申请日2006.01.13
公开(公告)日2008.03.05
IPC分类号C04B18/02; C04B33/13; C04B18/04
摘要
在本发明实施方案的一个实例中，公开了制备聚集体的方法，该方法包括将来自废水处理设备的污泥与非煤炭燃烧灰硅铝废料混合，使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。例如，所述废料可以包括城市固体废物焚烧炉底灰、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、水泥窑粉尘、废玻璃、高炉矿渣、窑炉粉尘和/或花岗岩锯切残渣。该方法可以进一步包括在混合之前将所述废料研磨。优选地，研磨是湿研磨。附聚物的高温加工可以在回转窑中进行。所得的聚集体可以是轻重量或正常重量的，烧结或玻璃化的聚集体。还公开了聚集体和高和低钙硅铝材料的聚集体的制造方法。
权利要求书
1.制备聚集体的方法，该方法包括：
将来自废水处理设备的污泥与非煤炭燃烧灰硅铝废料混合，
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
2.权利要求1的方法，其中所述废料包括以下物质中的一种或多种：城市固体废物焚烧炉残渣、废玻璃、高炉矿渣、窑炉粉尘或矿业废料。
3.权利要求2的方法，其中所述城市固体废物焚烧炉残渣包括以下物质中的一种或多种：空气污染控制残渣或焚烧炉底灰。
4.权利要求3的方法，其中所述空气污染控制残渣包括以下物质中的一种或多种：焚烧炉飞灰和焚烧炉过滤器粉尘。
5.权利要求2的方法，其中所述窑炉粉尘包括水 泥窑粉尘。
6.权利要求2的方法，其中所述矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
7.权利要求1的方法，其中：所述废料比所述污泥包含更多钙。
8.权利要求7的方法，其中：所述废料包括以下物质中的一种或多种：焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、焚烧炉飞灰、水泥窑粉尘、废玻璃或高炉矿渣。
9.权利要求7的方法，其中：按干燥重量计，所述废料包含大于9%钙;所述污泥包含小于3%钙。
10.权利要求7的方法，其中：按干燥重量计，所述聚集体包含小于约10%钙。
11.权利要求7的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约99%-60%污泥与约1%-约40%废料混合。
12.权利要求7的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约80%-约90%污泥与约10%-约20%废料混合。
13.权利要求1的方法，其中：所述废料比所述污泥包含更少钙。
14.权利要求13的方法，其中：所述废料包括以下物质中的一种或多种：花岗岩锯切残渣或废玻璃。
15.权利要求13的方法，其中：所述废料包含小于约10%钙;所述污泥包含大于约10%钙。
16.权利要求13的方法，其中：所述聚集体包含小于约10%钙。
17.权利要求13的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约5%-95%污泥与约95%-约5%废料混合。
18.权利要求17的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30%-70%污泥与约70%-约30%废料混合。
19.权利要求18的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30%-约50%污泥与约70%-约50%废料混合。
20.权利要求1的方法，该方法还包括：在混合之前将所述废料研磨。
21.权利要求20的方法，该方法包括：将所述废料湿研磨。
22.权利要求1的方法，该方法还包括：在附聚之前将所述污泥和废料的混合物研磨。
23.权利要求1的方法，该方法包括：通过造粒将所述混合物附聚。
24.权利要求1的方法，该方法还包括：
将所述废料湿研磨;
在湿研磨之后从所述混合物中除去至少一些水;和
在造粒过程中使用至少一些所除去的水。
25.权利要求1的方法，该方法还包括：
将所述废料湿研磨;
在湿研磨之后从所述混合物中除去至少一些水;
将所述高温加工的附聚物淬火;和
在淬火过程中使用至少一些所除去的水。
