水合固化一步法处理城镇生活污泥试验研究

夏克非,尹连仲,罗 捷

水合固化一步法处理城镇生活污泥试验研究

夏克非1,尹连仲2,罗 捷3

(1.重庆市环境监测中心,重庆401147;2.重庆市永恒环保工程有限公司;3.重庆远达水务有限公司)

小规模工艺试验利用水合固化技术将城镇生化污泥一步加工成型为固体产物的,为城镇生化污泥工业化、规模化处理提供了一种新的投资省、运行费用低、快速高效的处置方法,处理过程不产生二次污染,成型后的产物可做多用途材料,是城镇生化污泥资源化利用途径之一。本文着重从试验机理、原理、工艺流程、成型产物物性等方面,具体介绍技术的可行性、工艺的先进性。

城镇污泥;水合技术;一步成型新工艺;资源化利用途径

随着我国经济的向前发展,城镇建设中心化、扩大化进程迅速,城镇污水相对集中,规模化的污水处理厂和污水处理设施建设相应日益增多。近几年来城镇污水处理率不断提高,城市污水处理厂的污泥产量也急剧增加,污泥及时、快速的安全处理处置问题也日益突出,已经成为城镇污水无害化处理和环保治理工作中的新难题、新挑战。据统计,目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量(干重)大约为550～600万吨,预计到2010年可能还会增加2～3倍[1]。目前,国内外污泥处理处置的方法种类繁多,但大都存在高投入、高能耗、高运行费的种种问题。土地填埋处理由于可供填埋场地越来越少,今后将受到严格控制;焚烧法处理由于设备及运行费用昂贵、投资大并有废气排放,也不宜普遍适用。至于目前国内广泛使用的污泥浓缩、压滤脱水后即行排放的处理方法,则有处理不彻底,易引起二次污染等缺点。

生化污泥一步固化法处理是利用硅酸盐类水合固化技术,将城镇生化污泥一步加工成型为固体产物的新工艺,该技术工艺具有投资省、处理迅速、占地面积少、处置并固化后污泥性质稳定,并同时可以进一步转换为多种材料。处理工艺过程中不产生二次污染等优点,因此能达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。

1 水合固化机理

目前很多大宗的建筑材料(如水泥、石灰)的制造生产,是以焙烧不溶于水的非金属矿物质为基础,经高温焙烧,无机盐物质原有的组织晶格受到破坏与转型,从不溶于水变为一种与水相遇后转变为与水有结合能力,从而形成一种具有粘接胶凝性能的水合产物,形成的水合产物,最终又可以在空气中逐渐固化,又转变为不溶于水的固体。这就是部分硅酸盐、无机盐由于外加条件下晶格的变化完成了不溶于水,转为溶于水,最终又变为不溶于水的物化特点;这也是可以利用其一种或几种无机物相配比组合的水合重结晶的特点,对一些含水量高,难于形成可分离沉淀的生活、工业废浆液、浓浆污泥进行固化成型处理的技术基础。

自然界中大部分矿物质都含有硅酸二钙,其分子组成2CaO·SiO2,2CaO·SiO2有几种变体,α和α’变体—属高温过程的产物,如火山熔融岩浆,冶炼的浮渣;β变体是一种最常见的,在普通条件下硬化缓慢,然而却又是构成水泥、石灰的主要成分。γ变体—水硬活性极低,实际上不硬化。但经过人为改变结晶条件,也可形成最终固化(例如灰砂砖在蒸养釜中养护固化);β—2CaO·SiO2和γ—2CaO· SiO2就具有快速胶凝固化性能。其水合固化体的强度能与波兰特水泥及其他高活性矿物(阿利特3 CaO·SiO2)相比。生产实践证明对于缓慢硬化的材料来说,利用加热蒸汽养护对提高材料的强度是十分显著的,有益的。蒸汽处理时,混合物所有组分均积极参与化学反应,新生成物的着工合成伴随著一系列复杂而独特的物理—化学过程的水化(结晶化)过程,包括液、固相界面反应、变体的转化、晶体的定向生成等。

物质的固态对于建筑材料形成工艺具有特殊意义,习惯上固体分为结晶体与非结晶体。所有晶体具有规律排列的结构—晶格,在化学组成相同时,晶体所拥有的能量比非晶格体低。晶体的物理性质在各个方向并不一致,主要取决于晶格的构造。在非晶格物质中,结构上只有近程有序性。通常非结晶物质是各向同性的。并且具有多余能量,稳定性较差的非结晶体在适宜的条件下能转变成晶体,放出热量。

