污泥制备陶粒及其性能研究

余锋波，金文杰，聂振皓

（1.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.鞍山市环保局，辽宁 鞍山 114009）

污泥制备陶粒及其性能研究

余锋波1，金文杰1，聂振皓2

（1.辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.鞍山市环保局，辽宁 鞍山 114009）

采用鞍山市大孤山污水处理厂城市污泥和鞍山市千山山脉的黏土为主要原料制备陶粒。采用X射线衍射法和原子吸收法测定城市污泥和黏土的成分，主要含有SiO2和Al2O3；通过正交实验得到了城市污泥和黏土制备陶粒的最佳配方，配方是城市污泥与黏土比为3：1，烧结温度为1 000℃，保温时间为30 min，添加剂为15%；测定了陶粒的吸水率、表观密度和侵蚀率，得到了吸水率和表观密度成正相关，粒径为5 mm侵蚀率最小，30 h的侵蚀率是0.17%。将粒径为2、5和7 mm陶粒应用于焦化废水，研究了陶粒表面微生物附着效果；通过三组对比实验可知，同时加入污泥和陶粒处理焦化废水的效果最好，焦化废水COD从637.4 mg/L降到40.3 mg/L，只加入陶粒处理焦化废水最差，焦化废水COD从637.4 mg/L降到128.9 mg/L。

城市污泥；黏土；陶粒；焦化废水

城市污泥除水分外主要含大量有机物、致病细菌和病毒，在微生物的作用下易氧化分解。不经过处理的城市污泥任意排放，会对人体健康、环境、土壤、大气和水体产生危害。当前污泥的处理技术有农用、综合利用、陆地填埋、露天堆放、外运和焚烧［1］。我国各处理技术所占比例为陆地填埋约占63.06%，外运约占14.42%，污泥农用约占13.51%，综合利用约占5.41%，露天堆放约占1.80%，焚烧约占1.80%，总体污泥处置利用效率较低［2］，污泥资源化途径较少。随着污泥量逐年增加，到2020年预计将突破6 000万吨［3］，寻找到一种合理的资源化技术尤为重要。

污泥综合利用技术当前所占比例较少，但综合利用技术能实现污泥无害化和资源化，满足废物再利用原则，是污泥利用的发展趋势。利用污泥制备陶粒属于污泥综合利用的一种方式。陶粒按制备的原料可分为黏土陶粒、粉煤灰陶粒和生物泥陶粒［4］。烧制工艺一般经过预热过程和烧结过程。烧制成的陶粒主要有以下用途：（1）利用陶粒内部多孔，比表面积较大，热稳定性好，具有较好的吸附性能，可以作为生物载体，来处理城镇和工业污水；（2）陶粒还可以生产轻质砌块，达到环保节能和隔热的效果；（3）利用陶粒的保温、隔热性能生产地面垫层和楼层底面［5］。常规的污泥处理方法，如填埋和焚烧等，已经难以适应污泥增长的速度和日益严格的环境标准。污泥制备陶粒实现废物利用，减少环境危害，产生二次污染少，而且制备的陶粒可应用于水处理工程，有一定的经济价值回报，是一种高效、经济的处理技术。本论文主要研究污泥陶粒的制备方法及其在废水处理中的应用。

1 实验材料及仪器

材料：城市污泥，鞍山市大孤山污水处理厂；黏土，鞍山市千山山脉；九水合硅酸钠，分析纯；浓硝酸；高氯酸；重铬酸钾，化学纯；硫酸-硫酸银溶液；硫酸汞；六水合硫酸亚铁铵，分析纯。

仪器：原子吸收光谱仪GY-MARS/T 3600；电热恒温干燥箱DHG-9070A；水浴加热器WSZ-100A；马弗炉SX2-10-12；X射线衍射光谱仪Xpert X型；电感耦合等离子体发射光谱仪Optima 5300DV；新型高速连续式超微粉碎机CLF-30B；电子调温万用电炉DK-98-ll。

2 分析方法及研究方法

2.1 分析方法

（1）污泥的含水率和有机物含量。含水率和有机物含量是城市污泥和黏土的重要指标。城市污泥和黏土的有机物含量会影响陶粒烧结过程及烧成陶粒性能。

含水率：用分析天平称量质量为M1的原料放入干燥箱中，105℃条件下，干燥2 h后，取出自然冷却至室温后，称量记为M2。即含水率=（M1-M2）*100%/M1。

有机物含量（VSS）：用分析天平称量质量为M1的原料放入马弗炉中，600℃条件下，干燥30 min后，自然冷却至室温后，取出称量记为M2。即有机物含量VSS=（M1-M2）*100%/M1。