26.权利要求1的方法，该方法包括：将所述混合物附聚成直径为约3mm-约40mm的附聚物。
27.权利要求1的方法，该方法还包括：用无机粉末涂覆所述附聚物。
28.权利要求1的方法，该方法还包括：在附聚之前将所述污泥和废料与塑性粘结剂混合。
29.权利要求28的方法，其中所述塑性粘结剂包括粘土。
30.权利要求29的方法，其中所述粘土占所述混合物干燥重量的约5%-约20%。
31.权利要求1的方法，该方法包括：在回转窑中将所述附聚物高温加工。
32.权利要求1的方法，其中所述聚集体是轻重量聚集体。
33.权利要求1的方法，其中所述聚集体是正常重量聚集体。
34.权利要求1的方法，该方法包括：将所述附聚物高温加工以使所述附聚物玻璃化。
35.权利要求1的方法，该方法还包括：至少部分地基于污泥与废料的比例和高温加工温度控制所述聚集体的所选性能。
36.权利要求35的方法，该方法包括：至少部分地基于所述比例和温度控制所述聚集体的密度。
37.权利要求35的方法，该方法包括：至少部分地基于所述比例和温度控制所述聚集体的吸水率。
38.权利要求35的方法，该方法包括：至少部分地基于所述比例和温度控制强度。
39.制备烧结的轻重量聚集体的方法，该方法包括：
制备包含得自废水处理设备的污泥和非煤炭燃烧灰硅铝废料的混合物;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物烧结。
40.权利要求39的方法，其中所述废料包括以下物质中的一种或多种：焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、炉底灰、废玻璃、高炉矿渣、水泥窑粉尘或花岗岩锯切残渣。
41.权利要求39的方法，该方法包括：
通过造粒将所述混合物附聚;和
在回转窑中将所述附聚物烧结。
42.权利要求39的方法，该方法包括：
将污泥与废料按预定比例混合;和
在至少部分基于所述预定比例的温度下将所述附聚物烧结以形成具有预定密度的轻重量聚集体。
43.烧结的轻重量聚集体，该聚集体包含：
得自废水处理设备的污泥;
非煤炭燃烧灰硅铝废料;
其中在一种温度下将所述污泥和废料的混合物烧结以形成烧结的轻重量聚集体。
44.权利要求43的烧结的轻重量聚集体，其中所述废料包括以下物质中的一种或多种：焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、废玻璃、高炉矿渣、水泥窑粉尘或花岗岩锯切残渣。
45.权利要求43烧结的轻重量聚集体，按干燥重量计，所述聚集体包含约2%钙-约10%钙。
46.权利要求45烧结的轻重量聚集体，按干燥重量计，所述聚集体包含约3%-约6%钙。
47.权利要求43烧结的轻重量聚集体，其中：所述聚集体是化学惰性的。
48.权利要求43烧结的轻重量聚集体，其中：所述聚集体具有约2mm-约30mm的直径。
49.高温加工的聚集体，该聚集体包含：
得自废水处理设备的污泥;和
非煤炭燃烧灰硅铝废料。
50.权利要求49的聚集体，所述聚集体具有约2mm-约30mm的直径。
51.权利要求49的聚集体，其中所述高温加工的聚集体是经烧结的。
52.权利要求49的聚集体，其中所述高温加工的聚集体是经玻璃化的。
53.权利要求49的聚集体，其中：所述聚集体是正常重量聚集体。
54.权利要求49的聚集体，其中：所述聚集体是轻重量聚集体。
55.权利要求49的聚集体，其中第二材料包括以下物质中的一种或多种：城市固体废物焚烧炉残渣、废玻璃、水泥窑粉尘、花岗岩锯切残渣或高炉矿渣。
56.高温加工的聚集体，该聚集体由污泥组成。
57.权利要求56的聚集体，其中：按重量计算，该污泥包含小于40%有机材料。
58.制备聚集体的方法，该方法包括：
将得自废水处理设备的污泥和得自烧煤设备的炉底灰(“FBA”)混合;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
59.高温加工的聚集体，该聚集体包含：
得自废水处理设备的污泥;和
得自烧煤设备的炉底灰。
60.制备聚集体的方法，该方法包括：
将得自废水处理设备的污泥的水分含量降低到允许附聚的水平;
使所述污泥附聚;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
61.权利要求60的方法，该方法还包括：
将所述污泥研磨;和
将经研磨的污泥筛分。
