利用污泥制备劈离砖工艺技术研究硕士学位论文硕士学位论文.docx

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利用污泥制备劈离砖工艺技术研究硕士学位论文硕士学位论文

硕士专业学位论文

利用污泥制备劈离砖工艺技术研究

摘要

城市污水厂污泥（简称污泥）是污水处理厂排放的一种固体废弃物，含有大量水分（95~99%）、毒害性有机物、致病生物、无机矿物和重金属等，具有产量大、不稳定、易腐败、有毒有害、有恶臭、难处理等特点，对生态环境和人类健康具有长期潜在的危害性。

污泥的资源化利用是现阶段污泥处理与处置的主要研究方向，其中比较成熟的技术有土地利用、焚烧、热解以及制备建筑材料等。

然而这些现存技术普遍存在着污泥干燥成本高、产品质量难以达标、产品附加值低等缺点和不足。

劈离砖作为一种中高档类的建筑装饰用瓷质砖，其原料来源广泛、制备工艺简单、生产成本低，具有很强的实用性和潜在市场竞争力。

目前，劈离砖在消纳和利用各种低质原料和固体废弃物方面的优势与潜力日益凸显，相关领域的研究与应用成果日趋成熟。

本文提出了利用污泥制备劈离砖的工艺技术，即：

将污泥作为劈离砖的主要原料经过配料、湿法球磨、压滤脱水、真空练泥、陈腐、挤压成型、干燥以及烧成等工艺工序制备劈离砖。

实验依据传统劈离砖的制备配方设计了不同污泥掺量的系列配方，并通过对各混合料球磨浆料的压滤性能测试、泥段的加工性能测试以及生坯等的干燥性能和烧成性能等实验遴选出了最佳配方（污泥掺量最高的可行配方），并在此基础上进行了详细的中火保温和高温烧结实验。

最后，实验对由最佳配方在最佳工艺条件下制备的样品进行了物理化学性能测试及表征。

实验结果显示，本实验工艺中的最佳污泥劈离砖配方为污泥掺量高达60%、英山长石掺量为20.63%、石英砂掺量为5.2%、高岭土掺量为14.14%的配方。

其混合料经醋酸改性后具有良好的压滤性能，且其泥段的加工性能和湿生坯的干燥性能较好，其最佳的实验室烧成工艺制度为：

700℃中火保温10min，1200℃高温煅烧15min。

由最佳配方在最佳工艺条件下制备的样品吸水率为1.03%，断裂模数24.8MPa，均能满足国际标准“ISO13006:

1998”对A

级劈离砖的要求。

XRD分析测试表明样品以石英为主晶相，另含莫来石和钠长石；SEM图片显示样品为多孔结构；重金属固化测试表明样品重金属固化效果较好，重金属浸出量远低于标准“U.S.CodeofFederalRegulation（40CFR261.24）”中的相应要求。

