本发明涉及城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒及其制备方法。
背景技术：
陶粒是一种人造无机轻集料，主要用于建筑工程中保温、隔热、轻质墙体、轻集料混凝土、结构用轻质混凝土、建筑装饰等方面，也可用于环保过滤、农业种植等领域。目前，制备陶粒的原料主要来源有，包括粘土、页岩、矿山剥离物、黄土、工业固废、河涌、生活污泥等，经加入膨胀材料、配料等辅助添加剂制备而成。由于开挖粘土、页岩等天然资源会造成水土流失，环境污染，破坏生态，因此粘土陶粒属淘汰类产品。当前采用各种工业固废、建筑淤泥、河道淤泥、生活污泥为基本原料制造陶粒，成为开发热点。
城镇污水处理污泥的资源化是每个城市都关注的重大课题。2015年统计，我国城镇污水处理厂湿污泥(含水率80％)，年产生量约为3359万吨。按照一年300元左右的平均运营费用计算，我国污泥处理的运营潜在市场达百亿以上。2017年我国住房城乡建设部公布了全国城镇建成近4000座污水处理厂，污水处理能力约1.7亿立方米/日，年产生约4964万吨污泥(含水率80％)。长期以来，国家重视污泥资源化问题，作为绿色建材、新墙材资源已建立了相关标准，均对污泥及其生产的人造轻集料和应用到绿色建材产品提出了严格的评价指标要求。近年来我国推出相关标准如下：gb18918《城镇污水处理厂污染物排放标准》，gb/t23484《城镇污水处理厂污泥处置分类》，gb/t26402《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》，gb/t25031-2018《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》，cj/t221《城镇污水处理厂污泥检验方法》，gb/t35605-2017《绿色建材评价技术要求墙体材料》。
陶瓷抛光渣是建筑陶瓷板生产过程排出的废渣，主要由建筑陶瓷板基料和磨头材料组成，其产生量大，颗粒细，对环境造成严重污染。例如广东省清远地区年排放量约200万吨，将其资源化利用是当务之急。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种以城镇污水处理污泥和陶瓷抛光渣为主料的陶粒制备方法，以克服现有的污泥陶粒需加入较多自然资源——粘土为配料来制备污泥陶粒的问题；本发明的目的之二在于利用陶瓷抛光渣在高温煅烧过程中内发泡机理，产生微小封闭气泡的特性，使之与市政污泥配伍，在提供一种协同处理污泥的技术的同时，又制造一种性能较高的陶粒，克服目前污泥陶粒存在密度大、筒压强度小和吸水率高等问题；本发明的目的之三在于提供一种用于制备建筑构件的污泥瓷渣陶粒，特别是适用于配制钢筋陶粒混凝土制品(1200～1800kg/m3)等的高性能(c15～c40)陶粒混凝土的强度较高的陶粒。
本发明提供的城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒有两类，包括发泡型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒和烧结型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒。其中发泡型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒，根据原料中污泥的掺量和陶瓷抛光渣中的sic质量含量，又可分为低污泥含量的污泥瓷渣陶粒和高污泥含量的污泥瓷渣陶粒，两种发泡型污泥瓷渣陶粒。
本发明所采取的技术方案是：
一种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒，是由以下质量份的原料组成：城镇污水处理污泥10～30份，陶瓷抛光渣35～70份，掺合料15～25份，发泡剂0.5～15份；所述陶瓷抛光渣中的sic质量含量≥3.5％。本发明中称这种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒为陶粒ⅰ，也即低污泥含量的发泡型陶粒。
一种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒，是由以下质量份的原料组成：城镇污水处理污泥15～40份，陶瓷抛光渣35～70份，掺合料15～20份，发泡剂3～15份；所述陶瓷抛光渣中的sic质量含量<3.5％。本发明中称这种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒为陶粒ⅱ，也即高污泥含量的发泡型陶粒。
