随着我国经济的快速发展,污水处理与电力行业得到了迅速发展,伴随而来的是污泥与粉煤灰的排放量日益增加。污泥与粉煤灰一直是环保的两大难题。城市污泥和粉煤灰中均含有大量的有毒有害物质,尤其是城市污泥,成分更为复杂,如果处置不当,极易引起二次污染,给生态环境带来不小的灾难。目前,我国对污泥处理与处置多以填埋、堆放、堆肥或者焚烧为主,粉煤灰则多用于筑路、土壤改良剂等,这些处理处置方式虽然在一定程度上能够抑制对环境造成的危害,但应用时都存在一定的限制,不能大范围推广。工业的发展,造成土壤污染范围扩大,污染程度加深。土壤污染不同于水、大气污染,具有其独特的特点,具有隐蔽性、不可逆性、长期性、滞后性,一旦形成污染很难彻底清除。土壤是物质循环与能量交换的场所,如果不对污染土壤加以治理,土壤中的有害物质很用于通过食物链作用富集于人体、动物,对人类及动物健康造成危害。根据上述事实,寻找一种有效的解决方法显得尤为迫切。本文通过参阅国内外相关文献,通过对三者化学组分分析,结合Reliy提出的三相图以及相关文献的对比,得出三者中的化学成分满足烧制陶粒的要求,即SiO2:48%~79%,Al2O3:10%~25%,Σ(CaO+MgO+Fe2O3+Na2O+K2O):13%~26%,最终确定以污泥、粉煤灰以及污染土壤三种固体混合物为原料进行陶粒的实验研究。 本文首先对原料配比、预热时间、预热温度、焙烧时间以及焙烧温度五个因素进行了单因素实验,实验选取陶粒的几个主要性能,如堆积密度、1h吸水率以及抗压强度为测试指标,实验方法参考《轻集料及其实验方法》(GB/T 17431.2—2010),通过测定数据分析得出:① 原料配比对陶粒性能有很大的影响。总的来讲,无论是增加粉煤灰的量还是城市污泥的量,都会使得陶粒的堆积密度和抗压强度降低,陶粒的吸水率增大。原料配比中干污泥的添加量一般不超过40%,铬土含量不低于10%。根据实际烧制情况当原料配比为污泥:粉煤灰:铬土=4:5:1,造粒困难,生球料易碎,烧制的陶粒表面极其粗糙,掉渣严重,陶粒强度低。鉴于此,在尽量多用污泥、粉煤灰的前提下,适当提高土的含量,在设计正交试验时将污泥含量定为20%,污泥含量不超过总量的40%为宜。② 预热时间与预热温度对陶粒性能的影响程度不是很大,两个因素影响程度类似,在设定的温度以及时间内,陶粒的堆积密度始终保持在600级的范围内,吸水率以及抗压强度变化幅度小,后续实验主要将陶粒用于水处理滤料,根据标准要求,应尽可能提高陶粒的比表面积,并使陶粒具有一定的强度,确保承担相应的压力负荷。较低温度能使陶粒强度达到600的等级,从节省能耗的角度考虑,预热温度定为200℃,预热时间定位8min。③ 焙烧时间与焙烧温度对陶粒的性能影响显著。在低温短时的焙烧条件下,制备的陶粒满足《水处理用人工陶粒滤料》(299CJ/—2008)中相关要求,适合用作水处理滤料,在高温长时的焙烧条件下,制备的陶粒具有较高的抗压强度、较低的吸水率,符合《轻集料及其实验方法》(GB/T 17431.1—2010)中规定的作为建筑材料的要求。正交设计焙烧温度选为1100℃~1200℃,焙烧时间选为5min~20min。结合单因素实验结论,设计以原料配比、焙烧时间以及焙烧温度为影响因素,每个因素均为四水平,另两个因素为两组空白因素,选择L16(45)五因素四水平正交实验。对结果进行分析可知,用于水处理滤料的最佳配比为污泥:粉煤灰:土=2:2:1,最佳烧制条件为焙烧温度为1160℃,焙烧时间为10min,预热时间为8min,预热温度为200℃,制备的陶粒的堆积密度为576.35kg/m3,比表面积为1.4m2/g,盐酸可溶率为0.75%;用于建筑材料的最佳配比为污泥:粉煤灰:土=2:2:1,最佳烧制条件为焙烧温度为1190℃,焙烧时间为15min,预热时间为8min,预热温度为200℃,制备的陶粒堆积密度为815.65kg/m3,1h吸水率为9.45%,抗压强度为10.35MPa。陶粒的毒性浸出实验表明,陶粒浸出液中各重金属离子含量均低于《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中规定的最高允许浓度,说明原料中的重金属在经过高温焙烧后在陶粒中得到了很好的固化。制备的陶粒不会对环境造成不良影响,具有一定的实际应用价值。测定在原料配比为城市污泥:粉煤灰:土=2:2:1,最佳烧制条件为焙烧温度为1160℃,焙烧时间为10min,预热时间为8min,预热温度为200℃的制备条件下制备的陶粒的XRD以及SEM,通过分析可知,陶粒以Si、Al、C、O等元素为主,形成了以莫来石、石英以及钠长石等为主的主要矿物质,其中莫来石的存在是陶粒具有一定强度的重要原因。SEM图表明陶粒陶粒的表面粗糙,有孔道,内部结构呈蜂窝状,多孔隙,孔径大小不迥异,多为大孔组成,部分大孔具有一定的连通性,同时也含有一些微孔以及中小孔。这些孔洞很有可能是污泥中的有机物质分解产生的气体外逸时冲击粘性液相产生的。这些孔道对陶粒的吸水率有重要的影响。陶粒孔隙为挂膜及微生物的附着与生长提供了有利的条件,使其作为水处理滤料成为可能。陶粒的吸附实验表明,制备陶粒对重金属污染废水有一定的净化效果,在陶粒投加量一定时,去除效果与吸附时间、pH等因素有关。以镉为例在吸附2h,pH=10的条件下,去除效果较好。通过对制备陶粒的效益分析表明,利用污泥、粉煤灰以及铬土为原料制备陶粒具有良好的经济效益、社会效益以及环保效益,有效解决了污泥、粉煤灰以及铬土的处理处置问题,实现了三者的资源化利用。