本论文直接取用污泥制备劈离砖，无需干燥预处理，同时烧成时生坯中的大量有机物可作为砖坯内燃料，能够节省大量能耗。

污泥劈离砖属于陶瓷类产品，对重金属具有很好的固化效应。

本产品具有较高的市场附加值，工业生产时可以获得较高的经济效益。

综上所述，该技术切实可行有望成为各大城市决策污泥处理处置技术的优选方案，具有较佳的成果应用和产业化前景。

关键词：

废物资源化建筑材料陶瓷劈离砖污泥

Direct-utilizationofSewageSludgeto

PrepareSplitTiles

ABSTRACT

Municipalsewagesludge（MSS）isakindofsolidwastedischargedbydomesticwastewatertreatmentplants,andcontainsagreatamountofpollutantssuchasorganiccontaminants,heavymetals,pathogenicmicroorganismsandsoon,whicheasilyleadtoserioussecondaryenvironmentalpollutions.Therefore,muchattentionhasbeenpaidtothepollutioncontrolsofMSSworldwide,duetothegrowingsocialandenvironmentalpressure.Moreover,itismoresignificanttodeveloptherecyclingtechnologiesofMSSwhilesolvingitsenvironmentalpollutions.Quantitiesofinvestigationsinthisfieldhavebeencarriedout,andthemaintechnologiesincludecomposting,anaerobicdigestion,combustion,thermolysis,producingbuildingmaterials,andsoon.However,theseas-resultresolutionsarestillhinderedconsideringsuchproblemsashighcostofdryingpretreatmentofMSS,lowqualityandpriceoftheas-receivedtargetproducts.

Splittile,akindofmedium-gradeand/ortop-gradeceramictilesusedforthedecorationofbuildings,isbeingmoreandmorepopularforitslowrequirementsonrawmaterials,simpleandfeasibleprocesstechnologyanditslowproductioncost.SeriesofOutstandingstudiesonthereclamationoflow-gradematerialsandsolidwastestopreparesplittileshavebeencarriedoutsofar.

Inthispaper,anovelproposalondirect-utilizationofcrudeMSSasmainrawmaterialtopreparesplittiles（i.e.MSSsplittiles）wasdesignedandtestedbytheauthors.MSSsplittilesareproducedgenerallybysuchproceduresaswetball-milling,filter-pressing,vacuumpug-milling,aging,extrusion-forming,dryingandsinteringaccordingtotheas-designedprocesstechnology.AsuccessionofformulationsofbatchmixtureswithMSSincorporationfrom50%to60%forMSSsplittilewasdesigned.Aseriesofformulationexperimentsandphysicalandchemicalcharacterizations,likefilter-pressingpropertiesofball-milledpug,plasticityandhandlingcharacteristicsofthehydratedmudandthefiringpropertiesofthegreenbodieswerecarriedout.Afterbeingcomprehensiveevaluatedonallthekeyproperties,thebestformulation（i.e.thefeasibleonewiththehighestincorporationofMSS）wasdeterminedandsomefurtherexperimentsonthefiringprocedureofitwereexploredanddeveloped.Intheend,the“best”MSSsplittilesamplescamefromthebestformulationandpreparedthroughtheoptimizedprocedurewerecharacterizedandexamined.

TheresultsconfirmthattheoptimalformulationwithmaximumMSScontentcomposesof60wt.%crudeMSS,15.2wt.%quartz,20.6wt.%feldsparand14.2wt.%kaolinandaceticacidasamodifier.Thefilter-pressingpropertiesofball-milledpug,plasticityandhandlingcharacteristicsofthehydratedmudandthefiringpropertiesofthegreenbodiesabouttheoptimalformulationareallwellwithanas-determinedfiringsystem:

firingthegreenbodiesat700℃for10min,andsinteringthemat1200℃for15min.The“best”MSSsplittilesamplescamefromthebestformulationandpreparedthoughtheoptimizedprocedurehavethebendingstrengthof25.5MPaandthewaterabsorptionof1.14wt.%respectively,meetingthepropertyrequirementofA

-gradesplittilesinISO13006:

1998.XRDtestconfirmsthatthesamplesaremainlycomposedofquartzandmullite.TCLPtestrevealsthatthesampleshaveagoodsolidificationofheavymetals,andleachingvaluesofheavymetalsarefarlowerthantheregulatorylevelsrequiredbytheU.S.CodeofFederalRegulation（40CFR261.24）.

Inthispaper,withoutbeingpretreated,thecrudeMSSisdirectlyutilizedtopreparesplittileandthebioenergyinorganicmattercanbereleasedandrecycledduringthefiringprocedure,whichisfavorabletosaveenergyandcostofrecyclingMSS.Moreover,theas-resultedMSSsplittile,acertainporcelaintile,aresatisfyinginsolidifyingheavymetals.Andsplittile,apopularproductthatisgreatlyaccepthashighaddedvalue,whichwouldgiverisetoapleasedindustriallyapplicationinfuture.