一种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒，是由以下质量份的原料组成：城镇污水处理污泥30～50份，陶瓷抛光渣35～60份，掺合料15～20份；所述陶瓷抛光渣中的sic质量含量<3.5％。本发明中称这种城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒为陶粒ⅲ，也即烧结型陶粒。
在本发明中，陶粒ⅰ或陶粒ⅱ为发泡型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒，陶粒ⅲ为烧结型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，城镇污水处理污泥符合gb/t25031和gb18918的标准要求。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，城镇污水处理污泥是将城镇污水处理收集的污泥经消毒，去杂，压榨，干燥，粉碎处理后得到的；进一步的，城镇污水处理收集的污泥(或称为市政污泥)原料的含水量为70％～85％。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，陶瓷抛光渣除sic外，其他按质量百分比计的组成为：16％～18％al2o3，60％～70％sio2，0.4％～0.7％fe2o3，0.7％～4.0％cao，3.0％～5.0％mgo，1.0％～2.1％k2o，2.5％～4.0％na2o，0.23％～0.32％tio2，3.1％～4.2％烧失量。
进一步的，陶瓷抛光渣中的sic质量含量为1.3％～4.8％，其中，陶粒ⅰ所用的陶瓷抛光渣中的sic质量含量x为：3.5％≤x≤4.8％；陶粒ⅱ或陶粒ⅲ所用的陶瓷抛光渣中的sic质量含量y为：1.3％≤y<3.5％。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，掺合料为建筑基坑泥、废瓷土中的一种或两种。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，掺合料的建筑基坑泥或废瓷土经去杂、干燥、粉碎成粉末状物料后再使用。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，掺和料所述的建筑基坑泥为粘性土，按质量百分比的化学组成如下：55％～80％sio2，2％～15％al2o3，5％～25％fe2o3，0～15％cao，0～5％mgo，0～3％so3，3％～15％烧失量。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，掺和料所述的建筑基坑泥粒径<0.5mm。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，掺和料所述的废瓷土按质量百分比的化学组成为：63.34％～69.58％sio2，16.15％～22.88％al2o3，6.62％～8.84％fe2o3，0.21％～0.36％cao，0.12％～0.23％mgo，1.25％～2.51％k2o，0.10％～0.35％na2o，3.34％～4.20％烧失量。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ中，发泡剂为碳化硅泥(sic泥)、铁泥(fe2o3铁泥)中的一种或两种；进一步优选的，碳化硅泥中的sic质量含量>60％；铁泥中的fe2o3质量含量>60％。
本发明还提供了陶粒ⅰ、陶粒ⅱ和陶粒ⅲ的制备方法。
陶粒ⅰ或陶粒ⅱ的制备方法，是按照陶粒ⅰ或陶粒ⅱ所述的原料组成配料，混料，成球，干燥，焙烧，发泡，出料，得到发泡型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒。
陶粒ⅲ的制备方法，是按照陶粒ⅲ所述的原料组成配料，混料，成球，干燥，焙烧，烧结，出料，得到烧结型城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法中，各原料配料前均制成粒径<1mm的粉料。
优选的，陶粒ⅰ或陶粒ⅱ的制备方法，包括以下步骤：
1)原料处理：分别将城镇污水处理污泥、陶瓷抛光渣、掺合料和发泡剂制成粒径小于1mm的粉状材料；
2)配料：采用封闭式计量设备进行配料，用紊流式搅拌机进行匀料；
3)混料：采用封闭式搅拌设备将配料后的原料加入水，混合均匀，得到混合料；
4)成球：采用造粒设备将混合料制成球状颗粒；
5)焙烧：用回转窑对球状颗粒进行干燥，焙烧，发泡处理；
