夏克非,尹連仲,羅 捷

水合固化一步法處理城鎮(zhèn)生活污泥試驗研究

夏克非1,尹連仲2,羅 捷3

(1.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心,重慶401147;2.重慶市永恒環(huán)保工程有限公司;3.重慶遠達水務有限公司)

小規(guī)模工藝試驗利用水合固化技術將城鎮(zhèn)生化污泥一步加工成型為固體產物的,為城鎮(zhèn)生化污泥工業(yè)化、規(guī)?；幚硖峁┝艘环N新的投資省、運行費用低、快速高效的處置方法,處理過程不產生二次污染,成型后的產物可做多用途材料,是城鎮(zhèn)生化污泥資源化利用途徑之一。本文著重從試驗機理、原理、工藝流程、成型產物物性等方面,具體介紹技術的可行性、工藝的先進性。

城鎮(zhèn)污泥;水合技術;一步成型新工藝;資源化利用途徑

隨著我國經濟的向前發(fā)展,城鎮(zhèn)建設中心化、擴大化進程迅速,城鎮(zhèn)污水相對集中,規(guī)模化的污水處理廠和污水處理設施建設相應日益增多。近幾年來城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高,城市污水處理廠的污泥產量也急劇增加,污泥及時、快速的安全處理處置問題也日益突出,已經成為城鎮(zhèn)污水無害化處理和環(huán)保治理工作中的新難題、新挑戰(zhàn)。據統(tǒng)計,目前我國城市污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為550～600萬噸,預計到2010年可能還會增加2～3倍[1]。目前,國內外污泥處理處置的方法種類繁多,但大都存在高投入、高能耗、高運行費的種種問題。土地填埋處理由于可供填埋場地越來越少,今后將受到嚴格控制;焚燒法處理由于設備及運行費用昂貴、投資大并有廢氣排放,也不宜普遍適用。至于目前國內廣泛使用的污泥濃縮、壓濾脫水后即行排放的處理方法,則有處理不徹底,易引起二次污染等缺點。

生化污泥一步固化法處理是利用硅酸鹽類水合固化技術,將城鎮(zhèn)生化污泥一步加工成型為固體產物的新工藝,該技術工藝具有投資省、處理迅速、占地面積少、處置并固化后污泥性質穩(wěn)定,并同時可以進一步轉換為多種材料。處理工藝過程中不產生二次污染等優(yōu)點,因此能達到使污泥處置減量化、無害化、資源化的目的。

1 水合固化機理

目前很多大宗的建筑材料(如水泥、石灰)的制造生產,是以焙燒不溶于水的非金屬礦物質為基礎,經高溫焙燒,無機鹽物質原有的組織晶格受到破壞與轉型,從不溶于水變?yōu)橐环N與水相遇后轉變?yōu)榕c水有結合能力,從而形成一種具有粘接膠凝性能的水合產物,形成的水合產物,最終又可以在空氣中逐漸固化,又轉變?yōu)椴蝗苡谒墓腆w。這就是部分硅酸鹽、無機鹽由于外加條件下晶格的變化完成了不溶于水,轉為溶于水,最終又變?yōu)椴蝗苡谒奈锘攸c;這也是可以利用其一種或幾種無機物相配比組合的水合重結晶的特點,對一些含水量高,難于形成可分離沉淀的生活、工業(yè)廢漿液、濃漿污泥進行固化成型處理的技術基礎。