62.制备聚集体的方法，该方法包括：
将粘土或页岩中的至少一种研磨;
将得自废水处理设备的污泥中的至少一些水除去;
将所述污泥与所述粘土或页岩混合;
将所述混合物造粒;和
在回转窑中将所述粒料高温加工以形成聚集体。
63.权利要求62的方法，包括将所述污泥和所述粘土或页岩的混合物湿研磨。
64.权利要求62的方法，该方法包括：
通过烧结将所述粒料高温加工。
65.权利要求62的方法，该方法包括：
通过玻璃化将所述粒料高温加工。
66.制备聚集体的方法，该方法包括：
将得自废水处理设备的污泥与以下天然材料中的一种或多种混合：板岩、石灰、石灰石、白云石或石膏;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
67.权利要求66的方法，该方法还包括：
在混合所述天然材料与污泥之前将所述一种或多种天然材料加工。
68.高温加工的聚集体，该聚集体包含：
得自废水处理设备的污泥;和
以下材料中的至少一种或多种：板岩、石灰、石灰石、白云石或石膏。
69.制备聚集体的方法，该方法包括：
将以下第一材料中的一种或多种：得自煤炭燃烧的粉煤灰、煤炭、粘土、页岩、板岩、花岗岩锯切残渣、废玻璃或炉底灰，与以下第二材料中的一种或多种：焚烧炉飞灰、水泥窑粉尘、焚烧炉过滤器粉尘、高炉矿渣、石灰石、石膏、白云石或废玻璃混合;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
70.权利要求69的方法，其中：按干燥重量计，所述第一材料包含小于约3%钙;第二材料包含大于约9%钙。
71.制备聚集体的方法，该方法包括：
将得自废水处理设备的污泥和得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉残渣混合;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
72.权利要求72的方法，其中所述焚烧炉残渣包括以下物质中的一种或多种：焚烧炉底灰、焚烧炉飞灰或焚烧炉过滤器粉尘。
73.制备聚集体的方法，该方法包括：
将以下第一材料中的一种或多种：得自煤炭燃烧的粉煤灰或粘土，与以下第二材料中的一种或多种：板岩、石灰、石灰石、白云石、石膏、高炉矿渣、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘或水泥窑粉尘混合;
使该混合物附聚以形成附聚物;和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
74.高温加工的聚集体，该聚集体包含：
以下第一材料中的一种或多种：得自煤炭燃烧的粉煤灰或粘土;和
以下第二材料中的一种或多种：板岩、石灰、石灰石、白云石、石膏、高炉矿渣、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘或水泥窑粉尘。
说明书
包含污泥和其它废料的合成聚集体和制备此类聚集体的方法
发明领域
[0001]合成聚集体，更具体地说，包含污泥和硅铝(silicoaluminous)材料的合成聚集体，和包含含低和高钙的硅铝材料的结合物的合成聚集体。
发明背景
[0002]聚集体是混凝土、砖石和填腔绝缘体的主要成分。聚集体的其它应用包括填料助剂或园艺聚集体。聚集体可以衍生自具有最小加工的天然源或衍生自经热处理的天然产生的材料。聚集体也可以是合成的。得自天然源如采石场、地基中的矿井和河床的聚集体通常由岩屑、砾石、石料和沙子组成，可以视需要将它们压碎、洗涤和调整大小用以使用。得自天然材料可用来形成聚集体的聚集体包括粘土、页岩和板岩，将它们高温加工(pyroprocess)，引起材料的膨胀。例如，OPTIROC和LECA是可商购的膨胀粘土聚集体的实例。合成聚集体可能包含工业副产物，它们可能是废料。例如，LYTAG是可商购的烧结聚集体，其包括粉煤灰(“PFA”)，亦称飞灰。例如，PFA是由发电厂中的煤炭燃烧产生的。
[0003]用于建筑的天然聚集体是大量需要的。然而，聚集体再生源是有限的并且提取和加工这些材料伴有例如环境问题、法律问题、可利用性、城区扩展和运输成本。也已经存在由各种工业引起的废料产生的巨大增加，必须以环境上和法律上可接受的方式处理这些废料。通常，在填埋场以很大的代价处理所产生的大多数废料。由于可利用的拉圾填埋地点的耗尽、获得新地点的困难、潜在的不利环境影响和填埋场的成本，废料处理已经是重要的问题达许多年。