Tosumup,direct-utilizationofsewagesludgetopreparesplittileproposedandtestedinthispaperisfeasible,andmaybethebestchoicetodisposeMSS,whichrevealsabeautifulprospect.

Keywords:

Wasterecycling,Buildingmaterials,Ceramics,Splittile,Sewagesludge

目录

第一章绪论4

§1.1城市生活污水污泥概况4

1.1.1污泥的产生与排放4

1.1.2污泥的组成概况4

1.1.3污泥的环境危害4

§1.2污泥资源化利用研究现状4

1.2.1土地利用4

1.2.2焚烧4

1.2.3热解4

1.2.4制备建筑材料4

§1.3污泥资源化利用技术发展趋势4

1.3.1现有技术存在的问题4

1.3.2污泥资源化技术发展趋势4

§1.4劈离砖概况4

1.4.1劈离砖的定义与分类4

1.4.2劈离砖的生产工艺4

1.4.3固体废弃物在劈离砖制备中的应用概况4

§1.5论文研究与意义4

1.4.1研究思路4

1.4.2研究总体目标4

1.4.3总体研究方案和内容4

1.4.4创新点4

第二章污泥劈离砖制备工艺设计4

§2.1利用污泥制备劈离砖工艺设计4

2.1.1工艺设计和流程4

2.1.2工艺步骤和内容4

§2.2利用污泥制备劈离砖的基本工艺设计原理4

2.2.1混合料配方设计4

2.2.2混合泥料脱水4

2.2.3混合泥料的练泥和陈腐4

2.2.4劈离砖坯体的烧成4

§2.3工艺技术特点、优势及研究意义4

2.3.1技术特点与优势分析4

2.3.2研究意义分析4

第三章利用污泥制备劈离砖工艺实验4

§3.1污泥物化性能分析4

3.1.1污泥样品的化学组成4

3.1.2污泥样品的矿物组成4

3.1.3污泥样品热分析4

3.1.4污泥样品可塑性指数4

§3.2辅助原料4

§3.3仪器设备4

§3.4实验总体方案4

3.4.1实验工艺流程4

3.4.2实验操作步骤4

3.4.3实验研究内容4

§3.5物理化学性能检测与表征手段4

第四章基础实验结果与讨论4

§4.1配合浆料压滤性能研究4

4.1.1实验方案4

4.1.2结果与讨论4

§4.2配合料泥段加工性能4

4.2.1实验方案4

4.2.2结果与讨论4

§4.3配合料坯体的烧成性能4

4.3.1实验方案4

4.3.2结果与讨论4

§4.4本章小结4

第五章优化实验结果与讨论4

§5.1劈离砖坯体中火保温烧成实验4

5.1.1中火保温温度实验及结果分析4

5.1.2中火保温时间实验及结果分析4

5.1.3中火保温实验总结4

§5.2劈离砖坯体的高温烧结实验及结果分析4

5.2.1高温烧结温度实验及其结果分析4

5.2.2高温烧结时间实验及结果分析4

5.2.3高温烧结实验总结4

§5.3劈离砖样品性能检测4

5.3.1劈离砖样品的物理性能检测4

5.3.2劈离砖样品矿物组成分析4

5.3.3劈离砖样品微观结构表征4

5.3.4劈离砖样品浸出毒性鉴别4

§5.4本章小结4

第六章结论4

致谢错误！

未定义书签。

参考文献4

第一章绪论

§1.1城市生活污水污泥概况

1.1.1污泥的产生与排放

城市污水厂污泥（简称污泥）是污水处理后的一种非均质体，主要由水分（95~99%）、有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成，是一种成分极为复杂的固体和液体混合物。