自然界中大部分礦物質都含有硅酸二鈣,其分子組成2CaO·SiO2,2CaO·SiO2有幾種變體,α和α’變體—屬高溫過程的產物,如火山熔融巖漿,冶煉的浮渣;β變體是一種最常見的,在普通條件下硬化緩慢,然而卻又是構成水泥、石灰的主要成分。γ變體—水硬活性極低,實際上不硬化。但經過人為改變結晶條件,也可形成最終固化(例如灰砂磚在蒸養(yǎng)釜中養(yǎng)護固化);β—2CaO·SiO2和γ—2CaO· SiO2就具有快速膠凝固化性能。其水合固化體的強度能與波蘭特水泥及其他高活性礦物(阿利特3 CaO·SiO2)相比。生產實踐證明對于緩慢硬化的材料來說,利用加熱蒸汽養(yǎng)護對提高材料的強度是十分顯著的,有益的。蒸汽處理時,混合物所有組分均積極參與化學反應,新生成物的著工合成伴隨著一系列復雜而獨特的物理—化學過程的水化(結晶化)過程,包括液、固相界面反應、變體的轉化、晶體的定向生成等。

物質的固態(tài)對于建筑材料形成工藝具有特殊意義,習慣上固體分為結晶體與非結晶體。所有晶體具有規(guī)律排列的結構—晶格,在化學組成相同時,晶體所擁有的能量比非晶格體低。晶體的物理性質在各個方向并不一致,主要取決于晶格的構造。在非晶格物質中,結構上只有近程有序性。通常非結晶物質是各向同性的。并且具有多余能量,穩(wěn)定性較差的非結晶體在適宜的條件下能轉變成晶體,放出熱量。

金屬的許多技術性質取決于元素周期表中相應的金屬元素,冶金工業(yè)可以稱為多晶元素的生產制造工業(yè)。相反,磚石硅酸鹽建筑材料的生產是建立在獲得無機化合物的基礎上,而其中氧起著重要作用,大多數磚石材料性質取決于各種氧化物的相互作用,這些氧化物往往產生復雜的復合體,其中包括大量各種元素。結晶晶格內各種元素的排列位置,在很大程度上取決于其氧化物數量和質量,結晶格子的構造與物質的化學成份有關,化學成份越簡單,晶格的對稱性就最好。

硅酸鹽、水化硅酸鹽屬于復雜晶格類無機鹽,它們的幾何尺寸、電磁作用力取決于分子或耦合離子的分布規(guī)律。水分子的結構是不對稱的,當水分子進入硅酸鹽晶格時,就表現出極化作用,并會破壞正負電荷的均勻穿插。

SiO2對于磚石硅酸鹽材料具有特殊意義,特別是Si—O鍵的結構與性質,已知的Si—O鍵有下列形式:獨立鍵(SiO4)4-,如橄欖石(Mg·Fe)2SiO4;由四面體(SiO4)組成的復雜的有限基團,例如硅酸三鈣的水合物Ca3(Si3O7)·(OH)6;無數單向和雙向基團—偏硅酸鹽鍵 (SiO4)4-,如硅灰石 Ca3(Si3O9)、Mg2(SiO6);無限延伸的帶,這時鍵連接成帶,頂角相連,內部出現空位,如硬硅鈣石。以上硅酸鹽晶格結構中可以看出,氧離子具有重大作用,氧離子的包絡密度很大,氧離子是晶格中數量最多和粗大的結構單元。

水和水蒸氣對于無機水合物的生成也是必要條件,在水、熱條件下發(fā)生多種物理—化學變化,這些變化與原始組分的性質、溫度、壓力、溶解度、細度、氣相性質等密切相關,水不僅是原料混合物的活性化學組份和特殊的催化劑,而且是重要的物理因素,可能產生破壞晶格的力學作用,也可能是重建新晶格的必要力學作用。

大量分析實驗表明:水分子由相鄰分子組成類似冰結構的四面體,而SiO2和水結構相似,因此能成為建立水化硅酸鹽合成的重要假定。水這種結構具有分子排列連續(xù)存在和連續(xù)重新分布的特點。不僅如此,水分子處于連續(xù)運動,并且具有活性非常強的氫基(H+)和羥基(OH-)。

鑒于水分子具有不對稱性,故不但擁有高的物理—化學活性,而且能以各種不同形式進入新生物質的結構中:

(1)結構水,結構水以 H+、OH-、H3O+離子的形式進入晶格,并往往占有多邊形O-2離子相似位置,只有當化合物破壞后,結構水才能變成固有水,這種水在加熱到300—1300℃范圍內蒸發(fā)并吸收熱量。

(2)結晶水,晶格中存在的水分子即可作為陽離子型又可作為陰離子型進入水和晶體,這種水往往以兩種方式失去,例如CaSO4·2H2O(1.5 H2O和0.5 H2O)一般在低于500℃溫度下分解出來(通常250—300℃),當水完全分解出來,晶格也就被破壞,當失去部分水時,晶格就處于不穩(wěn)定狀態(tài),一旦與水接觸,又很快與水結合。

(3)沸石水,H2O分子在沸石中的分布是在通道相連的晶格空腔內,絮狀結構的鋁酸鹽即是代表之一,而沸石水在相當寬的溫度范圍內逐漸失去,同時也不會因此而破壞晶格。

(4)吸附水,吸附水分為細縫網格結晶層間水,凝膠水和吸收水,其含量是變化的,它能在極大的溫度范圍內失去,同時也不會引起晶格和化合物的破壞,干燥時縮小,反之受潮時就會膨脹。

大多數水合硅酸鹽中有多種多樣的水結合形式,使其結構的研究工作變得十分復雜,但同時也豐富和增加了利用其不同性質的工藝選擇成為可能和多樣化。

當p H>10時,SiO2溶解度明顯增大,而 Ca (OH)2的溶解度則隨p H值的提高而降低;當p H= 12.5時鈣離子和偏硅酸(HSiO3)-的比值接近1,可生成各種堿度的水合硅酸鈣;當CaO:SiO2等于或小于1時生成低堿度的水化硅酸鈣(莫來石、硬硅鈣石、白鈣沸石)。提高CaO:SiO2比值,生成堿度較大的水化硅酸鈣(斜方硅鈣石、水硅鈣石)。

2 試驗

2.1 試驗原理

大多數硅、鈣、鋁水合物在水化期間表現出一種膠凝狀態(tài),例如生石灰與水混合,水泥與水混合都具有一種凝結然后硬化的現象(即水硬性),也常稱為其表現的活性,活性越高,制品的性質就越好,它形成的形狀越穩(wěn)定。分析表明:水合物的活性,取決于偏高嶺土和游離 SiO2、Al2O3的含量,含量越高,活性就越大。對于城鎮(zhèn)生化污泥按上述水合膠凝機理,對生化污泥進行配比結晶,對晶型進行人為改變后,再利用水合成型技術,對已用物理法初脫水生化污泥(不需再進行脫水、干燥),一步固化加工成型為固體產物[1]。

2.2 試驗工藝流程與說明

2.3 工藝流程說明

(1)生化污泥由生化污泥處理車間管道排出進入生化污泥地槽,經泥漿泵提升到處理裝置頂部的泥漿計量缸,泥漿計量缸內設置了三層槳葉式攪拌器。為調整生化污泥的懸液均勻性、流平性、保持一定的工藝高度,經助劑計量缸1計量加入1#助劑,同時加入消毒劑、除臭劑,在連續(xù)攪拌工作情況下,使生化污泥形成一種均勻的膠懸液狀料漿。

(2)將已制備好的生化污泥膠懸料漿經自動排料閥排入預結晶調制反應器,同時經2#、3#助劑計量缸,分別加入2#、3#助劑,使料漿p H值維持在9-10范圍內。2#、3#助劑是一種高堿性的活化劑,起激活硅酸鋁鈣溶出并形成相應復配物的作用,使其形成水合硅酸鈣和水合鋁酸鈣(鈣釩石)的預結晶晶核,并同時使這些復雜的水合結晶產物的晶格相互交匯搭接、穿插,進一步形成一種復雜而穩(wěn)定的硅酸鋁鈣復合無機鹽結構。