[0004]废料的加工和转变以产生用于混凝土和其它应用的可行的合成聚集体将既减轻废料问题又减轻天然聚集体再生源的衰竭。
[0005]聚集体可以是轻重量或正常重量的。轻重量聚集体(“LWA”)具有由ASTM规格C330限定的小于2.0g/m3的颗粒密度或小于1.1g/cm3的干燥疏松堆积密度。得自例如砾石、沙子和碎石的正常重量聚集体具有约2.4-约2.9的堆积比重(既是烤干的又是饱和表面干燥的)，和至多约1.7g/cm3的堆积密度。高质量LWA具有强但是低密度多孔的均匀结构强度的烧结陶瓷芯和致密、连续、较不透性的表面层以抑制吸水。它们是物理上稳定、持久且环境上惰性的。对于在混凝土中的使用来说，LWA应该具有足够的压碎强度和耐破碎性以致所得的混凝土具有大于10MPa的强度和约1.5g/cm3-约2.0g/cm3的干密度。还可以制备较低密度的LWA。含LWA的混凝土(“LWA混凝土”)也可以具有低到约0.3g/cm3的密度。
[0006]合成轻重量聚集体(“LWA”)由于与它们在结构应用中的使用有关的显著利益已经受到广泛注意。含LWA的混凝土(“LWA混凝土”)可以比普通混凝土轻20-30%，但是一样强。即使当它不如常规混凝土强时，该LWA混凝土可能具有降低的结构失效载荷，使得能够在结构中使用更长的跨度、更窄的横截面和降低的增强。LWA混凝土的较低的重量促进处理和降低输送、设备和工资成本。LWA混凝土也可以具有改进的绝缘性质、冻融性能、耐火性和降噪性。
[0007]由废水生物处理设备产生的污泥在体积和重金属含量方面是主要的废料。污泥包括在设备中的各个处理阶段过程中，如一次或二次沉积，好氧或厌氧消化或其它过程中聚集且随后与液流分离的沉积固体。污泥的组成和特性也可以根据废水处理过程和应用的污水污泥处理过程改变。污泥可以是原始、消化或脱水的。污泥包含大量有机材料并且还可以包含高浓度的重金属和病原体。污泥通常已经通过焚烧以形成惰性灰而进行处理，该惰性灰如下加以处理：污泥储存、填埋、在陆地上作为肥料散播或土壤调理，和海洋倾倒。如果在散播于陆地上或在填埋场中进行处理之前没有将污泥处理，则可能发生不希望的污染。
[0008]污泥再循环和处理提出相当大的经济和环境问题。废料中重金属和病原体的存在，它们可能从填埋场浸出，对邻近的土地和水供给源是威胁。填埋场地点的可利用性也正在减少。另外，污泥中存在大量水，其增加废料的重量，引起显著的运输和处理成本。
[0009]所产生的另一种主要的废料是由城市固体废物(“MSW”)焚烧产生的灰流。虽然MSW灰残渣向填埋场的处理仅占原始废料体积的十分之一，但是由于所产生的固体残渣的相当大的量以致它们的管理产生问题，大部分固体残渣当前被填埋。焚烧炉底灰(“IBA”)是主要的灰流，它占MSW焚烧炉残渣总重量的大致75-80%，并且是矿渣、玻璃、陶瓷、黑色及有色金属、矿物质、其它不燃物和未燃烧有机物质的多相混合物。IBA当前以其原始形式(没有热处理)用于填方和堤防的建筑、人行道基底和道路底基层路线、土体加固，用于砖块、石块和铺路薄片石，和用作特定应用中的填料。虽然认为是较惰性的废物，但是在这些应用中重金属的浸出是可能的。
[0010]MSW焚烧也产生呈悬浮在燃烧气体中或收集在排气污染控制装置中的粉尘形式的颗粒残渣，它称作空气污染控制(“APC”)残渣。这包括在污染控制系统处收集的飞灰、石灰、碳和残渣。焚烧炉过滤器粉尘(“IFD”)是在集尘室过滤器中收集的按25-30kg/1000kg焚烧废料的比率产生的APC残渣，但是有时包括IFD的飞灰占总灰流的约10%-15%。MSW焚烧炉飞灰(“IFA”含有高浓度的危险材料，如重金属、二恶英、硫化合物和氯化合物，并且因此在大多数欧洲国家中被分为毒性和危险残渣。因此，它仅能在特殊的填埋场中处理，这是昂贵的且环境上是危险的。
[0011]残渣的主要体积还由矿物质、矿石和石料的开采产生。典型的采矿作业包括提取、选矿、鼓风、压碎、洗涤、筛选、切割(石料)和贮存。这些操作产生废料，如不同尺寸的压碎材料、粉末、泥渣和废水，它们必须加以处理。例如，得自饰面石料的切割的大理石和花岗岩次品也产生大量被废弃到河流和污水池中的废泥。花岗岩锯机和花岗岩切割机也产生大量粉末和泥废渣。术语“矿业废料”在此用来指在这些操作过程中产生的废料。为了防止环境污染，需要在污水池或填埋处理之前将矿业废料处理。例如，其它矿业废料包括石灰石和白云石尾料。