（2）X射线衍射和原子吸收光谱。利用荷兰PANalytical公司Xpert X型X射线衍射仪分析城市污泥和黏土的物相，射线源为Cu Ka靶射线，扫描范围为2θ=0°～90°。利用原子吸收光谱，测定城市污泥和黏土的金属氧化物组成。

（3）陶粒的性能检测。本实验主要检测陶粒的表观密度、吸水率和侵蚀率。表观密度单位为kg/m3，检测步骤：称量陶粒试样，记为 M（g），放入烧杯中浸水。1 h后取出。再放在2 mm的筛子上滤水5～10 min。取一个装有5～15 mL清水的20 mL的量筒，先记录初始量筒的水位为V0（mL），将滤水5～10 min的陶粒放入20 mL的量筒中，记量筒的水位为V（mL）。则陶粒颗粒表观密度=M×1 000/（V-V0）。

吸水率检测步骤：称取陶粒质量M（g）。将称量试样放入盛水的容器中并淹没。陶粒放入水中1 h后，将其陶粒取出放在2 mm的筛子上，滤水5～10 min，然后称量记为M1（g）。陶粒的1 h吸水率=（M1-M）/M×100%。

侵蚀率检测步骤：将陶粒放在干燥箱105℃下，干燥2 h，取出自然冷却至室温，称取M1（g）浸泡在水中，在需要测定时间长内取出，并放在干燥箱中，105℃下，干燥2 h，取出自然冷却至室温，再称量记为 M1，侵蚀率=（M-M1）/M ×100%。

（4）重铬酸钾法测定COD。测定步骤：称量0.2 g硫酸汞与500 mL的锥形瓶中，并加入10 mL原水和5 mL重铬酸钾溶液。摇匀后，加入15 mL硫酸-硫酸银溶液，放入小型加热炉上，先打开回流水，再加热。加热2 h后，停止加热。稍微冷却后，分别加入100 mL去离子水。冷却至室温后，使用硫酸亚铁铵进行滴定。

2.2 研究方法

（1）正交实验。陶粒烧制过程：将干燥后的城市污泥和黏土使用新型高速连续式超微粉碎机粉碎，再通过0.106 mm分子筛，再分别称量一定量的城市污泥、黏土和水玻璃（九水合硅酸钠），将水玻璃进行水浴加热液化，再将已称量好的城市污泥、黏土和液化的水玻璃进行充分混合，并人工造球。将球状陶粒放入马弗炉内，调制升温速度为10℃/s，马弗炉先后经过如下阶段：（1）100℃时，保温60 min；（2）200 ℃时，保温10 min；（3）500 ℃时，保温10 min；（4）800 ℃时，保温10 min；（5）设定实验要求的烧结温度和烧结时间。

本文选择L9（34）正交实验，即4因素3水平正交实验，确定影响因素为4个，分别为：混合物X的组成A；烧成温度B；添加剂的含量C；保温时间D。采用等水平正交设计，确定各影响因素的水平数为3。正交实验因素水平如表1所示，混合物X的组成配比如表2所示。正交实验考核指标为颗粒表观密度（P）和吸水率（W），综合指数为Z=P/W（Z为无单位指数）。计算Z值的大小，认为Z值较大、吸水率较小的陶粒为较优样品［6］。从而得到制备陶粒的最佳配方。

表1 正交试验因素水平Tab.1 Factor level of orthogonal test

表2 混合物X的组分配比，%Tab.2 Composition ratio of mixture X，%

（2）应用实验。通过正交实验得到制备陶粒的最佳配方，此配方制备的陶粒应用于焦化废水中，研究陶粒对焦化废水中COD的处理效果和挂膜效果。

陶粒粒径为5 mm对焦化废水的COD处理效果研究。进行三组对比实验，三组实验分别取400 mL焦化废水，倒入烧杯中，第一组向其中加入100 mL污泥，第二组向其中加入15 g左右陶粒，第三组向其中加入15 g左右陶粒和100 mL污泥，分别进行曝气，5 d后测COD。

陶粒的挂膜是其作为生物载体的一项重要指标。挂膜效果好，微生物在陶粒表面易吸附生长，有益于处理废水。本实验主要研究了粒径为2 mm、5 mm和7 mm陶粒对焦化废水的挂膜效果。主要步骤为用量筒取400 mL焦化废水，倒入3个烧杯中，向其中加入400 mL污泥和10～15 g陶粒并曝气，每天查看陶粒表面的微生物情况，曝气时间5 d后查看陶粒表面微生物附着情况。

3 实验结果及分析

3.1 含水率和VSS测定结果

本实验利用重量法检测了城市污泥和黏土的含水率及VSS，结果如表3。从表3可知，城市污泥含水率为74.175%，VSS为47.365%。城市污泥制备陶粒时，需要经过脱水降至10%以下，本实验采用自然干燥，可达到要求。黏土的含水率为3.8%，VSS为7%。可知黏土不需干燥就可直接制备陶粒，而且其挥发量很少。