金属的许多技术性质取决于元素周期表中相应的金属元素,冶金工业可以称为多晶元素的生产制造工业。相反,砖石硅酸盐建筑材料的生产是建立在获得无机化合物的基础上,而其中氧起着重要作用,大多数砖石材料性质取决于各种氧化物的相互作用,这些氧化物往往产生复杂的复合体,其中包括大量各种元素。结晶晶格内各种元素的排列位置,在很大程度上取决于其氧化物数量和质量,结晶格子的构造与物质的化学成份有关,化学成份越简单,晶格的对称性就最好。

硅酸盐、水化硅酸盐属于复杂晶格类无机盐,它们的几何尺寸、电磁作用力取决于分子或耦合离子的分布规律。水分子的结构是不对称的,当水分子进入硅酸盐晶格时,就表现出极化作用,并会破坏正负电荷的均匀穿插。

SiO2对于砖石硅酸盐材料具有特殊意义,特别是Si—O键的结构与性质,已知的Si—O键有下列形式:独立键(SiO4)4-,如橄榄石(Mg·Fe)2SiO4;由四面体(SiO4)组成的复杂的有限基团,例如硅酸三钙的水合物Ca3(Si3O7)·(OH)6;无数单向和双向基团—偏硅酸盐键 (SiO4)4-,如硅灰石 Ca3(Si3O9)、Mg2(SiO6);无限延伸的带,这时键连接成带,顶角相连,内部出现空位,如硬硅钙石。以上硅酸盐晶格结构中可以看出,氧离子具有重大作用,氧离子的包络密度很大,氧离子是晶格中数量最多和粗大的结构单元。

水和水蒸气对于无机水合物的生成也是必要条件,在水、热条件下发生多种物理—化学变化,这些变化与原始组分的性质、温度、压力、溶解度、细度、气相性质等密切相关,水不仅是原料混合物的活性化学组份和特殊的催化剂,而且是重要的物理因素,可能产生破坏晶格的力学作用,也可能是重建新晶格的必要力学作用。

大量分析实验表明:水分子由相邻分子组成类似冰结构的四面体,而SiO2和水结构相似,因此能成为建立水化硅酸盐合成的重要假定。水这种结构具有分子排列连续存在和连续重新分布的特点。不仅如此,水分子处于连续运动,并且具有活性非常强的氢基(H+)和羟基(OH-)。

鉴于水分子具有不对称性,故不但拥有高的物理—化学活性,而且能以各种不同形式进入新生物质的结构中:

(1)结构水,结构水以 H+、OH-、H3O+离子的形式进入晶格,并往往占有多边形O-2离子相似位置,只有当化合物破坏后,结构水才能变成固有水,这种水在加热到300—1300℃范围内蒸发并吸收热量。

(2)结晶水,晶格中存在的水分子即可作为阳离子型又可作为阴离子型进入水和晶体,这种水往往以两种方式失去,例如CaSO4·2H2O(1.5 H2O和0.5 H2O)一般在低于500℃温度下分解出来(通常250—300℃),当水完全分解出来,晶格也就被破坏,当失去部分水时,晶格就处于不稳定状态,一旦与水接触,又很快与水结合。

(3)沸石水,H2O分子在沸石中的分布是在通道相连的晶格空腔内,絮状结构的铝酸盐即是代表之一,而沸石水在相当宽的温度范围内逐渐失去,同时也不会因此而破坏晶格。

(4)吸附水,吸附水分为细缝网格结晶层间水,凝胶水和吸收水,其含量是变化的,它能在极大的温度范围内失去,同时也不会引起晶格和化合物的破坏,干燥时缩小,反之受潮时就会膨胀。

大多数水合硅酸盐中有多种多样的水结合形式,使其结构的研究工作变得十分复杂,但同时也丰富和增加了利用其不同性质的工艺选择成为可能和多样化。

当p H>10时,SiO2溶解度明显增大,而 Ca (OH)2的溶解度则随p H值的提高而降低;当p H= 12.5时钙离子和偏硅酸(HSiO3)-的比值接近1,可生成各种碱度的水合硅酸钙;当CaO:SiO2等于或小于1时生成低碱度的水化硅酸钙(莫来石、硬硅钙石、白钙沸石)。提高CaO:SiO2比值,生成碱度较大的水化硅酸钙(斜方硅钙石、水硅钙石)。