6)出料：冷却出料，得到发泡型陶粒产物。
优选的，陶粒ⅲ的制备方法，包括以下步骤：
1)原料处理：分别将城镇污水处理污泥、陶瓷抛光渣和掺合料制成粒径小于1mm的粉状材料；
2)配料：采用封闭式计量设备进行配料，用紊流式搅拌机进行匀料；
3)混料：采用封闭式搅拌设备将配料后的原料加入水，混合均匀，得到混合料；
4)成球：采用造粒设备将混合料制成球状颗粒；
5)烧结：用回转窑对球状颗粒进行干燥，焙烧、烧结处理；
6)出料：冷却出料，得到烧结型陶粒产物。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤2)中，封闭式计量设备为封闭式螺旋计量设备。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤3)中，混合料的含水率为26wt％～34wt％。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤4)中，造粒设备具体为强力挤压成条、旋转切割、滚动筛网造粒设备。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中回转窑采用清洁能源，如天然气。
优选的，陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，焙烧设备为瀑落式回转窑，该回转窑采用清洁能源，如天然气。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，干燥具体为将物料输入干燥带，300℃～600℃下干燥3min～20min；进一步优选的，干燥具体为在350℃～450℃下干燥3min～10min。
进一步的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，干燥装置设置于回转窑的尾部，经干燥后的渣粒不经冷却连续输送至回转窑的烧结室中，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ进行焙烧至熔融半熔融状进行膨化发泡；陶粒ⅲ进行烧结。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，经过干燥前的物料(球状颗粒)粒径为1mm～8mm。
优选的，陶粒ⅰ或陶粒ⅱ的制备方法步骤5)中，焙烧具体为在500℃～1000℃下烧结20min～50min；进一步优选的，焙烧具体为先在500℃～800℃下粘接烧结20min～30min，再在800℃～1000℃下半熔融烧结10min～15min。
优选的，陶粒ⅰ或陶粒ⅱ的制备方法步骤5)中，发泡具体为在1000℃～1200℃下发泡3min～20min；进一步优选的，发泡具体为在1000℃～1150℃下发泡3min～5min。
优选的，陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，烧结具体为在400℃～1050℃下烧结5min～30min。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤5)中，通过回转窑产生的尾气经净化后再排放。
优选的，陶粒ⅰ、陶粒ⅱ或陶粒ⅲ的制备方法步骤6)中，冷却出料采用的是节能型冷却装置，回收热风循环使用。
下面进一步对本发明城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒所用的原料说明如下：
城镇污水处理污泥：本发明所用的污泥达到国家标准以下要求，嗅觉、稳定化指标、理化指标、烧失量、放射性核素指标、污染物浓度限值、卫生学指标、大气污染物排放指标以及污泥掺量应少于10％。本发明按污泥泥质不同级别，将污泥掺量分别控制在10～40％，提高污泥掺量。
陶瓷抛光渣：按现有陶瓷抛光渣成份，据sic质量含量不同，当sic低于3.5％，采用辅助发泡剂sic泥或铁泥，制备轻质陶粒；或不掺入辅助发泡剂铁泥，制备烧结型高强陶粒。
掺合料：主要增加物料粘塑性，采用干粉状，充分均匀分散于混合料中。
本发明的有益效果是：
本发明的制备方法具有废渣利用率高、原料来源广泛、工艺清洁环保、步骤简单、生产周期缩短、节约能源等优点。
与现有技术相比，本发明公开的城镇污水处理污泥陶瓷抛光渣陶粒具有以下优点：
第一，综合利用城镇污水处理污泥和陶瓷工业固废陶瓷抛光渣粉，提供一种固废资源化新技术，固废总掺量达70％或以上。该技术对处理难度较大的城镇污水处理污泥，提供了一种避免二次污染的有效途径。