城市生活污水和工业污水等城市污水，经过城市污水厂处理后，其中的部分污染物转化为可沉降物质并予以排除，即为城市污水厂污泥。

中国环境状况公报[1]显示，2009年，我国投入运营的城镇污水处理厂1959座，总设计处理能力达到10441万m3/d，实际日平均处理量为7831万m3，其中新增城市污水日处理能力1330万m3。

2010年我国城镇污水处理能力已达到1.22亿m3，同时城镇污水处理厂已达2600多座，新建和在建城镇污水处理厂1800多座[2]，城市污水处理率由2005年的52%提高到75%以上。

截止到2011年底，我国投入运行的污水处理厂已达到3100多座，设计处理生活污水能力达到1.39亿m3/d，产生含水率80%的污泥2000多万t/d[3]。

污水处理后必然排出污泥，其产量通常占污水处理量的0.3~0.5%（以含水率97%计）。

随着城市人口规模迅猛发展、城市耗水量的急剧增加以及污水处理设施的普及、污水处理量的增加，污泥的产生量也必将大幅增长。

相关资料表明，我国城市生活污水污泥产量以每年约10%的速率增长。

与此同时，我国污泥中只有约10%经过堆肥处理后回用到土地，20%被卫生填埋，约70%的污泥都只是简单外运、随意填埋或堆放，“重水轻泥”现象比较严重[3-9]。

1.1.2污泥的组成概况

污泥是一类含水率极高的半固体胶状废弃物，常呈灰黑色，具有不稳定、易腐败、有毒有害、有恶臭等特点。

其成分组成非常复杂[10,11]，主要含有如图1-1所示的各种体系成分[12]。

（1）有机质

污泥中含有大量的N、P等有机生物质，占污泥干重的30~65%[13-15]，主要为：

木质素、蛋白质、脂肪、纤维素、糖类以及一些醇、酸、醚、酯等化合物。

这些有机物一方面与水具有很强的亲和性，导致污泥压滤脱水极其困难[16-19]；另一方面极易腐化变质，滋生寄生虫、细菌、病毒等并产生恶臭，对生态环境造成持续性的毒害和污染。

（2）无机物

从矿物组成的角度来看，污泥中的无机物主要为高岭石、伊利石、蒙脱石等粘土矿物和较少的石英、长石、方解石、白云石等瘠性矿物；从化学元素组成来看，污泥中含有较多的Si、Al、Ca、Mg以及相对较少的Na、K等[12,20-24]。

（3）污染物与毒害物

作为城市生活污水经过浓缩等处理后产生的副产物，污泥富集了城市生活污水中的各种污染物与毒害物，其中有AOX、PCBs、滴滴涕、二噁英等高达400多种的有机毒害物[10,11,24-27]，、占污泥干重0.5~2%的砷、镉、铬、汞、铅、铜、锌以及镍等难处理重金属[28-32]；以及种类繁杂的各种寄生虫卵、有害昆虫卵、病毒、致病细菌等生物毒害物[10,11,25,33-38]。

图1-1城市污泥的基本组成描述体系

1.1.3污泥的环境危害

污泥作为城市污水处理后的固体废弃物，若随意弃置，将会造成严重的污染事故。

2009年，北京环兴园环保科技有限公司将6000余吨污泥直接倾倒在砂石坑中，所造成的污染损失和治理费用经评估超过1亿元，造成了严重的环境污染。

污泥污染主要表现在对土壤、水体、大气等社会环境和自然生态造成各种直接和间接的危害[10,11,25,39-43]。

（1）污泥对土壤的危害

污泥的堆放搁置会侵占大量的土地资源，同时污泥中的各种可溶性有机污染物、病原体、高毒性有机物以及一些盐分等极易随雨水进入土壤，杀死土壤中微生物，破坏土壤生态环境并改变土壤的性质和结构。

污泥中难迁移、易富集、危害大的重金属成分亦会渗透入土壤环境中，并在土壤生态系统中富集；同时污泥中有机质腐烂后极易滋生各种致病微生物，从而对生态系统造成长期、潜在的危害。