[0012]产生电力的发电厂也产生显著体积的灰残渣，它们呈细纹颗粒材料形式，称为粉煤灰(“PFA”);和呈粗粒组形式，称为炉底灰(“FBA”)。更重的灰材料占所产生的总煤灰的20-30%并且是落至炉子底部的部分。FBA当前以其原始形式用作轻质混凝土砖石块体中的聚集体，用于Portland胶结物制备和其它的柏油或路面承重层应用。
[0013]其它的以高比率产生的废料包括水泥窑粉尘(“CKD”)和高炉矿渣。CKD是在生产装置的空气污染控制集尘系统中俘获的胶结物制造操作的细粉状副产物。美国每年产生约14.2百万吨CKD，并且所产生的总CKD的约64%在水泥厂内再使用。GGBS是鼓风炉中铁的生产和加工的非金属产物。据估计美国每年产生约15.5百万吨GGBS，并且大多数用于胶结物生产，作为聚集体或绝缘材料。
发明概述
[0014]与废料处理有关的经济负担和环境危险使得开发替代技术将废料转化成安全、有利可图的产物是有利的。将废料再使于制备土木和建筑材料如合成聚集体将是有效的选择，因为它提供大规模废物利用的较大潜能，以及降低对用于材料聚集体的不可再生原材料的需求。
[0015]根据本发明的一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括将得自废水处理设备的污泥与非煤炭燃烧灰硅铝废料混合。该方法还包括使该混合物附聚以形成附聚物和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。所述废料可以包括城市固体废物焚烧炉残渣、废玻璃、高炉矿渣、窑炉粉尘和/或矿矿业废料。城市固体废物焚烧炉残渣可以包括空气污染控制残渣和/或焚烧炉底灰。空气污染控制残渣包括焚烧炉飞灰和/或焚烧炉过滤器粉尘。所述窑炉粉尘包括水泥窑粉尘。矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
[0016]在一个实例中，所述废料比所述污泥包含更多钙。在这一实施例中，废料包括焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、水泥窑粉尘、废玻璃和/或高炉矿渣。所述废料可以包含大于9%钙并且所述污泥可以包含小于3%钙。按干燥重量计，所得的聚集体可以包含小于约10%钙。该方法可以包括按所述混合物的干燥重量计，将约99%-约60%污泥与约1%-约40%废料混合。优选地，该方法包括按所述混合物的干燥重量计，将约80%-约90%污泥与约10%-约20%废料混合。
[0017]在另一个实施例中，所述废料比所述污泥包含更少的钙。在这一实施例中，所述废料可以包括炉底灰、花岗岩锯切残渣和/或废玻璃。所述废料可以包含小于约10%钙并且所述污泥可以包含大于约10%钙。聚集体可以包含小于约10%钙。该方法可以包括按所述混合物的干燥重量计，将约5%-约95%污泥与约95%-约5%废料混合。优选地，该方法包括按所述混合物的干燥重量计，将约30%-约70%污泥与约70%-约30%废料混合。更优选，该方法包括按所述混合物的干燥重量计，将约30%-约50%污泥与约70%-约50%废料混合。
[0018]该方法可以进一步包括在混合之前将所述废料研磨。优选地，研磨是湿研磨。在附聚之前优选将所述污泥和废料的混合物研磨。优选地，所述附聚包括造粒。可以从经湿研磨的废料中除去至少一些水并且那些水的至少一些可以在高温加工的附聚物的造粒和/或淬火期间使用。所得的聚集体可以具有约3mm-约40mm的直径。
[0019]附聚物可以被无机粉末涂覆。可以在附聚之前将塑性粘结剂与污泥和废料混合。该塑性粘结剂可以包括粘土。所述粘土粘结剂可以占所述混合物干燥重量的约5%-约20%。
[0020]附聚物的高温加工可以在回转窑中进行。例如，所得的聚集体可以是轻重量聚集体或正常重量聚集体。所述附聚物可以是玻璃化的。可以至少部分地基于污泥与废料的比例和高温加工温度控制所述聚集体的所选性能。所选性能可以包括聚集体的密度、吸水率和/或强度。
[0021]根据本发明的另一个实施方案，公开了烧结的轻重量聚集体的制备方法，该方法包括：制备包含得自废水处理设备的污泥和非煤炭燃烧灰硅铝废料的混合物，使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物烧结。所述废料可以包括焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、炉底灰、废玻璃、高炉矿渣、水泥窑粉尘和/或花岗岩锯切残渣。