表3 城市污泥和黏土的含水率及VSS，%Tab.3 Water content and VSS of municipal sludge and clay，%

3.2 XRD和AAS结果

图1 城市污泥和黏土XRD谱图Fig.1 XRD patterns of municipal sludge and clay

XRD原始谱图经过软件分析得到城市污泥和黏土XRD谱图如图1所示，XRD主要目的是得到城市污泥和黏土中的主要组成，从图1中可知，城市污泥中SiO2占46.3%，黏土中SiO2占51.2%。AAS结果如表4所示，城市污泥中Al2O3占13.6%，黏土中Al2O3占13.222%，K2O、Na2O，MgO和CaO也含有一部分。根据Raliy相图可知，SiO2和Al2O3是构成陶粒骨架成分，其他氧化物是助熔成分，如K2O、Na2O，MgO和CaO。本实验所用的城市污泥和黏土满足制备陶粒的条件。

3.3 正交实验结果

正交实验结果如表5所示，样品Z值的正交试验因素水平图，如图2。综合表5和图2可以得出由城市污泥和黏土制备陶粒的四因素最佳组合。

综合指数Z的极差分析表明，混合物X的组成对陶粒性能是第一影响因素。由于混合物X为主要原料，配比不同，各物质组成含量就不同，想要得到相同性能的陶粒，添加剂的量也因此改变，所以混合物X的配比决定了添加剂的量。此外，原料中各化合物的比例，决定了烧成温度和保温时间的大小。

烧成温度是影响陶粒性能第二影响因素。由于污泥原料成分的复杂性，烧结温度可以影响陶粒的很多性能指标，包括颗粒表观密度、硬度和吸水率，因为它影响陶粒的表面和内部的孔隙的大小与结构、影响陶粒中的晶体成分等。从图2中，可以看出随着烧成温度为1 000℃，Z值最大。

保温时间是影响陶粒性能第三影响因素。在烧成温度下，保温过程也是陶粒在烧制过程的重要步骤，因为烧成过程是一个反应的过程，其需要一定时间才能达到烧成的效果。从图2中，可以看出随着保温时间为30 min，Z值最大。

添加剂量是影响陶粒性能第四影响因素。添加剂主要是增加陶粒间物质的黏合强度，使陶粒达到一定的硬度。从图2中，可以看出随着添加剂量逐渐增加，Z值也随着增大。

表4 城市污泥和黏土各组成质量分数，%Tab.4 Mass fraction of municipal sludge and clay，%

表5 正交实验结果Tab.5 Results of orthogonal experiment

图2 样品Z值的正交试验因素水平图Fig.2 Zvalue of sample of factor levels for orthogonal test

综合可知，正交实验结果表明：（1）各因素中较佳的水平条件组合为A1B3C3D3，即城市污泥：黏土为75：25，烧成温度为1 000℃，添加剂（水玻璃）为15%，保温时间为30 min。（2）影响陶粒性能的主次顺序依次为城市污泥和黏土的配比、烧成温度、保温时间和添加剂量。

3.4 陶粒的性能检测结果

根据陶粒被污水的侵蚀程度与时间的关系，可以判断陶粒的使用寿命。图3为本实验不同粒径的陶粒的侵蚀率与时间的关系。

图3 不同粒径陶粒的侵蚀率与时间关系Fig.3 Relationship between erosion rate and erosion time for different diameters of ceramic particles

从图3可以看出，粒径为2 mm的陶粒损失量随浸泡时间的延长变化率较大，粒径为5 mm、7 mm的陶粒损失量随浸泡时间的延长变化较小。陶粒应用于废水中，变化率越小，对陶粒的侵蚀程度就越小。粒径为5 mm的陶粒损失量与浸泡时间的变化率最小。可以得出本实验陶粒作为生物载体最佳粒径为5 mm。

粒径为2 mm、5 mm和7 mm的陶粒测定的吸水率和表观密度结果，如图4所示。

从图4可知，粒径为2 mm的陶粒吸水率和表观密度都最好。吸水率和表观密度与陶粒粒径有关，且吸水率和表观密度随陶粒粒径的变化趋势相同。当陶粒粒径为2～5 mm时，表观密度和吸水率都随粒径增大而增大。当陶粒粒径为5～7 mm时，表观密度和吸水率都随粒径增大而减小。

图4 吸水率和表观密度随陶粒粒径的变化曲线Fig.4 Changing curve of water absorbing capacity and apparent density with particle sizes of ceramsites

