污泥陶粒的性能特征与烧制工艺
    摘要：为了探索污泥烧制陶粒的新方法，在系统分析污泥理化性质的基础上，研究污泥陶粒的制备工艺及性能．结合污泥低温干化的技术特点
，建立污泥干化与陶粒烧制一体化的工艺流程．研究结果表明，污泥的Ａｌ２Ｏ３和Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ质量分数在可用于烧制陶粒的化学组成范围内，ＳｉＯ２的质量分数接近于４８％的下限值

，具备烧制污泥陶粒的基本条件
；污泥陶粒的抗压强度随着表观密度的增加而增大，烧制温度对污泥陶粒的抗压强度和表观密度产生明显影响
，在１０７５℃时烧制的污泥陶粒具有最大的抗压强度（７１．７ＭＰａ）和表观密度（２．４５ｇ／ｃｍ３），污泥陶粒的吸水率随烧制温度的增加而减小．
    近年来，随着工业的发展和人口的增加，城市污泥的产量与日俱增，污泥的无害化和资源化综合处理成为国内外共同努力的目标．随着人们对污泥理化性质研究的不断深入
，通过采用污泥低温干化技术［１］，在使污泥首先实现减量并使污泥中有害物质得到稳定的基础上，开辟了污泥资源化利用的多种途径，比如利用干化后的污泥颗粒烧制轻质节能砖［２］
、生产水泥压制品［３］作为烧制水泥的原料和燃煤的辅助燃料等［４］，这些综合利用使污泥得到了彻底的处理．由于各地区的实际情况和现实条件存在差异
，面对大量的城市污泥需要更多可供选择的污泥处理方法，这就需要不断地开辟污泥无害化和资源化处理的新方法和新途径．污泥陶粒最早由Ｎａｋｏｕｚｉ等［５］提出
，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＜１２００ｋｇ／ｍ３的多孔轻集料，具有体轻
、强度高
、隔音、保温耐火、耐化学、耐细菌腐蚀和抗震、抗冻等性能
，应用领域十分广泛，是世界各国普遍开发应用的新型混凝土轻骨料．目前的研究主要集中在将污泥作为陶粒烧制的有机添加剂，使用量少
，无法达到大规模处理的目的［６－７］．本文在分析测定污泥化学成分、矿物成分、粒度分布和热重变化等理化特性以及对比污泥无机成分与可用于烧制陶粒化学组成的基础上
，进行干化后污泥烧制陶粒的过程实验．同时
，对烧制污泥陶粒的控制因素和污泥陶粒的抗压强度、表观密度和吸水率等性能进行深入研究
，结合污泥低温干化的技术特点
，建立烧制污泥陶粒的方法及工艺路线．
    １。实验材料与方法
    研究选取的污泥
，来自采用生物活性污泥法的杭州四堡污水处理厂机械脱水后的新鲜污泥．
    １．１。污泥理化性质测定污泥的化学组成包括常量组分和微量元素．常量组分有：ＳｉＯ２
、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｆｅ２Ｏ３
、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ
、Ｎａ２Ｏ和Ｐ２Ｏ５；微量元素有：Ｃｕ
、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｓ
、Ｃｒ、Ｂ、Ｃｄ
、Ｈｇ、Ｎｉ．污泥的化学组成按照国家标准ＧＢ／Ｔ２０２６０－２００６的方法［８］，由ＩＲＩＳ／ＡＰ型电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ＩＣＰ－ＯＥＳ）测定
，空白样和重复样的分析误差＜５％．为了了解污泥的矿物组成，分别对污泥样品进行Ｘ射线衍射分析［９］．污泥粒度由美国库尔特公司生产的ＬＳ－２３０粒度分析仪分析．污泥热重分析在ＳＤＴＱ６００热分析仪上进行［１０］，污泥样品在自然条件下风干，破碎后取１０ｍｇ
，在空气氛围下，以１０℃／ｍｉｎ的升温速率升至８５０℃，同时获取热流（ＤＳＣ）

