陶粒,作为一种建筑用轻骨料,以其轻体、保温、环保等特性受到了人们的极大重视。当前我国陶粒主要以粘土陶粒为主,而粘土原料的来源绝大部分取自于耕地,不符合可持续发展战略。
因此以污水厂的污泥为主要原料,加以一定量的辅料、外加剂,经过脱碳和烧胀制成具有一定强度的轻质陶粒,可以大量的消耗脱水污泥,不但处理成本大大低于焚烧法,而且可以避免污泥二次污染,尤其符合我国固废处理的无害化、减量化和资源化原则将有广阔的发展前景。
1 轻质陶粒开发应用现状
1.1轻质陶粒概述 轻质陶粒是陶粒中的一个品种,我国行业标准《超轻陶粒和陶砂》JC487-92将它定义为“堆 积密度不大于500kg/m3 的陶粒”。按其堆积密度分为200,300,400和500等4级。按其最大粒径分为10mm和20mm两类。按其质量指标分为优等品(A)、一等品(B)和合格品(C)[2]。
轻质陶粒采用优质黏土、页岩或粉煤灰为主要原料,通过回转窑高温焙烧,经膨化而成,是一种优良的混凝土轻骨料,由于其内部呈蜂窝状结 构,因而具有轻质、高强、导热系数低、吸水率小等特点。
以它为原料制成的轻骨料混凝土空心砌块、梁、板等已成为我国发展新型墙体材料、代替实心黏土砖的主导产品。其中“轻骨料混凝土空心砌块”已列入科技部、财务部、国家税务总局2000年9月15日发布的《中国高新技术产品目录》中。
1.2污泥制陶粒国内外研究现状
1.2.1国外研究现状 近期,国外已有不少关于将污泥制成轻质建筑材料的报道。在日本,以燃烧过的污泥粉为主要原料,与污泥干粉或者粉煤等可燃性粉末,按需要的发热量调配成混合料,加水造粒,在链式烧结机上烧成轻骨料。轻骨料的烧结温度为1000～1100℃,烧结时间为25～30min。轻骨料的筒压强度为3～4Mpa,吸水率为16%～18%。福航公司李联盟介绍，在美国,NakouziS等人通过研究[3],发现回收或再利用染料污泥,将其转变成制陶粒的制陶成分,代替了原有的土地填埋的处理方法,取得了一定经济效益,并同时解决了污泥处置问题。
1.2.2国内研究现状 20世纪90年代以来,我国学者也进行了大量污泥制轻质陶粒的研究,并取得了一定的成果。山东福航新能源环保股份有限公司采用城市污水厂污泥替代河道淤泥或部分粘土烧制轻质陶粒获得成功，该企业以污泥为主要原料,掺以粘土和少量固体燃料研制生产出污泥陶粒,使污泥变废为宝,有利于改善环境污染,具有较好的社会效益和经济效益效益。
1.3
陶粒制备工艺路线 根据烧胀机理,可采用图1所示的污泥生产工艺路线[7]。 图1 污泥陶粒生产工艺简图制备的轻质陶粒产品性能可依据中华人民共和国国家标准《轻骨料试验方法》(GB2842-81) 和中华人民共和国建材行业标准《超轻陶粒和陶砂》 (JC487-92)来检验。
2 前景展望
2.1技术可行性分析
污水厂污泥是在一系列水处理工艺中从污水 中分离出来的生物固体。其无机成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主,类似粘土的主要成分。据福航公司李联盟介绍，烧制陶粒时,原料的化学成分是致陶粒膨胀的主要因素。按其作用可分为3类:其一是成陶成分,有SiO2、Al2O3及Fe2O3,在原料中占3/4;其二是起助熔作用的熔剂氧化物,有Na2O、K2O、FeO、MgO等;其三是发气物,在物料高温时产生气体,如H2O、O2、CO2、CO、H2等。经过上百件样的试烧,不添加助胀剂的原料化学成分多在以下范围(%):SiO2:48～68、Al2O3:12～18、Fe2O3:5～10、K2O+Na2O:2.5～7.0。原料的化学成分如能控制在上述 范围内,多数料球都能烧胀。学者Riley在研究粘 土陶粒烧胀性时[8],发现在某温度范围内,当所用陶粒原料的化学成分处于某一范围时,所得陶粒均具有良好的烧胀性。据此,他提出了用三元法表示原料化学成分的Riley三角形,并具体圈定形成适宜粘度的原料化学成分范围%如图2表示:适宜粘度的原料化学成分范围为SiO2:53%～79%,Al2O3:10%～25%,Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等熔剂之和13%～26%[9]。
2.2经济效益
以轻质陶粒代替砾石制成的超轻陶粒混凝土小型空心砌块和隔墙板是性能优良的新型墙体材料,在建筑行业中有广泛的应用。
根据测算,陶粒混凝土应用于高层建筑,可以减轻建筑物自重30%,减轻劳动强度20%,降低造价10%。云南省设计院曾对21M跨度的小型网架作过结构费用对比分析。当采用陶粒轻混凝土屋面板时网架自重比普通钢筋混凝土材料减轻了1.78kg/m3,按网架造价5000元/t计算可减少网架结构费用8.9元/m3。工程应用结果表明,超轻陶粒应用于屋面其技术经济指标较佳[10]。
2.3环境效益
以污水厂污泥制成轻质陶粒,变废为宝,将大大减轻日益严峻的污泥处理问题。福航公司李联盟介绍，在处理过程中,大量病原菌被高温杀死,且重金属固结在陶粒中,消除了污泥农用过程中,重金属从农产品进入食物链,最终进入人体,并在人体内富集的问题,避免了二次污染的产生,真正体现了固体废物处理的无害化、减量化、资源化原则,环境效益显著。
