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一种完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法
技术领域
本发明涉及一种制作陶粒的方法，具体地说涉及一种完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法。属于轻质材料技术领域。
背景技术
陶粒具有优异的性能，如密度低、筒压强度高、孔隙率高，软化系数高、抗冻性良好、抗碱集料反应性优异等。特别由于陶粒密度小，内部多孔，形态、成分较均一，且具一定强度和坚固性，因而具有质轻，耐腐蚀，抗冻，抗震和良好的隔绝性等多功能特点。利用陶粒这些优异的性能，可以将它广泛应用于建材、园艺、耐火保温材料、化工、石油等部门，应用领域越来越广，还在继续扩大。在陶粒生产之初，它主要用于建材领域，由于技术的不断发展和人们对陶粒性能的认识更加深入，陶粒的应用早已超过建材这一传统范围，不断扩大它的应用新领域。现在陶粒在建材方面的应用，已经由100％下降到80％，在其他方面的应用，已占20％。随着陶粒新用途的不断开发，它在其他方面的比例将会逐渐增大。
轻质性是陶粒许多优良性能中最重要的一点，也是它能够取代重质砂石的主要原因。陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔。这些微孔都是封闭型的，而不是连通型的。它是由于气体被包裹进壳内而形成的，这是陶粒质轻的主要原因。按陶粒的原料分可以分为：(1)粉煤灰陶粒：以固体废弃物为主要原料，加入一定量的胶结料和水，经加工成球，烧胀烧胀或自然养护而成，粒径在5mm以上的轻粗集料。(2)黏土陶粒：以黏土、亚黏土等为主要原料，经加工制粒，烧胀而成的，粒径在5mm以上的轻粗集料。(3)页岩陶粒：又称膨胀页岩，以黏土质页岩、板岩等经破碎、筛分，或粉磨后成球，烧胀而成的粒径在5mm以上的轻粗集料。页岩陶粒按工艺方法分为：经破碎、筛分、烧胀而成的普通型页岩陶粒；经粉磨、成球、烧胀而成的圆球形页岩陶粒。(4)垃圾陶粒：是将城市生活垃圾处理后，经造粒、烧胀生产出烧胀陶粒。或将垃圾烧渣加入水泥造粒，自然养护，生产出免烧垃圾陶粒。垃圾陶粒具有原料充足、成本低、能耗少、质轻高强等特点。垃圾陶粒除了可制成墙板、砌块、砖等新型墙体材料外，还可用作保温隔热、楼板、轻质混凝土、水处理净化等用途，具有广阔的市场。(5)煤矸石陶粒：是将符合烧胀要求的煤矸石经破碎、预热、烧胀、冷却、分级、包装而生产出来的。(6)生物污泥陶粒：以生物污泥为主要原材料，采用烘干、磨碎、成球、烧胀成的陶粒。(7)河底泥陶粒：利用河底泥替代黏土，经挖泥、自然干燥、生料成球、预热、烧胀、冷却制成的陶粒。
中国专利(授权公告号：CN1171829C)一种利用污水处理厂生物污泥烧制粘土陶粒的方法，该方法包括原材料处理、生料制备、成球、陶粒烧胀过程，其特征在于原料组份及其重量百分比含量如下：粘土：71-89；按干污泥计的生物污泥：6-21；石灰石：3-8；铁粉：2-6；烧胀温度范围为1175℃-1250℃。虽然该方法利用污水处理厂生物污泥代替部分粘土等有用资源，可相应减少粘土原料的用量。但是该方法依然采用较大重量百分比的粘土(达到71％-89％)无法实现真正变废为宝，节约土地资料的目的。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够变废为宝，节约土地资源的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法。
本发明的目的是通过下列技术方案来实现的：一种完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，该方法包括以下步骤：
a、混料：将生物污泥和淤泥部分脱水后，按比例放入搅拌机中进行充分混料，混料时间为5-20分钟；
b、造粒：将上述混料后的生物污泥和淤泥进行破碎，破碎时间为1-5分钟，破碎后进行造粒，造粒时间5-20分钟，造粒后颗粒料的粒径为1-20mm；
c、烧胀：将上述造粒后颗粒料放入回转窑中进行预热，预热温度为200-500℃，预热时间为10-30分钟；预热后进行烧胀，烧胀温度为1000-1300℃，烧胀时间5-20分钟；烧胀后在温度为50-200℃左右的条件下冷却10-30分钟后得到陶粒成品。
现有技术生产陶粒主要以各类粘土、泥岩、板岩、页岩等为主原料，导致资源的极大浪费，而淤泥及工业污泥排放量大，对环境污染严重。本发明通过长期对淤泥和生物污泥化学成分的研究，采用淤泥以及污水处理厂的生物污泥作为原料，可以生产出堆积密度≤500kg/m³的超轻陶粒或≤700kg/m³的普通陶粒，或≤900kg/m³的高强陶粒，陶粒性能优良。完全实现了变废为宝，节约土地资源的目的。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，步骤A中所述的生物污泥为脱水污泥，所述的淤泥为打桩淤泥、河道淤泥中的一种或两种，所述的生物污泥和淤泥的重量百分比为10％-40％∶60％-90％。作为优选，所述的生物污泥和淤泥的重量百分比为10％-25％∶75％-90％。最佳优选，所述的生物污泥和淤泥的重量百分比为10％-20％∶80％-90％。生产超轻、普通、高强陶粒对原料的化学成分有一定得要求，其中打桩淤泥、河道淤泥和脱水污泥的化学成分如表1所示：
表1：本发明采用的生物污泥和淤泥的化学成分