、发生转变温度（ＤＴＡ）和质量损失（ＴＧＡ）信息．
    １．２。污泥陶粒制备将含水率约为７５％的机械脱水污泥经过二段式低温干化过程
，在特制的污泥干化成粒装置内干化
，干化污泥冷却后，污泥含水率降至２０％以下，体积减少至原污泥体积的１／３以下．干化后污泥作为烧制陶粒的原料，在实验室条件下
，污泥陶粒的制备步骤［１１－１３］如下：
    １）用柱状造粒压机将干化污泥制成生料球，压机冲击的最大压力不小于２０ｋＮ；
    ２）污泥生料球分别在９００

、１０００、１０２５、１０７５

、１１００、１１２５和１２００℃下进行焙烧，以２℃／ｍｉｎ的速率升温至最高温度后
，保温６０ｍｉｎ［１４］
；
    ３）以２℃／ｍｉｎ的速率降温至５００℃
，过夜冷却至１１０℃，最后置于干燥器内冷却至室温，烧制完成；
    ４）污泥陶粒性能测定．污泥陶粒堆积密度（ＢＤ）测定：取５Ｌ金属制容量筒

，将陶粒均匀倒入，直至填满，表面空隙用较小陶粒填平后，称量．堆积密度计算公式如下
：
    ＢＤ＝（ｍ－ｍ１）×１０００Ｖ．式中：ｍ为试样和容量筒总质量，ｍ１为容量筒质量
，Ｖ为容量筒容积．污泥陶粒表观密度（ＡＤ）测定：待污泥陶粒冷却后
，精确测定质量和体积
，计算污泥陶粒的质量与体积的比值，得到污泥陶粒的表观密度．污泥陶粒抗压强度（ＣＳ）测定：污泥陶粒抗压强度以单位面积所能承受的最大压力为表征．所谓最大压力是指当陶粒受到压缩力作用而未破损时的最大应力［１５］．采用微机控制电子万能试验机测试．试验方法是将烧制体放置于单轴抗压平台上予以缓慢加压，当试体破碎时直接读取最大受力值和抗压强度［１６］．污泥陶粒抗压强度的计算公式如下
：
    ＣＳ＝ＰＡ．式中：Ｐ为污泥陶粒遭受破坏时的压力，Ａ为污泥陶粒受压面积．污泥陶粒筒压强度（ＣＣＳ）测定：参照国标ＧＢ／Ｔ１７４３１．２－１９９８［１７］的方法进行．污泥陶粒矿物组成分析
：将污泥陶粒粉碎后
，用研钵研磨至通过３２５目筛孔，按照标准ＳＹ／Ｔ６２１０－１９９６［１８］，利用ＲＩＧＡＫＵＤ／ＭＡＸ２５５０／ＰＣ多晶衍射仪进行分析．污泥陶粒吸水率测定
：污泥陶粒吸水率的测定参照国标ＧＢ／Ｔ１７４３１．２－１９９８的方法进行．污泥陶粒吸水率的计算公式如下：
    ｍｗ－ｍｄ式中：ωａ为污泥陶粒吸水率，ｍｗ为浸水试样质量

，ｍｄ为烘干试样质量．采用尼康Ｅ６００ＰＯＬ型偏光显微镜观察不同温度烧制而成的污泥陶粒断面结构．
    ２。结果与讨论
    ２．１。污泥理化特性对烧制陶粒的适应性
    利用激光粒度测定仪测得的污泥粒度Ｓｉｚｅ分布如图１所示．图中
，ｆ为频度
，φＢ为累积体积分数．根据图１分析的结果可知，污泥的平均粒度为４４．８２μｍ
，其中黏土
、粉砂和砂所占的比例分别为１０．１５％
、６０．９２％和２７．９４％．如图２所示为污泥的Ｘ光衍射（ＸＲＤ）分析．图中
，Ｉ为扫描强度
，２θ为衍射角度，ｄ为晶面距离．可以看出，污泥的砂粒主要由石英
、钾长石和斜长石组成，黏土主要由伊利石、高岭石和绿泥石组成（见表１）．粒度分析表明，污泥因粒度较小而比表面积较大，这增大了污泥颗粒之间的接触性．由于污泥颗粒固体表面张力的存在，使得污泥具有团聚成较大颗粒以降低系统总能量的趋势
，这增加了颗粒的反应活性．污泥在１８０℃下干化３０ｍｉｎ，加温至６００℃
，保温１ｈ，冷却后污泥无机部分的化学组分和微量元素的分析结果见表２．可以看出，污泥的化学组分主要以二氧化硅（ＳｉＯ２）为主，其次为三氧化二铝（Ａｌ２Ｏ３）．污泥中微量元素锌（Ｚｎ）的质量分数最高，达到２３５３．７７×１０－６．污泥的化学组分与污水处理厂污水的来源和污水处理方法有关，我国城市污水处理多采用生活污水和工业废水合并处理的方法［１９］，从而导致污泥中含有大量的金属微量元素．表３列出了可以用于烧制陶粒的化学组成范观颜色为砖红色
，外表面附着一层细小粉末，体积收缩不明显，表面未出现开裂，在偏光显微镜下观察到
，９００℃下烧制的污泥陶粒中留有未烧结完全的成分
，且结晶程度较差（见图３（ａ））；在１０００℃下烧制的污泥陶粒中已不见残留的原始成分，有一定的结晶程度
，呈砖红色（见图３（ｂ））；在加热温度为１０７５和１１００℃时烧制成的污泥陶粒外观颜色为暗红色，外表面手感粗糙，无明显瑕疵

