水处理污泥陶粒的制备及其对重金属的固定

Posted 2023-01-12 陶粒

篇首语：人有知识，则有力矣。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了水处理污泥陶粒的制备及其对重金属的固定相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

以湿态水处理污泥作为主要原料，混合粉煤灰和集料尾泥制备了陶粒，陶粒烧成过程模拟了回转窑工况条件。结果表明：当污泥掺入量较高时，污泥中有机成分的高温分解使陶粒坯体有较强的烧胀作用。当陶粒坯体中污泥质量含量为50%、粉煤灰和集料尾泥分别为25%时，1040℃短时烧结后的陶粒样品具有较为理想的轻集料性能，其堆积密度为760kg/m3，筒压强度为5.2MPa。浸出实验表明：随着污泥掺量的增加，从陶粒中浸出重金属离子量的增加幅度较小。这说明陶粒结构对污泥中的重金属有较强的稳定和固定作用，污泥陶粒的使用不会对环境造成二次污染。
随着我国社会经济发展和城市人口增加，城市污水处理厂的数量、规模都在日益增大，污水处理过程所产生的大量剩余污泥的处置问题也尤显突出，成为亟待解决的环保问题。剩余污泥中含有大量有机质，病原菌、寄生虫以及重金属等有毒有害物，且常伴有恶臭，如果将这些污泥不加处理地任意排放，将会对环境造成二次污染[1-2]。污泥处置目前已引起污水处理行业的高度关注，在已有的污泥处置方法中，采用焚烧处理不仅污染大气，而且能耗巨大；而采用填埋处理会对地下水资源造成潜在的危害[1-3]。一些学者将污泥焚烧后的灰烬用作活性微粉去改善混凝土的性能[4-5]。污泥也被用作陶粒配料，但一般只占10%左右[3，6-7]，如果直接将湿态剩余污泥大比例地用于陶粒配料组成，再通过塑性成型法加工陶粒料球，将会直接免去剩余污泥的脱水环节(该环节因成本高成为了剩余污泥资源化中的制约环节)，但是陶粒配料中污泥比例过大后，重金属成分可否通过高温烧结的方式被固定，还需进一步考察。
本实验进行了以湿态污泥为主要原料、辅以建筑集料洗选后的尾泥(即集料尾泥，以下简称“尾泥")和粉煤灰进行配料制备高性能陶粒的研究，并表征了污泥陶粒结构对重金属的固定作用，陶粒制备中还模拟了工业回转窑的加工过程。
1.实验部分
1.1原料
实验所用污泥取自马鞍山市中铁水务有限公司的湿态污泥，为黑色絮凝状，含水率为81.6%；集料尾泥取自马鞍山某采石场集料清洗后的尾泥(本质为黏土质沉积物)；粉煤灰为马鞍山第二电厂排放的一级粉煤灰。用X射线荧光光谱仪对所用原料的主要化学组成进行了分析，结果见表1。

1.2样品制备
将尾泥干燥粉磨(干燥温度为110℃)，按照一定的比例和粉煤灰一起加入到湿态污泥中进行混合搅拌，搅拌时间为10min，各样品的具体配合比见表2，在表2中已将湿态污泥量折合为干污泥含量。将搅拌后的泥料在练泥机中练泥，并从练泥机的挤嘴中挤出，再切割成Φ8mm×8mm的小泥丁，小泥丁在成球盘中被滚圆成Φ8mm左右的丸状坯体，即陶粒生料球。将陶粒生料球置于110℃的烘箱中烘干3h，然后在1040℃的最高烧结温度下进行烧结，所用高温烧结设备为一个模拟工业回转窑烧成过程的管式烧结装置：在外力的推动下，依次排开满载有陶粒生料球的耐热不锈钢舟(长30cm)，连续经过管式烧结设备的预热带、烧成带和冷却带(总长度200cm)，分别完成陶粒生料球的预热、烧结和冷却过程，烧成速度由小舟在烧结设备中的行走速度确定，行走速度为5cm/min。