  河道淤泥  脱水污泥  打桩淤泥  SiO₂(％)  48.27  18.8  60.7  Al₂O₃(％)  12.57  9.18  15.29  Fe₂O₃(％)  4.94  10.31  6.96  CaO(％)  3.81  5.40  1.01  MgO(％)  2.52  6.40  2.10  烧失量  7.19  47.76  7.25  其它  20.70  2.15  6.69
从表1可以看出：本发明采用的河道淤泥和打桩淤泥的化学成分与粘土、泥岩、板岩、页岩等比较接近，可以利用其为主原料，脱水污泥为主要外加剂。
而淤泥和生物污泥的比例不同也对生产的陶粒的品质有重大影响，结果如表2、表3和表4所示。
表2：不同重量百分比的河道淤泥和脱水污泥制备的陶粒品质

从表2可以看出：本发明以河道淤泥作主原料，脱水污泥最佳掺入量为20％，掺入一定量的脱水污泥，料球最佳膨胀温度有所下降；陶粒表观密度最低为800kg/m³。
表3：不同重量百分比的打桩淤泥和脱水污泥制备的陶粒品质

从表3可以看出：本发明以打桩淤泥作为主原料时，脱水污泥最佳掺入量为10-15％；掺入一定比例的脱水污泥，料球最佳膨胀温度有所下降，样品最低表观密度最低为610kg/m³；脱水污泥掺入比例越大，吸水率亦随之变大，表观密度越大。
表4：不同重量百分比的河道淤泥、打桩淤泥和脱水污泥制备的陶粒品质

从表4可以看出：本发明以河道淤泥50％+打桩淤泥30％+脱水污泥20％为配比陶粒样品质量最佳，表观密度最低为650kg/m³。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，步骤A中所述的生物污泥和淤泥经过部分脱水后含水率为30％-45％。作为优选，步骤A中所述的生物污泥和淤泥经过部分脱水后含水率为35％-42％。由于陶粒烧成对原料含水率有一定的要求，但生物污泥从离心机卸下时含水率较高，不能直接用于陶粒烧胀，但是生物污泥和淤泥可塑性是一个不可逆现象，生物污泥非常细腻，随着日晒或风吹，污泥中表面水分逐渐丢失后，污泥逐渐变硬，边角锋利，污泥细微颗粒逐渐变粗，失去可塑性能，若再向变硬的污泥中注入水分，经研磨污泥就变成细砂，完全失去了粘性和可塑性。将经过部分脱水后含水率为41.5％(20％的生物污泥和80％的淤泥配方①)和经过部分脱水后含水率为37.3％生物污泥和淤泥(20％的生物污泥和80％的淤泥配方②)经过预热和烧胀后形成的陶粒样品的品质如表5所示：
表5：不同含水率的20％的生物污泥和80％的淤泥制备的陶粒品质

从表5可以看出：由于采用的原料混合较均匀，不同含水率制备的陶粒样品膨胀范围有所不同。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，作为优选，步骤b所述的造粒分为二次造粒，第一次采用对辊造粒3-6分钟，第二次采用造粒滚筒造粒3-6分钟，二次造粒后颗粒料的粒径为5-15mm。原料经配合搅拌一次造粒后粒径较大，经过二次造粒后粒径变小强度加大，有利于室内烧成增加膨胀性能，改善陶粒质量。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，作为优选，步骤c中预热温度为250-400℃，预热时间为15-25分钟。最佳优选，步骤c中预热温度为300℃，预热时间为20分钟。预热温度对烧胀而成的陶粒的品质有较大的影响，特别是对陶粒样品的吸水率，表观密度和堆积密度都有着重要影响。将主原料河道淤泥和打桩淤泥在105±5℃的条件下烘干，预热烧胀，烧胀后陶粒样品的品质如表6所示。
表6：不同的预热温度对陶粒样品的品质影响

