66.9％。PAM的投加，只能將污泥含

3、水率降至80％左右，當(dāng)繼續(xù)投加粉煤灰至3g/(100mL污泥)時(shí)，濾餅含水率可降為71.8％。PAM與粉煤灰聯(lián)合投加可使污泥脫水速度提高90％以上。
　　 2.通過化學(xué)成分分析、微觀形貌觀察(SEM)、粒徑分布、表面電負(fù)性(Zeta電位)等表征手段，結(jié)合脫水效果實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為粉煤灰降低污泥比阻的主要原因在于粉煤灰顆粒結(jié)構(gòu)疏松多孔，分散性好，強(qiáng)度較大，作為骨架均勻分散在污泥絮體結(jié)構(gòu)中，使污泥濾餅形成了透水性更好的多孔結(jié)構(gòu)，降低了壓縮程

4、度，水分進(jìn)出通道比較暢通，從而表現(xiàn)為污泥比阻的降低。粉煤灰和污泥表面都帶負(fù)電荷，不能對污泥起到電性中和作用，而且粉煤灰的投加不能促進(jìn)污泥顆粒粒徑的長大，因此粉煤灰不會(huì)對污泥產(chǎn)生絮凝作用。
　　 3.結(jié)合污泥、粉煤灰、粘土的化學(xué)成分分析，塑性指數(shù)測定以及熱重-差熱(DSC-TGA)分析，分別以硬度、吸水率、密度等為考察指標(biāo)，對原料配比、預(yù)熱溫度與時(shí)間、燒結(jié)溫度與時(shí)間等工藝參數(shù)對污泥陶粒性能的影響進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，確定制備污泥陶粒的

5、工藝參數(shù)為：原料配比中污泥含量不超過50％，粘土不低于50％；預(yù)熱溫度為400℃，預(yù)熱時(shí)間20min；燒制污泥陶粒濾料時(shí)，燒結(jié)溫度為1050℃，燒結(jié)時(shí)間為5min；燒制膨脹陶粒時(shí)，燒結(jié)溫度為1150℃，燒結(jié)時(shí)間10min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燒結(jié)溫度是影響陶粒物理性能的最關(guān)鍵因素。隨著溫度的升高，越來越多的原料成分熔化成為玻璃態(tài)物質(zhì)，使陶粒體積收縮，密度增大，表面增稠而致密，吸水率降低；當(dāng)溫度超過1125℃后，由于產(chǎn)氣反應(yīng)的發(fā)生，陶粒體內(nèi)氣壓

6、增大，體積膨脹，密度開始降低。
　　 4.通過考察預(yù)熱溫度對污泥陶粒密度和吸水率的影響，揭示山污泥中高含量有機(jī)物對污泥陶粒的膨脹作用機(jī)理為：ⅰ)有機(jī)膨脹劑(污泥中的有機(jī)物)在預(yù)熱階段(<500℃)發(fā)生了脫水和碳化，生成還原性的碳，ⅱ)在燒結(jié)階段(1150℃)，先是無機(jī)膨脹劑中的碳酸鹽(主要是CaCO3)、硫酸鹽等分解為對應(yīng)的氧化物和CO2、SO2，然后是Fe2O3在高溫下分解為FeO、Fe3O4和O2，產(chǎn)生的這些氣體使得陶粒體積

7、產(chǎn)生一次膨脹；ⅲ)由氧化鐵分解產(chǎn)生的O2與預(yù)熱階段產(chǎn)生的還原碳生成CO和CO2，這些二次氣體使得污泥陶粒體積產(chǎn)生二次膨脹。
　　 5.通過研究不同原料配比及燒結(jié)溫度對污泥陶粒物理性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，揭示了污泥中的助熔劑與燒結(jié)溫度之間的相互作用機(jī)制為：高溫下，污泥中較多的堿金屬和堿土金屬氧化物使得Si-O(橋氧)鍵斷裂，破壞了[SiO4]四面體骨架網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，使其更易解體，從而生成了更多的玻璃態(tài)熔融體。故污泥陶粒更容易燒結(jié)，