1.3性能表征
用热重分析(TGA)表征了污泥、粉煤灰和尾泥的热失重行为，分析前将上述原料干燥脱去水分至恒重，分析时所用气氛为空气，升温速度为5℃/min，温度范围为室温～900℃。用JSM-6490LV扫描电镜(SEM)观察了污泥陶粒样品的微观形貌，陶粒的堆积密度和筒压强度测试参照GB/T17431.2-1998《轻集料及其试验方法》。
本实验对污泥陶粒样品浸出液中的重金属含量进行了测定，以检测污泥陶粒中的重金属离子是否被固定，测试参照HJ557-2010《固体废物浸出毒性浸出方法—水平振荡法》。用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定陶粒浸出液中重金属离子的含量。
2.结果与讨论
2.1原料的热重分析
3种原料的TGA曲线，见图1。从图1a可以看出，污泥样品的干基中可烧出有机成分的含量达到40%，这些有机成分如果在配料中充当部分燃分，可以起到降低陶粒烧成能耗的作用。由图1b可见，与污泥样品相比，粉煤灰的组成在900℃以下较为稳定，热失重值可忽略不计，可以作为陶粒结构中的骨架。从尾泥的热失重曲线(图1c)可看出，这是一个典型黏土矿物绿脱石的失重曲线，说明尾泥中主要成分为黏土质矿物，这也从集料尾泥的结合性能得到证明：加入25%的集料尾泥后，获得的陶粒生料球在烧成升温速度为40℃/min时不发生溃散。

2.2陶粒样品的形貌
2.2.1陶粒的外观形貌：陶粒样品的外观形貌，见图2。从图2a可以看出，不掺污泥的陶粒样品表面无釉，粗糙度较大；掺加50%污泥的陶粒样品(图2b)表面出现了玻璃釉质层。这说明污泥所含的有机成分在高温氧化后，所释放的热量能使该物料体系出现足够的液相并降低其黏度，即能降低样品的烧结温度，这也表明污泥中的有机成分可替代部分燃料。

2.2.2陶粒的微观形貌：文献介绍了作为轻骨料的陶粒，其微观形貌直接受配料组成是否有高温发胀作用影响：在一个以SiO2、Al2O3和熔融物质为3个组成顶点的相图(Riley相图)中，当陶粒坯体的化学组成位于相图上SiO2为53%～79%、Al2O3为10%～25%、熔融物总和(如Fe2O3、CaO等)为13%～26%的范围内，烧成时生成的液相量和液相黏度能满足陶粒坯体中高温生成气体的发胀要求，从而可以获得有多孔微观形貌的轻质陶粒；如果坯体化学组成在该范围之外，则高温生成的液相量及其黏度值，将不利于高温气体的发胀作用。高温发胀气体主要由下列反应产生：
2Fe2O3+C→4FeO+CO2↑⑴
Fe3O4+C→3FeO+CO↑⑵
3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2↑⑶
从表2所示的各原料化学成分可知，在本实验的6组陶粒配料组成中，当污泥含量在10%～50%范围内变化时，配料中SiO2含量为44.1%～53.6%，均低于Riley相图中烧胀作用所要求的SiO2含量，再加上上述反应都是在低于1100℃下完成，所以偏低的SiO2含量是不利于烧胀的。基于此，污泥的引入是有利的，因为其有机成分量较高(40%)，这些有机成分高温燃烧所释放的热量和气体量，可弥补因SiO2量少所致的烧胀功能不足，起到提高污泥陶粒中气孔量，降低其堆积密度的作用。污泥陶粒截面SEM照片，见图3。从图3可明显看出，随着污泥掺量的增加，样品截面的气孔数量明显增多，孔尺寸明显增大，同时非孔洞部分的结构致密、完好程度也得到提高，这种微观结构对固定重金属离子有利。

2.3陶粒样品的性能
陶粒性能随污泥加入量变化的情况，见表3。从表3可以看出，随着污泥掺量增加，陶粒样品的堆积密度逐渐降低，当污泥含量为50%时，污泥陶粒样品的堆积密度减至760kg/m3。