，体积收缩较明显，在偏光显微镜下观察到，在１０７５℃下烧制的污泥陶粒中晶体颗粒均匀
，反映结晶程度较好
，呈暗红色（见图３（ｃ））；当最大加热温度为１２００℃时烧制成的污泥陶粒外观颜色为亮黑色，且与生料球相比
，由最初的圆柱体变为中部突出的鼓状烧结体，外表面存在很多空隙，在偏光显微镜下观察到，在１２００℃下烧制的污泥陶粒中晶体颗粒均匀，反映结晶程度较好，呈黑色（见图３（ｄ））．图３不同温度烧制的污泥陶粒显微镜下观察Ｆｉｇ．３Ｈａｙｄｉｔｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｂｓｅｒｖｅｄｕｎｄｅｒｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ表４列出了在不同烧制温度下生成的污泥陶粒堆积密度
、表观密度、筒压强度、抗压强度
、吸水率和比表面积等性能特征参数值．表中
，ｔ为烧制温度，Ｓａ为比表面积．可见
，经过１０７５℃烧制生成的污泥陶粒具有较高的抗压强度和表观密度，吸水率为１２．０１％，低于ＧＢ／Ｔ１７４３１．１—１９９８［２２］中对密度等级为１１００ｋｇ／ｍ３的轻粗集料吸水率不大于１５％的要求．根据《轻集料及其试验方法》ＧＢ／Ｔ１７４３１．２—１９９８的标准，高机械性能陶粒的筒压强度不小于４．０ＭＰａ，强度标号不小于２５ＭＰａ，对应的抗压强度为２０ＭＰａ左右．当加热温度为１０００～１１２５℃时烧制的污泥陶粒达到高机械性能陶粒的标准，特别是在１０７５℃时烧制的污泥陶粒抗压强度最大，达到７１．７０ＭＰａ．
    ２．２．１污泥陶粒抗压强度与表观密度的关系
    抗压强度反映了陶粒的力学性质
，是污泥陶粒性能特征的关键性参数．图４显示了污泥陶粒抗压强度与表观密度之间的关系．可以看出，表观密度与取自然对数后的抗压强度之间存在线性关系：
    ｌｎＣＳ＝１．６０７２ＡＤ＋０．５５２３．相关系数Ｒ２＝０．９２０３，表明污泥陶粒的抗压强度与表观密度紧密相关，即污泥陶粒的抗压强度随着表观密度的增加而增大．２．２．２烧制温度对污泥陶粒抗压强度和表观密度的影响在污泥陶粒的烧制过程中