2 试验

2.1 试验原理

大多数硅、钙、铝水合物在水化期间表现出一种胶凝状态,例如生石灰与水混合,水泥与水混合都具有一种凝结然后硬化的现象(即水硬性),也常称为其表现的活性,活性越高,制品的性质就越好,它形成的形状越稳定。分析表明:水合物的活性,取决于偏高岭土和游离 SiO2、Al2O3的含量,含量越高,活性就越大。对于城镇生化污泥按上述水合胶凝机理,对生化污泥进行配比结晶,对晶型进行人为改变后,再利用水合成型技术,对已用物理法初脱水生化污泥(不需再进行脱水、干燥),一步固化加工成型为固体产物[1]。

2.2 试验工艺流程与说明

2.3 工艺流程说明

(1)生化污泥由生化污泥处理车间管道排出进入生化污泥地槽,经泥浆泵提升到处理装置顶部的泥浆计量缸,泥浆计量缸内设置了三层桨叶式搅拌器。为调整生化污泥的悬液均匀性、流平性、保持一定的工艺高度,经助剂计量缸1计量加入1#助剂,同时加入消毒剂、除臭剂,在连续搅拌工作情况下,使生化污泥形成一种均匀的胶悬液状料浆。

(2)将已制备好的生化污泥胶悬料浆经自动排料阀排入预结晶调制反应器,同时经2#、3#助剂计量缸,分别加入2#、3#助剂,使料浆p H值维持在9-10范围内。2#、3#助剂是一种高碱性的活化剂,起激活硅酸铝钙溶出并形成相应复配物的作用,使其形成水合硅酸钙和水合铝酸钙(钙钒石)的预结晶晶核,并同时使这些复杂的水合结晶产物的晶格相互交汇搭接、穿插,进一步形成一种复杂而稳定的硅酸铝钙复合无机盐结构。

(3)已预结晶完毕的生化污泥胶悬料浆经自动排料底阀排入动态反应器中,此时将提升至悬储斗中的固化剂加入,在强制混合搅拌状态下,将上述已呈复盐结构的化合物逐渐凝聚、硬化,并保持一定的工艺加工可塑性,原生化污泥浆液中所含的液体组分通过预结晶成为复盐的结晶水消耗一部分,其余部分水分经固化反应水合在孔隙发达的混合物中。

(4)打开动态反应器自动排料底阀,将具有一定可塑性的混合料经螺旋输送机送入挤压成型机。上述物料在螺旋式挤压机内完成混炼、捏合、塑化、交链等过程,使挤出物成为一种具有一定密度、可塑度、硬度的棒状或砖块固形物,其含水率18-20% (自然干化24小时后含水12-14%)具有稳定的几何尺寸和一定强度,十分方便搬迁、堆码、装卸、运输[4-7]。

2.4 试验原料与添加助剂

所取污泥为重庆某城镇污水处理厂脱水污泥,经批量取样和化验,其成分组成数据如下:

从以上两表可看出,污泥固体物相对含量较高,含水量也高,对于物料间的水合反应和物料的最终成型,都起着至关重要的作用,而部分污泥重金属含量超标(GB4284-84)。这种污泥农用、一般填埋都不会有好的效果。

2.5 工业化小型试验设备与过程

在实验室所取得大量数据中,筛选出切合实际又符合性价比高的物料配比,调制出9批次不同的物料,按上述操作步骤和不同条件,挤出规格尺寸为:240×120×60 mm,单块重2.2 kg。其物化机械性质见下表。

表1 混合生化污泥组成成分

表2 混合生化污泥重金属含量表 (mg·kg-1)

表3 处理后形成物的理化和机械性能指标

表4 每处理1 M3生化污泥处置成本概算表

3 结论

城镇生化污泥的难处理性和处理费用高的现状,是目前各类处理技术所面对的难题;利用现有的成熟技术,探索新的途径,开发新工艺,是城镇生化处理污泥资源化研究工作的方向。从上述试验可以得出,利用物质间水合固化的成熟技术,开创出一种城镇生化污泥资源化处理的新工艺,对城镇生化污泥资源化、规模化处理的技术可靠性、运行费用低廉性,都有着很大的推广应用前景。

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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,工程师,主要从事环境科研监测工作。