[0022]根据本发明的另一个实施方案，公开了烧结的轻重量聚集体，其包含得自废水处理设备的污泥和非煤炭燃烧灰硅铝废料。在一种温度下将所述污泥和废料的混合物烧结以形成烧结的轻重量聚集体。例如，所述废料可以包括焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、焚烧炉底灰、废玻璃、高炉矿渣、水泥窑粉尘和/或花岗岩锯切残渣。所述轻重量烧结聚集体可以包含约2%钙-约10%钙。优选地，所述轻重量烧结聚集体包含约3%-约6%钙。所述轻重量烧结聚集体可以是化学惰性的。
[0023]根据本发明的另一个实施方案，高温加工的聚集体包含得自废水处理设备的污泥和非煤炭燃烧灰硅铝废料。所述聚集体可以是烧结或玻璃化的。所述聚集体可以是正常重量或轻重量聚集体。
[0024]根据另一个实施方案，高温加工的聚集体由污泥组成。按重量计算，所述污泥可以包含小于40%有机材料。
[0025]根据另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将得自废水处理设备的污泥和得自烧煤设备的炉底灰(“FBA”)混合;使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。根据另一个实施方案，公开了高温加工的聚集体，该聚集体包含：得自废水处理设备的污泥和得自烧煤设备的炉底灰。
[0026]根据本发明的另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将得自废水处理设备的污泥的水分含量降低到允许附聚的水平;使所述污泥附聚，和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
[0027]根据另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将粘土或页岩中的至少一种研磨，将得自废水处理设备的污泥中的至少一些水除去，和将所述污泥与所述粘土或页岩混合。将该混合物造粒并且在回转窑中将粒料高温加工以形成聚集体。可以将所述污泥和所述粘土或页岩的混合物湿研磨。
[0028]根据另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将得自废水处理设备的污泥与板岩、石灰、石灰石、白云石和/或石膏混合。将该混合物附聚以形成附聚物。然后将该附聚物高温加工以形成聚集体。在与污泥混合之前可以一种或多种天然材料，如板岩、石灰、石灰石、白云石或石膏加工。
[0029]根据另一个实施方案，公开了高温加工的聚集体，该聚集体包含：得自废水处理设备的污泥和板岩、石灰、石灰石、白云石和/或石膏。
[0030]根据另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将第一材料与第二材料混合，所述第一材料可以包括得自煤炭燃烧的粉煤灰、煤炭、粘土、页岩、板岩、花岗岩锯切残渣、废玻璃和/或炉底灰，所述第二材料可以包括焚烧炉飞灰、水泥窑粉尘、焚烧炉过滤器粉尘、高炉矿渣、石灰石、石膏、白云石和/或废玻璃。将该混合物附聚以形成附聚物并且将该附聚物高温加工以形成聚集体。按干燥重量计，所述第一材料可以包含小于约3%钙;第二材料可以包含大于约9%钙。
[0031]根据本发明的另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将得自废水处理设备的污泥和得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉残渣混合，使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。所述焚烧炉残渣可以包括焚烧炉底灰、焚烧炉飞灰和/或焚烧炉过滤器粉尘。
[0032]根据本发明的另一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括：将第一材料与以下第二材料：板岩，石灰、石灰石、白云石、石膏、高炉矿渣、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘或水泥窑粉尘中的一种或多种混合，所述第一材料包括第一材料：得自煤炭燃烧的粉煤灰或粘土。将该混合物附聚并且将该附聚物高温加工以形成聚集体。