第二，利用陶瓷抛光渣可制备高性能陶粒的特点，在保证陶粒产品性能的条件下，掺入一定量的污泥，既起到协同处理污泥的作用，又可得到较高性能的污泥瓷渣陶粒产品。
第三，为了充分利用不同品质的陶瓷抛光渣，分别利用不同发泡机理制备污泥瓷渣陶粒。对sic含量高的陶瓷抛光渣，采用加入废陶土类掺合料和利用本身的sic发泡制得轻质污泥瓷渣陶粒；对sic含量小的陶瓷抛光渣，采用加粘土类掺合料和铁泥发泡剂，制得轻质污泥瓷渣陶粒。
第四，对sic含量小的陶瓷抛光渣，采用不掺发泡剂，利用烧结机(瀑落式窑)工艺，制备烧结型高强污泥瓷渣陶粒。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料/设备如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。
实施例1
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅰ30份；sic质量含量为2％的瓷渣ⅱ55份；基坑泥15份；铁泥发泡剂10份。
实施例2
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅱ20份；sic质量含量为4％的瓷渣ⅰ65份；废瓷土15份；sic泥发泡剂3份。
实施例3
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅲ10份；sic质量含量为4％的瓷渣ⅰ70份；基坑泥20份；sic泥发泡剂1份。
实施例4
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅰ30份；sic质量含量为2％的瓷渣ⅱ55份；废瓷土15份；铁泥发泡剂13份。
实施例5
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅱ30份；sic质量含量为4％的瓷渣ⅰ55份；基坑泥15份；sic泥发泡剂2份。
实施例6
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅲ15份；sic质量含量为2％的瓷渣ⅱ65份；基坑泥20份；铁泥发泡剂8份。
实施例7
本例的发泡型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅰ40份；sic质量含量为2％的瓷渣ⅱ55份；基坑泥15份；铁泥发泡剂13份。
实施例8
本例的烧结型陶粒由以下质量份的原料组成：污泥ⅰ40份；sic质量含量为2％的瓷渣ⅱ45份；基坑泥20份。
实施例1～8的陶粒所用的原料分别说明如下：
所用的城镇污水处理污泥相关的检测数据可见表1(化学组成)和表2(重金属含量)。表1的检测结果为3年监测的数据，表2的检测结构为5年监测的数据。
表1城镇污水处理污泥的化学组成
表2城镇污水处理污泥的重金属含量
污泥按gb/t25031大气污染物排放最高允许浓度(分一级、二级、三级标准)，分污泥ⅰ、污泥ⅱ、污泥ⅲ三种。
所用的陶瓷抛光渣sic质量含量为1.3％～4.8％，根据其质量含量分为sic含量为4％的瓷渣ⅰ和sic含量为2％的瓷渣ⅱ。瓷渣除sic外的其他组成如下(质量百分比)：16.5％～17.5％al2o3，62.5％～65.8％sio2，0.5％～0.6％fe2o3，1.2％～2.5％cao，4.0％～5.0％mgo，1.0％～2.1％k2o，2.5％～4.0％na2o，3.1％～4.2％烧失量。
所用的建筑基坑泥按质量百分比的化学组成如下：55％～80％sio2，2％～15％al2o3，5％～25％fe2o3，0～15％cao，0～5％mgo，0～3％so3，3％～15％烧失量；建筑基坑泥的粒径<0.5mm。
所用的废瓷土按质量百分比的化学组成为：63.34％～69.58％sio2，16.15％～22.88％al2o3，6.62％～8.84％fe2o3，0.21％～0.36％cao，0.12％～0.23％mgo，1.25％～2.51％k2o，0.10％～0.35％na2o，3.34％～4.20％烧失量。
实施例1～7这类发泡型陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)原料处理：①瓷渣：取陶瓷抛光渣浆料，经去杂、压柞、干燥、粉碎成为粉状(粒径在1mm以下)；②污泥：取市政污泥(含水率80％)，经消毒、去杂、压柞、干燥、粉碎成粉状(粒径在1mm以下)；③掺合料：取废瓷泥(等外品瓷泥)或粘性土(建筑基坑泥)，经去杂、干燥、粉碎成粉沫状(粒径在1mm以下)；④发泡剂：粉状sic泥或fe2o3泥。