，烧制温度对污泥陶粒抗压强度和表观密度产生明显的影响．图５显示了污泥陶粒抗压强度与烧制温度的关系．可以看出，在９００～１０７５℃的烧制温度范围内，污泥陶粒抗压强度随烧制温度的增加而增加；当烧制温度＞１０７５℃时
，污泥陶粒抗压强度随烧制温度的增加而减小．无机轻集料的强度受晶粒的类型
、大小、数量和气孔的大小
、数量、类型等因素的影响［２３］．图５的实验结果表明，当烧制温度为１０７５℃时，污泥陶粒中的晶粒
、玻璃质和气孔形成密度最大的结构，从而使污泥陶粒的抗压强度达到最大，图５所示的是在此温度下烧制而成的污泥陶粒
，具有最大表观密度（２．４５１ｇ／ｃｍ３）证明了这点
；当烧制温度＜１０７５℃时，污泥陶粒中各组分之间的固相反应产生的晶粒数量较少
，已经产生的晶粒中细晶粒所占比例较少，球形封闭气孔的数量有限，污泥陶粒表观密度较低，因而使污泥陶粒的抗压强度较低
；当烧制温度＞１０７５℃时，由于二次结晶效应的存在
，晶粒的粒度变大使得污泥陶粒表观密度降低，陶粒出现烧涨现象，使得污泥陶粒的抗压强度相对降低．图５污泥陶粒表观密度和抗压强度随烧制温度的变化Ｆｉｇ．５ＡＤａｎｄＣＳｆｏｒｈａｙｄｉｔｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｓ２．２．３污泥陶粒吸水率与烧制温度的关系吸水率是反映陶粒性能的一个重要参数．图６显示了污泥陶粒吸水率ωａ与烧制温度之间存在指数关系（相关系数Ｒ２＝０．９８２７）：
    ωａ＝－８×１０－６ｔ２＋１．４２×１０－２ｔ－６．２３５５．从图６可以看出，在９００～１１５０℃的烧制温度下，污泥陶粒吸水率随着烧制温度的升高而逐渐下降，污泥陶粒吸水率从烧制温度９００℃时的２９．６６％降至１１２５℃时的１．２８％．当温度高于１０７５℃时，陶粒吸水率降至１２％以下
，符合国标ＧＢ／Ｔ１７４３１．１—１９９８对轻粗集料吸水率的要求．当烧制温度接近图６污泥陶粒（１ｈ）吸水率与烧制温度的关系Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｗａｔｅｒａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇ１ｈａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒｈａｙｄｉｔｅ１１００℃时，由于污泥中以结构水形式存在的ＯＨ－去除、污泥中碳酸盐热分解造成二氧化碳的挥发以及含硫化合物转化为含氧化合物等原因，使污泥质量急剧减小
，挥发性物质散失后留下的空位逐渐被残余组分取代，污泥陶粒的气孔量减少，从而造成污泥陶粒结构趋于致密化和污泥陶粒密度增加至最大（见图５），这必然导致污泥陶粒吸水率急剧减小．污泥吸水率与污泥陶粒的致密化程度相关联．评价污泥陶粒致密化程度的依据是Δｖ／Δｍ，当该比值＞１时，说明污泥陶粒发生了致密化现象
，该比值越大，则球致密化程度越高

，Δｖ／Δｍ的计算公式如下：
    Δｖ／Δｍ＝（ｖ′－ｖ）／（ｍ′－ｍ）．式中
：ｖ为污泥生料球的体积
，ｍ为污泥生料球的质量，ｖ′为烧制后污泥陶粒的体积，ｍ′为烧制后污泥陶粒的质量．实验结果表明，当烧制温度为９００℃时，污泥陶粒的体积与质量之比：Δｖ／Δｍ＝１．１２，该比值＞１，表明污泥生料球通过９００℃的烧制，产生了致密化现象；当烧制温度为１１００℃时

，Δｖ／Δｍ增大到２．３２；当烧制温度＞１１００℃时，Δｖ／Δｍ下降
，这表明在１１００℃时，可以烧制成致密化程度最高的污泥陶粒，污泥陶粒致密化程度高，污泥陶粒的抗压强度大，而污泥陶粒吸水率相应降低．２．３。污泥陶粒烧制工艺流程经过机械脱水后的污水处理厂污泥或河湖疏浚污泥
，含水率一般为７０％～８５％．为了有效地降低污泥含水率和污泥体积，发明了污泥低温干化技术［２４］．该技术通过特制的污泥干化装置
，可以将污泥的含水率降至３０％以下
，体积减少至原泥的１／３以下．污泥陶粒烧制的工艺流程可以与污泥低温干化技术有机地结合起来，如图７所示为污泥陶粒烧制工艺流程图．可以看出，用专门的运输车送入储存库中的污泥，通过分量式进料机，将污泥送入特制的污泥干化装置