[0033]根据另一个实施方案，公开了高温加工的聚集体，该聚集体包含：第一材料，它可以是得自煤炭燃烧的粉煤灰和/或粘土，和第二材料，它可以是板岩、石灰、石灰石、白云石、石膏、高炉矿渣、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘和/或水泥窑粉尘。
附图简述
[0034]图1是根据本发明的一个实施方案的污泥(样品X)和污泥和花岗岩锯切残渣的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0035]图2是根据本发明的一个实施方案的污泥和污泥与水泥窑粉尘的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0036]图3是根据本发明的方法制备的附聚物的实例的横截面示意图;
[0037]图4是根据本发明实施方案的烧结聚集体的实例的剖面示意图;
[0038]图5是根据本发明实施方案的玻璃化聚集体的实例的横截面示意图;
[0039]图6是根据本发明的一个实施方案的制备聚集体的方法的实例;
[0040]图7是根据本发明实施方案的烧结聚集体的实例的照片;
[0041]图8是根据本发明的另一个实施方案的制备聚集体的另一个方法的实例;
[0042]图9是根据本发明的一个实施方案的IBA和污泥和废玻璃的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0043]图10是根据本发明的一个实施方案的污泥(样品Y)和污泥和花岗岩锯切残渣的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0044]图11是根据本发明的一个实施方案的污泥和污泥与膨润土的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0045]图12是根据本发明的一个实施方案的污泥和污泥与石灰石的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;
[0046]图13是根据本发明的一个实施方案的污泥和污泥与焚烧炉飞灰的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图;和
[0047]图14是根据本发明的一个实施方案的污泥和污泥与经磨碎的粒状高炉矿渣的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图。
具体实施方式
[0048]材料当加热时的行为主要取决于其组成、粒径和矿物组成。为了获得在具有所需密度、吸水率等的烧结和玻璃化产物的制备期间在高温加工温度下获得受控致密化，需要助熔材料和耐熔矿物质之间的良好的比率。耐熔矿物质，如二氧化硅和氧化铝，通常具有高熔点。以呈氧化物、碳酸盐或硫酸盐形式的材料存在助熔矿物质，如碱土金属钙和镁，和碱金属钠和钾，将较低材料中二氧化硅和氧化铝和其它耐熔矿物质的熔点。如果材料中存在高比例的助熔矿物质，则存在相应较低比例的玻璃网络形成元素硅。助熔矿物质促进在混合物中的组分的最低共熔点的温度下烧结和熔融。另外，根据所涉及的温度，具有低粘度和高迁移率的助熔矿物质通过液相烧结帮助烧结或玻璃化产物的形成。
[0049]污泥是组成可显著变化的多相废料，这主要取决于进入特定废水处理厂的废水流入物的特性和用于废水和污泥处理过程的处理工艺。污泥在本发明的某些实施方案中用作初始原材料用于制备高温加工的聚集体。得自两个不同处理厂的污泥经历根据本发明实施方案的聚集体生产加工。得自一个废水处理设备的污泥样品(下面实施例1所讨论的样品X)部分地包含约16.02%二氧化硅(SiO2)、6.83%氧化铝(Al2O3)和20.28%氧化钙(CaO)。也是下面实施例1所讨论的样品Y部分地包含约31.24%二氧化硅(SiO2)、6.22%氧化铝(Al2O3)和12.12%氧化钙(CaO)。这些样品包含高量的碱土金属钙，它使所述污泥中其余化合物的熔点降低。致密化因此在比耐熔矿物质二氧化硅和氧化铝的熔点低的温度下发生。另外，钙组分充当助熔剂，通过液相烧结帮助烧结或玻璃化产物的形成。混合物是否烧结或玻璃化取决于混合物的高温加工温度和组成。所述助熔矿物质熔融以形成低粘度、高迁移率液体，后者非常迅速地吸收和溶解其余耐熔矿物质。另外，硅酸盐熔体的迁移率由于污泥中存在挥发性组分而增加。随着高温加工温度的增加，这一液体形成引起这类污泥的加快的致密化行为。