2)配料：采用封闭式螺旋计量设备按表1的组成进行配料，用紊流式搅拌机进行匀料；
3)混料：采用封闭式搅拌设备将配料后的原料加水混合均匀，得到混合料，混合料的含水率为26％～34％；
4)成球：采用强力挤压、旋转切割、滚动筛网造粒设备将混合料制成粒径为2～6mm的球状颗粒；
5)焙烧：采用清洁能源(天然气)节能型回转窑进行烧成，先将球状颗粒在回转窑尾部的干燥装置中，在350～450℃下干燥3min～10min，干燥后的颗粒粒径为1mm～8mm；再将物料颗粒转移至烧结室中，在500～800℃条件下粘连烧结20～30min，然后转移至800～1000℃条件下半熔融烧结10～15min，最后转移至1000～1150℃条件下膨化发泡3～8min，制得发泡陶粒；陶粒粒径为4mm～18mm。
6)出料：采用节能型冷却装置冷却出料，得到陶粒产物。
实施例8这类烧结型陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)原料处理：①瓷渣：取陶瓷抛光渣浆料，经去杂、压柞、干燥、粉碎成为粉状(粒径在1mm以下)；②污泥：取市政污泥(含水率80％)，经消毒、去杂、压柞、干燥、粉碎成粉状(粒径在1mm以下)；③掺合料：取废瓷泥(等外品瓷泥)或粘性土(建筑基坑泥)，经去杂、干燥、粉碎成粉沫状(粒径在1mm以下)。
2)配料：采用封闭式螺旋计量设备按表1的组成进行配料，用紊流式搅拌机进行匀料；
3)混料：采用封闭式搅拌设备将配料后的原料加水混合均匀，得到混合料，混合料的含水率为26％～34％；
4)成球：采用强力挤压成条、旋转切粒、滚动筛网造粒设备将混合料制成粒径为2mm～8mm的球状颗粒；
5)焙烧：采用清洁能源(天然气)节能型回转窑(瀑落式)进行烧成，先将球状颗粒在回转窑烧结室尾部的干燥装置中，在350～450℃下干燥3min～10min，干燥后的渣粒粒径为1mm～8mm；再将渣粒转移至烧结室中，在500～1050℃下烧结20～30min，制成烧结陶粒；
6)出料：采用节能型冷却装置冷却出料，得到陶粒产物。陶粒粒径为2mm～10mm。
经检测，实施例1制成的陶粒密度为500kg/cm3，强度为2.5mpa；实施例2制成的陶粒密度为400kg/cm3，强度为2.8mpa；实施例3制成的陶粒密度为500kg/cm3，强度为4.0mpa；实施例4制成的陶粒密度为400kg/cm3，强度为2.0mpa；实施例5制成的陶粒密度为600kg/cm3，强度为5.0mpa；实施例6制成的陶粒密度为700kg/cm3，强度为5.5mpa；实施例7制成的陶粒密度为400kg/cm3，强度为2.0mpa；实施例8制成的陶粒密度为900kg/cm3，强度为7.5mpa。检测所用的方法均为国家标准，为本领域的公知常识。
实施例1～8制得的陶粒经检测，各性能的参数如下：粒径2mm～18mm，筒压强度1.5mpa～7.5mpa，堆积密度300kg/m3～900kg/m3，吸水率4％～8％。
与现有技术相比，本发明有以下的优点：
一、本发明的陶粒使用了污泥和瓷渣，可以克服单一污泥陶粒存在的性能偏低，如天然资源粘土掺量高、密度大、筒压强度小和吸水率高以及污泥限掺量等问题。
本发明采用陶瓷抛光渣和污泥配伍，目的是充分利用固废。此外，利用陶瓷抛光渣中所含sic独立内发泡原理，形成微小、封闭、独立的气泡，提高陶粒的强度、减少密度和降低吸水率。
二、本发明提供了一种陶粒的绿色制造方法，以克服污泥陶粒制备过程中原料存在的环境污染等问题。
1)对污泥提出了绿色产品用泥质技求要求，按gb/t25031和gb18918标准(嗅觉、稳定化指标、理化指标、烧失量、放射性核素指标、污染物浓度限值、卫生学指标、大气污染物排放指标以及污泥掺量应少于10％)。目前cn106830890a、cn104876540a、cn101531500a等文献均未见对污泥原料提出此项要求。
2)对污泥提出了限量要求，按gb/t25031污泥掺量占总质量比(wt％)应少于10％。本发明据污泥具体状况掺量控制在大于10％。
3)对污泥为原料的陶粒，要满足绿色建材产品，对烧结制品技术指标要求。
三、本发明克服污泥陶粒制备过程存在的环境污染等问题，降低能耗，同时可以提高产品均质性。
1)本发明对生产工艺提出全封闭式生产线，包括原材料处理、存放、运输、混合、成球至煅烧全过程封闭式生产。
2)本发明采用粉状原料(污泥、抛光渣、掺合料、发泡剂)，目的是达到混合料质量均匀、免除陈伏工序，既可得到材质均匀的陶粒，又可提高工效。
3)本发明采用天然气为燃料煅烧。
4)本发明采用现代尾气处理技术。
5)本发明采用瀑落式回转窑，提离热交换换效率，缩短烧成时间。
6)本发明采用冷却装置，回收热风循环使用，提高热效率。