（2）污泥对水体的危害

污泥含有大量的N、P、K等营养元素，极易导致水体富营养化；同时污泥中的大量有机腐败物、毒性有机物以及致病微生物极易在水体中扩散，污染并破坏径流、湖泊、地下水等水体环境致使水生动物死亡，水体发臭。

重金属成分亦会在水体中扩散并经生物食物链系统富集。

可见，一旦污泥进入水体，将会产生极为严重的后果。

（3）污泥对大气的危害

污泥中的大量有机物极易腐败产生甲烷、二氧化碳等温室气体以及各种刺激性毒害物：

气体方面，如臭鸡蛋味的硫化氢，烂洋葱味的硫醇类，鱼腥味的胺类，以及酰胺、吲哚、氮氧化物、硫氧化物、二噁英；液体方面，如酚、醇、醛、酮以及有机酸等。

同时污泥中的卤代烷烃类、多环芳烃、多氯联苯、致病菌以及重金属等各种毒害物也极易以气溶胶形式随空气漂浮并扩散从而造成危害。

§1.2污泥资源化利用研究现状

污泥处置技术中最为传统、最为经典的就是填埋处置技术，然而该技术既浪费了污泥中可资源化利用的成分，又无法从根本上消除污泥的危害，是一种短浅并且有着许多不足的处置方法[44,45]。

在建立资源节约型社会背景下，随着环保理念的普及和对污泥可资源化利用的深入认识，污泥的资源化综合利用才是符合解决污泥环境污染和合理利用资源等理念的最佳处置方式。

目前，国内外污泥资源化利用技术主要有：

土地利用、焚烧、热解以及制备建筑材料等。

1.2.1土地利用

污泥的土地利用包括农业利用、绿地利用、森林利用和土地恢复等。

污泥土地利用一般需经过堆肥发酵进行稳定化处理。

何泽坚、刘慧慧、丁文川、何品晶等[12,46-49]对污泥堆肥发酵进行了深入的研究：

污泥堆肥可以有效降解污泥中各种有机质，消除其毒害性，杀死其中的大部分病原菌、寄生虫卵、病毒以及植物种子，同时可优化真菌、铵化细菌及硝化细菌等菌种菌落等，从而可以很好地消除污泥臭味、大大降低其毒害性。

另外，堆肥熟化后的污泥含有丰富的氮、磷、钾和腐殖质等成分能够很好地促进植物生长，并改善土壤的孔隙度，团粒体结构，水力学性质（如持水性、水分稳定性），化学性质（如吸附性、代换性、缓冲性）等，是一种优良、廉价的有机土壤改良剂与增肥剂。

宋凤敏[50]利用堆肥后的污泥进行培植菠菜实验，发现空白土壤试样与堆肥污泥混合比为3:

1时，菠菜产量显著提高，且维生素C以及叶绿素含量均有所提高，硝酸盐含量反而有所减低，提高了菠菜产品的产量和质量。

赵晓莉等[51]进行了利用污泥培育生菜的实验，证实当利用堆肥污泥培育生菜时，施用量为6~10g·kg-1的污泥可促进生菜中类黄酮、水分、可溶性蛋白、抗血酸等含量的增加以及硝酸盐含量的降低，最终提高生菜的品质和产量。

曹春梅[49]设计了利用污泥培育莴笋实验，对比实验发现堆肥污泥培育出的莴笋的株高、茎秆半径、蛋白质含量以及氮磷钾等营养成分的含量都显著增加。

Warman等[52]在加拿大的新斯科舍地区进行了利用堆肥污泥培育饲料用青草与谷物类（corn）的实验，并对作物中Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn和B的含量进行了评估。

他指出厌氧堆肥的污泥所培育的作物Fe、Cu和Zn的含量较高，并且堆肥污泥的施用量必须考虑到土壤中一些重金属的累积程度。