由表3数据可知，当污泥含量为10%时，该样品的筒压强度明显高于不加污泥的样品。这主要和高温时污泥中有机成分所提供的陶粒坯体内外气氛有关系，污泥陶粒坯体在高温烧结下，其表层的C首先氧化生成CO2，并在充分的氧化气氛中使铁氧化物为Fe2O3，而料球内层的C在缺氧条件下生成CO，所提供的还原气氛使铁氧化物为FeO。FeO是一种较强的高温熔剂，使陶粒坯体中的高温液相量增加，液相烧结性能增强，从而使加入少量污泥的陶粒样品相对于无污泥样品的筒压强度明显提高。当样品中污泥加入量超过10%后，随着污泥量的增加，样品的筒压强度呈现减小的趋势，这说明样品中有机成分氧化燃烧释放的热量既降低了熔体的黏度，又增加了成孔的气体量，从而使其气孔率增大，陶粒力学性能合理下降。
从表3中陶粒1h吸水率随污泥掺量变化的关系可看出，样品中污泥含量小于30%时，陶粒1h吸水率变化不大；污泥含量超过30%时，陶粒的1h吸水率明显升高，当污泥掺量提高到50%时，其1h吸水率比含30%污泥时增加一倍，原因在于：高温时污泥中有机物分解氧化所产生的大量热量和气体都具有提高陶粒显气孔率的作用，从而使代表陶粒显气孔率的吸水率随着污泥含量提高而急剧增大。
2.4重金属浸出率
取样污泥中的重金属成分含量，见表4。由表4可知，城市污水处理过程中的重金属会在剩余污泥中富集，这会阻碍其资源化利用，如果采用高温烧结的方式能将重金属成分固定在陶粒结构中，避免其向环境中析出，这一问题可有效解决。

污泥陶粒样品浸出液中的重金属含量，见表5。从表5可看出，污泥陶粒浸出液中的重金属含量随着污泥掺加量的增加而增加。这主要是因为陶粒中重金属离子主要来源于污泥，所以随着污泥含量的增加，单位陶粒中所容纳的重金属量也在增加。与10%污泥陶粒样品相比，当污泥含量提高5倍后(即50%污泥陶粒样品)，除了Cr、As和Cd的浸出量提高了3～4倍，其余重金属的浸出量提高仅1倍左右，污泥陶粒浸出液中主要重金属成分的质量浓度远低于GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》中规定的浸出液最高允许质量浓度。这说明陶粒结构对重金属有较强的稳定和固定作用，在陶粒烧结过程中，污泥所含重金属的一部分会随着温度的升高而汽化挥发(如Cd、Hg)；另一部分则会与其它元素发生一系列复杂的化学反应，形成含有重金属成分的化合物而固化(或固溶)在污泥陶粒的结构中(如Cu、Zn、Pb、As、Cr等)。文献介绍陶瓷结构中一些硅酸盐矿物(如钙长石)和玻璃相对重金属有较强的固溶稳定作用，从而使重金属成分的活动能力降低。当污泥陶粒被用作轻集料时，辅以具有固定重金属成分的胶凝材料，所形成的轻混凝土使用后的环境安全等级会显著提高。

3.结论
1.直接以湿态水处理污泥作为主要原料，粉煤灰和集料尾泥作为辅料配成的料球，在模拟回转窑烧成的工况条件下，经1040℃的短时烧结可制备出轻质陶粒。
2.当陶粒坯体中污泥含量为50%、粉煤灰和集料尾泥各为25%时，1040℃烧结后的污泥陶粒样品具有较为理想的轻集料性能，堆积密度为760kg/m3，筒压强度为5.2MPa，1h吸水率为20.8%。
3.重金属浸出结果表明：陶粒结构对高掺量污泥中的重金属离子有较强的稳定和固定作用，且随污泥掺量的增加，从污泥陶粒结构中浸出的重金属离子量的增加不明显，污泥陶粒的使用不会对环境造成二次污染。