(3)已預結晶完畢的生化污泥膠懸料漿經自動排料底閥排入動態(tài)反應器中,此時將提升至懸儲斗中的固化劑加入,在強制混合攪拌狀態(tài)下,將上述已呈復鹽結構的化合物逐漸凝聚、硬化,并保持一定的工藝加工可塑性,原生化污泥漿液中所含的液體組分通過預結晶成為復鹽的結晶水消耗一部分,其余部分水分經固化反應水合在孔隙發(fā)達的混合物中。

(4)打開動態(tài)反應器自動排料底閥,將具有一定可塑性的混合料經螺旋輸送機送入擠壓成型機。上述物料在螺旋式擠壓機內完成混煉、捏合、塑化、交鏈等過程,使擠出物成為一種具有一定密度、可塑度、硬度的棒狀或磚塊固形物,其含水率18-20% (自然干化24小時后含水12-14%)具有穩(wěn)定的幾何尺寸和一定強度,十分方便搬遷、堆碼、裝卸、運輸[4-7]。

2.4 試驗原料與添加助劑

所取污泥為重慶某城鎮(zhèn)污水處理廠脫水污泥,經批量取樣和化驗,其成分組成數據如下:

從以上兩表可看出,污泥固體物相對含量較高,含水量也高,對于物料間的水合反應和物料的最終成型,都起著至關重要的作用,而部分污泥重金屬含量超標(GB4284-84)。這種污泥農用、一般填埋都不會有好的效果。

2.5 工業(yè)化小型試驗設備與過程

在實驗室所取得大量數據中,篩選出切合實際又符合性價比高的物料配比,調制出9批次不同的物料,按上述操作步驟和不同條件,擠出規(guī)格尺寸為:240×120×60 mm,單塊重2.2 kg。其物化機械性質見下表。

表1 混合生化污泥組成成分

表2 混合生化污泥重金屬含量表 (mg·kg-1)

表3 處理后形成物的理化和機械性能指標

表4 每處理1 M3生化污泥處置成本概算表

3 結論

城鎮(zhèn)生化污泥的難處理性和處理費用高的現狀,是目前各類處理技術所面對的難題;利用現有的成熟技術,探索新的途徑,開發(fā)新工藝,是城鎮(zhèn)生化處理污泥資源化研究工作的方向。從上述試驗可以得出,利用物質間水合固化的成熟技術,開創(chuàng)出一種城鎮(zhèn)生化污泥資源化處理的新工藝,對城鎮(zhèn)生化污泥資源化、規(guī)?；幚淼募夹g可靠性、運行費用低廉性,都有著很大的推廣應用前景。

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Research on One-step Curing Process of Biochemical Sludge in Urban Sewage Treatment Plant

XIA Ke-fei,YI Lian-zhong,LUO Jie
(1.Chongqing Environmenfal Monitorig Center,Chongqing 401147,China; 2.Yonghen Engineering Co.Led,Chongqing 402192;3.Yuanda Water Service Co.Led,Chongqing 400060,China)

The small-scale tests on the resource utilization of urban biochemical sludge,using technology of hydration and solidification,is a new process which can make urban biochemical sludge to be solid products in one step.It provides another way of which is low-investment,low-running-cost,fast and efficient for industrialization and producing on a large scale of utilization of urban biochemical sludge.This article elaborates on technical feasibility,the advancement of the process specifically on the parts of mechanism and principle of the test、process flow、physical properties of the shaped products and so on.The shaped products can be used as multi-purpose material.The process does not produce secondary pollution and is a way of the resource utilization of urban biochemical sludge.

urban sludge;hydration technology;new technology of one-step shaping;resource utilization

X705

B

1674-2842(2010)02-0035-05

2009-08-19

夏克非(1955-),男,工程師,主要從事環(huán)境科研監(jiān)測工作。