图5 焦化废水的COD变化曲线Fig.5 Changing curve of COD of coking wastewater

图5为粒径为5 mm的陶粒应用于焦化废水中处理COD的结果。从图5可知，这三组实验，焦化废水加入陶粒和污泥的处理效果最好，而只加入陶粒的处理效果最差。实验结果和预期相同，唯一的缺点就是第二组和第三组结果相差不大，表明在加入污泥的条件下，再加入陶粒，对处理废水的作用不是很大。污泥起到了主要作用，其原因可能是：（1）污泥活性好和悬浮性较好，不需要陶粒作为生物载体即可达到去除COD的效果。（2）处理焦化废水时间过短，微生物还未在陶粒表面很好地附着，而导致没有体现出陶粒的优势，此原因也可以从图6可知。第一组实验结果可知，单独加入陶粒对焦化废水也有去除COD的效果。这可能是陶粒吸附了焦化废水中的还原性物质，使焦化废水COD降低。

粒径为2 mm、5 mm和7 mm的5 d陶粒挂膜效果，如图6所示。对陶粒表面做镜检观察，结果如图7所示。从图6和图7可知，陶粒表面有微生物生长，粒径为7 mm的陶粒微生物生长最好，但三种不同粒径都可满足生长条件，且表面粗糙易使微生物挂膜。

图6 不同粒径陶粒的挂膜情况Fig.6 Situation of hanging film on surface of ceramsites

图7 不同粒径陶粒表面泥镜检Fig.7 Microscopic examination of mud on surface of ceramsites

4 结论

本文主要开展了利用城市污泥和黏土制备陶粒的研究。得到如下结论：

（1）正交实验结果表明，制备陶粒最佳的水平条件组合为A1B3C3D3，即城市污泥：黏土为75：25，烧成温度为1 000℃，添加剂（水玻璃）为15%，保温时间为30 min。影响陶粒性能的主次顺序依次为城市污泥和黏土的配比、烧成温度、保温时间和添加剂量。

（2）从陶粒的侵蚀率角度上考虑，本实验陶粒作为生物载体最佳粒径为5 mm。侵蚀率最小，浸泡30 h其值是0.17%；吸水率和表观密度与陶粒粒径有关，且吸水率和表观密度随陶粒粒径的变化趋势相同。当陶粒粒径为2～5 mm时，表观密度和吸水率都随粒径增大而增大。当陶粒粒径为5～7 mm时，表观密度和吸水率都随粒径增大而减小。

（3）将粒径为2 mm、5 mm和7 mm陶粒应用于焦化废水，研究了陶粒表面微生物附着效果，三组粒径都满足微生物生长条件，且易使微生物挂膜。粒径为5 mm的陶粒应用于焦化废水中，同时加入污泥和陶粒处理焦化废水的效果最好，焦化废水COD从637.4 mg/L降到40.28 mg/L，只加入陶粒处理焦化废水最差，焦化废水COD从637.4 mg/L降到128.9 mg/L。

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Study on preparation of ceramsites with sludge and its performance

YU Fengbo1，JIN Wenjie1，NIE Zhenhao2

（1.School of Chemical Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Environmental Protection Agency in Anshan，114009）

In this study，the main raw materials used to make ceramsitescame were come from the municipal sludge of Dagushan sewage treatment plantin Anshan and clay of Qianshan mountainsin Anshan.The composition of the municipal sludge and the clay were detected by X-ray diffraction and atomic absorption spectrometry.It mainly contains Silica and Aluminum oxide.The optimum formulation of the municipal sludge and the clay was obtained by orthogonal experiment，i.e.the ratio of 3 of urban sludge to 1 of clay.The sintering temperature is 1 000 °C，and soaking time，30 min by the additive of 15%；Water absorbing capacity，apparent density and erosion rate of ceramsites were determinated.There was positive correlation between water absorbing capacity and apparent density.The smallest erosion rate was 0.17%for 5 mm of ceramsites in 30 h of soaking in water；The particles with size of 2 mm，5 mm and 7 mm were respectively applied to treat coking waste water and studied the effect of microbial attachment on the surface of ceramsites.Three groups of comparative experiments showed that sludge and ceramsites were added into coking waste water at the same time.The removal effect of COD was the best，which was reduced from 637.4 mg/L down to 40.28 mg/L，while the sole addition of ceramsites was the worst from 637.4 mg/Lto 128.9 mg/L for COD.

municipal sludge；clay；ceramsites；coking wastewater

July 19，2017）

X703.1

A

1674-1048（2017）04-0274-07

10.13988/j.ustl.2017.04.007

2017-06-19。

辽宁省教育厅先进煤焦化及煤资源高效利用工程研究中心开放课题。

余锋波（1993—），男，江西上饶人。

金文杰（1967—），女，辽宁鞍山人，教授。