从表6可以看出：预热温度在300℃，预热时间在20min时，陶粒样品的品质最佳。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，作为优选，步骤c中烧胀温度为1100-1200℃，烧胀时间8-12分钟。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，作为优选，步骤c中冷却温度为80-150℃，冷却时间为15-25分钟。时间太短急剧冷却后陶粒表面容易开裂，影响成品强度。
在上述的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法，步骤c中回转窑烧胀过程中产生的废气和烟尘进行脱硫、除尘处理。本发明生产陶粒过程中，会产生对环境污染的废气和粉尘，采用普通的脱硫、除尘处理技术使得烟尘和SO₂的排放总量达到国家排放标准，对环境不会造成污染。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明采用生物污泥和淤泥作为原料可以制作出超轻、普通和高强陶粒，节能效果显著，有利于保护河流、湖泊和土地等资源，有效的利用了城市污泥、工业废土实现变废为宝的目的。
2、利用本发明的方法制作的陶粒的堆积密度、筒压强度、吸水率和空隙率等品质较好，用做建筑材料不仅自重效果较好，节能效果显著，隔热保温性能好，而且具有良好的耐火性能、抗震性能、抗渗性能和耐久性能。
3、本发明的完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法工艺简单，制作陶粒成本较低，能够进行大规模的产业化生产。
附图说明：
图1是本发明完全利用生物污泥和淤泥制作陶粒的方法工艺流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并不限于这些实施例。
表7：实施例1-12的生物污泥和淤泥的重量百分配比(％)

实施例1
如图1所示，按表7中实施例1比例将河道淤泥，脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为41.5％，通过给料机放入双轴搅拌机中进行充分混料，混料时间为20分钟；然后将上述混料后的生物污泥和淤泥在对辊破碎机中进行破碎，破碎时间为1分钟，破碎后进行二次造粒，第一次采用对辊造粒机对辊造粒4分钟，第二次采用造粒滚筒造粒6分钟，二次造粒后颗粒料的粒径为5-15mm。将上述造粒后颗粒料放入双筒回转窑中进行预热，预热温度为250℃，预热时间为25分钟；预热后进行烧胀，烧胀温度为1100℃，烧胀时间12分钟；烧胀后在温度为80℃的条件下冷却15分钟后得到陶粒成品，其中双筒回转窑烧胀过程中产生的废气和烟尘采用普通的脱硫、除尘处理。
实施例2-4，按照表7中实施例2-4比例将河道淤泥，脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为40-45％，其它工艺流程同实施例1，不再赘述。
实施例5
按表7中实施例5比例将打桩淤泥，脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为34.2％，通过给料机放入双轴搅拌机中进行充分混料，混料时间为5分钟；然后将上述混料后的生物污泥和淤泥在对辊破碎机中进行破碎，破碎时间为5分钟，破碎后进行二次造粒，第一次采用对辊造粒机对辊造粒6分钟，第二次采用造粒滚筒造粒4分钟，二次造粒后颗粒料的粒径为2-15mm。
将上述造粒后颗粒料放入双筒回转窑中进行预热，预热温度为400℃，预热时间为15分钟；预热后进行烧胀，烧胀温度为1250℃，烧胀时间8分钟；烧胀后在温度为150℃的条件下冷却25分钟后得到陶粒成品，其中双筒回转窑烧胀过程中产生的废气和烟尘采用普通的脱硫、除尘处理。
实施例6-7，按照表7中实施例6-7比例将打桩淤泥，脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为30-35％，其它工艺流程同实施例5，不再赘述。
实施例8
按表7中实施例8比例将河道淤泥、打桩淤泥和脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为37.8％，通过给料机放入双轴搅拌机中进行充分混料，混料时间为3分钟；然后将上述混料后的生物污泥和淤泥在对辊破碎机中进行破碎，破碎时间为3分钟，破碎后进行二次造粒，第一次采用对辊造粒机对辊造粒5分钟，第二次采用造粒滚筒造粒5分钟，二次造粒后颗粒料的粒径为5-15mm。
将上述造粒后颗粒料放入双筒回转窑中进行预热，预热温度为300℃，预热时间为20分钟；预热后进行烧胀，烧胀温度为1200℃，烧胀时间10分钟；烧胀后在温度为100℃的条件下冷却20分钟后得到陶粒成品，其中双筒回转窑烧胀过程中产生的废气和烟尘采用普通的脱硫、除尘处理。
实施例9-12，按照表7中实施例9-12比例将河道淤泥、打桩淤泥和脱水污泥的配方混合均匀后，放置常温下陈化，放置7天进行部分脱水，脱水后河道淤泥和脱水污泥的含水率为35-40％，其它工艺流程同实施例8，不再赘述。
随机抽取实施例1制作的陶粒样品，对其品质检测结果如表8所示。
表8：实施例1制作的陶粒样品的品质

随机抽取实施例8制作的陶粒样品，对其品质检测结果如表9所示。
表9：实施例8制作的陶粒样品的品质

从表8和表9所示，本发明制作的陶粒的堆积密度、筒压强度、吸水率和空隙率等品质较好，用做建筑材料不仅自重效果较好，节能效果显著，隔热保温性能好，而且具有良好的耐火性能、抗震性能、抗渗性能和耐久性能。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。