，进行污泥干化过程
，干化后的污泥在成品库经过冷却，用压机制成污泥生料球；然后进行污泥陶粒烧制
，污泥陶粒在烧制过程中排放的烟气余热可以作为污泥干化的热源，污泥干化所需要的不足能源
，由供热源通过燃煤和掺烧３０％～５０％干化后污泥产生的热量来提供．污泥陶粒烧制过程排图８污泥ＤＳＣ－ＴＧＡ曲线Ｆｉｇ．８ＳｌｕｄｇｅＤＳＣ－ＴＧＡｃｕｒｖｅｓ放的烟气余热和供热源提供的热烟气经过控温装置

，由引风机送入特制污泥干化装置，在特制污泥干化装置内通过热烟气与污泥的直接接触

，在连续加热污泥的过程中，使污泥中的水分蒸发，污泥干化过程所排放的尾气通过多级除尘除气装置，达标排放．如图８所示为污泥的ＤＳＣ－ＴＧＡ曲线，ｗ为试样实时质量比

，ＨＦ为热流速率．可以看出
，污泥在１０～１５０℃有一个比较明显的吸热峰，ＴＧＡ曲线显示在这个温度区间污泥失重１０．３１％，这主要反映了污泥水分的蒸发过程．在此过程中
，除水分蒸发外还有部分污泥中的有机物挥发［２５］，但它的比例是非常小的．在２４０～６００℃时

，有一个很明显的放热峰
，这是污泥中有机物燃烧产生的
，污泥的燃点在２４０℃左右
，污泥燃烧放出的热量为３８６３ｋＪ／ｋｇ（９２４．１６ｋｃａｌ／ｋｇ）．在污泥的燃烧过程中
，产生３个放热峰，这说明污泥中有多种不同类型的有机质．在６００℃以后，污泥的质量基本不变，温度从１５０℃升至６００℃
，污泥失重３８％，污泥在整个热解过程中失重率达到４８．３１％．这表明在６００℃下，随着污泥中有机质的全部热解，污泥减重将近一半．由于有机质的热解，污泥将贡献１５００ｋｃａｌ／ｋｇ左右的热量
，这使得污泥陶粒在烧制过程中

，不仅因为利用烧制陶粒排放的烟气余热而节省污泥干化所需的能源消耗
，而且因为污泥自身热解贡献热量而节省污泥陶粒烧制所需的能源消耗．
    ３。结论
    （１）污泥的平均粒度为４４．８２μｍ，污泥中黏土
、粉砂和砂的所占比例分别为１０．１５％、６０．９２％和２７．９４％．污泥中Ａｌ２Ｏ３和Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ的质量分数在可用于烧制陶粒的化学组成下，ＳｉＯ２和Ｆｅ２Ｏ３的质量分数接近于下限值

，表明污泥具备烧制污泥陶粒的基本条件．（２）在１０５０～１１２５℃下

，烧制的污泥陶粒堆积密度略高于国标对轻粗集料的要求
，但物理性能达到高机械性能陶粒的标准，特别是在１０７５℃时烧制的污泥陶粒抗压强度最大
，达到７１．７ＭＰａ，表观密度为２．４５１ｇ／ｃｍ３．污泥陶粒的抗压强度和表观密度之间存在显著的相关性，污泥陶粒的抗压强度随着表观密度的增加而增大．
    （３）烧制温度对污泥陶粒抗压强度和表观密度产生明显的影响．在９００～１０７５℃的烧制温度下，污泥陶粒抗压强度和表观密度随烧制温度的增加而增大；当烧制温度＞１０７５℃时，污泥陶粒抗压强度和表观密度随着烧制温度的增加而减小．污泥陶粒吸水率与烧制温度之间存在指数关系（相关系数Ｒ２＝－０．９８２７）
，在９００～１１５０℃的烧制温度下，污泥陶粒吸水率随着烧制温度的升高而逐渐下降，这与污泥陶粒的致密化程度增高有关
，污泥陶粒吸水率随污泥陶粒致密化程度的增高而降低．

    （４）污泥陶粒烧制工艺流程可以与污泥干化技术有机结合，污泥陶粒烧制过程排放的烟气余热可以作为污泥干化的热源
，干化后的污泥用于烧制陶粒。