8、即燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)時(shí)間更短。
　　 6.通過對比污泥-粘土陶粒和粉煤灰-粘土陶粒的密度和膨脹率隨燒結(jié)溫度的變化規(guī)律，揭示了污泥陶粒的膨脹機(jī)理：當(dāng)溫度低于燒脹溫度(1150℃)時(shí)，熔融物質(zhì)的數(shù)量是決定污泥陶粒物理性能的關(guān)鍵因素。而熔融物質(zhì)的多少與助熔劑有關(guān)，助熔劑越多，則成陶材料的熔點(diǎn)越低，在相同溫度下熔化生成玻璃態(tài)物質(zhì)就越多，導(dǎo)致收縮更劇烈，顆粒密度更大。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到膨脹溫度后，決定污泥陶粒物理性能的關(guān)鍵因素演變?yōu)樗a(chǎn)生氣體

9、的壓力。當(dāng)氣體壓力足以克服表面張力時(shí)，體積膨脹。1150℃后，開始發(fā)生產(chǎn)氣反應(yīng)，在污泥陶粒中，這類反應(yīng)主要是碳和氧化鐵之間的氧化還原反應(yīng)，而還原碳來自預(yù)熱階段污泥中有機(jī)物的熱解。因此，碳和氧化鐵的含量以及它們之間的比例是氣體產(chǎn)生量的兩個(gè)決定因素。污泥陶粒中有機(jī)物和鐵含量都較高，因此，產(chǎn)氣量較大，導(dǎo)致內(nèi)部的空隙率高從而降低了顆粒密度。
　　 7.通過陶粒中礦物成分的X射線衍射(XRD)分析，發(fā)現(xiàn)粘土陶粒中主要是鈣長石、鈉長石等長石

10、類礦物，而污泥陶粒中的礦物成分主要是石英。正是由于高溫下原料粉末顆粒之間的熔融燒結(jié)，形成了這些長石以及石英等架狀硅酸鹽晶體和玻璃相無定形物質(zhì)，才使陶粒具有較高的強(qiáng)度和較大的硬度。
　　 8.通過以上污泥陶粒的燒制工藝研究和膨脹機(jī)理探討，認(rèn)為污泥陶粒濾料的燒結(jié)是一個(gè)不完全燒結(jié)和不完全燒脹的過程。一方面，通過燒結(jié)，使顆粒間鍵合，形成一定的結(jié)合力，提高機(jī)械強(qiáng)度；另一方面，要在陶粒內(nèi)部產(chǎn)生氣體使其體積膨脹，從而形成多孔的微觀結(jié)構(gòu)，降低密

11、度；第三還要通過降低助熔劑等成分的含量，使陶粒表面不易熔融，從而提高表面孔隙率。
　　 9.對污泥陶粒的重金屬浸出率進(jìn)行了測定，結(jié)果表明，污泥陶粒(污泥：粘土=1:1)的重金屬浸出濃度都低于1ppm，對重金屬的固化率都超過80％，對總Pb的固化率達(dá)到了99.1％。通過高溫?zé)Y(jié)，污泥中的大部分重金屬元素很可能與Si4+、Al3+等網(wǎng)絡(luò)形成元素發(fā)生了類質(zhì)同象置換，從而被牢牢固定在新的礦物晶體結(jié)構(gòu)中。污泥陶粒作為水處理濾料，其穩(wěn)定性和

12、安全性符合應(yīng)用要求。
　　 10.分別在實(shí)驗(yàn)室旋轉(zhuǎn)電爐和工業(yè)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行了污泥陶粒動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和中試生產(chǎn)，證明污泥陶粒燒制工藝合理，生產(chǎn)過程容易控制，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具備工業(yè)化放大條件。將中試產(chǎn)品應(yīng)用于曝氣生物濾池中，進(jìn)行了生活污水處理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明污泥陶粒濾料有利于微生物生長和繁殖，各項(xiàng)性能不遜于商品陶粒，并在氨氮的去除方面更具優(yōu)越性，是一種性能良好的水處理填料。
　　 通過以上研究，對粉煤灰調(diào)理后脫水污泥的處置及資源化途徑