[0050]得自第二个废水处理设备的污泥样品具有低浓度的这些助熔剂。下面实施例4讨论的样品Z是低钙污泥的实例，它具有3.20%氧化钙(CaO)、3.80%氧化铝(Al2O3)和39.50%氧化硅(SiO2)的部分组成。由于耐熔矿物质如二氧化硅的较高的浓度，致密化在较高的温度下和较宽的温度范围内进行。
[0051]根据本发明的一个实施方案，高温加工的聚集体包含100%污泥并公开了制备此类聚集体的方法。已经发现可以通过将污泥与添加剂混合以改进污泥的组成和改变其在高温加工过程中的行为而达到聚集体生产的更好控制。根据其它的实施方案，因此将某种废料和天然添加剂材料与污泥混合。附加材料的选择取决于污泥的组成。优选地，所述材料经选择使得所得的聚集体具有约2%-约10%的钙含量。更优选，钙含量为约2%-约6%。
[0052]在实施方案的一个实例中，将具有高钙含量，例如钙含量高于10%的污泥与钙含量比该污泥小的低钙硅铝材料(“LCSAM”)混合，以改进污泥的组成并且，因此，改进其在高温加工过程中的致密化行为。例如，所述高钙含量硅铝污泥可以具有大于10%的钙含量并且所述LCSAM可以具有小于约10%的钙含量。LCSAM在这个实施方案中还称为A组添加剂或材料。LCSAM包括废料，如废玻璃(“WG”)、炉底灰(“FBA”)和某些矿业废料，例如花岗岩锯切残渣(“GSR”)。LCSAM还包括天然材料板岩。
[0053]向高钙污泥中添加LCSAM已经发现通过提供得自所述LCSAM的更低迁移率和更高粘度的熔体而1)延迟材料的致密化，和/或2)增加聚集体的初始软化、烧结和熔融之间的温度范围。这已经发现与100%高钙污泥的加工相比提供聚集体生产过程的更好控制。
[0054]在实施方案的另一个实例中，将具有低钙含量的污泥与高钙硅铝材料(“HCSAM”)混合，后者在这个实施方案中称为B组添加剂或材料。低钙污泥可以具有小于3%的钙含量并且HCSAM可以具有大于9%的钙含量。在这个实施方案中，HCSAM包括，例如：1)废料：城市固体废物(“MSW”)残渣，水泥窑粉尘(“CKD”)和高炉矿渣;和2)天然材料：石灰石、石膏和白云石。城市固体废物(“MSW”)残渣包括空气污染控制残渣和焚烧炉底灰(“IBA”)。空气污染控制残渣包括焚烧炉飞灰和焚烧炉过滤器粉尘。
[0055]向低钙污泥中添加HCSAM已经发现1)降低含污泥的聚集体可以进行高温加工的温度范围;2)提供加快烧结和/或玻璃化的液态熔体;和3)使得能够制备具有所选特性(如密度)的聚集体，这取决于温度和组成。
[0056]废玻璃包含大量助熔组分，如钙和钠(分别为9wt%和12wt%)，和耐熔矿物质，如二氧化硅(71.7Wt%)。废玻璃因此可以既是A组又是B组添加剂，这取决于污泥的组成。换言之，废玻璃可以降低高钙污泥的钙含量或提高低钙污泥的钙含量。
[0057]在实施方案的另一个实例中，由至少一种LCSAM与至少一种HCSAM的混合物制备了合成聚集体。在一个实例中，LCSAM包含小于3%钙，而HCSAM由大于10%钙组成。已经发现LCSAM和HCSAM的混合物提供良好的耐熔物质和助熔矿物质之间的比率，使得能够控制高温加工。在这个实施方案中，LCSAM包括，例如，废料：得自烧煤设备的粉煤灰(“PFA”)，和上面讨论的其它LCSAM，以及粘土、页岩和板岩。例如，粘土可以是膨润土和/或高岭土。在这个实施方案中的HCSAM与上面讨论的那些相同，不同之处在于不包括MSW焚烧炉底灰。向LCSAM中添加HCSAM的目的是提供具有合乎需要的组成的混合物，该组成具有合适的助熔剂与耐熔矿物质的比例，以获得生产过程的更好控制来制造具有所需性能的聚集体。
[0058]在另一个实施方案中，通过控制污泥与第二材料添加剂的比例和高温加工温度，可以获得具有一定密度、孔隙率和吸水率范围的合成聚集体。
[0059]图1是在约920℃-约1150℃的范围内包含污泥的聚集体(下面实施例2中的样品X)和包含污泥和花岗岩锯切残渣的混合物的聚集体的密度(g/cm3)对烧结温度(℃)的曲线图。曲线A(对应于包含100%SS的聚集体)显示随着温度从约920℃增加到约960℃，密度从约1.2g/cm3的低密度增加到约2.5g/cm3的最大密度。随着温度从960℃增加到980℃，密度从约2.5g/cm3的最大密度减小到1.7g/cm3。密度为2.0g/cm3和以下的聚集体称为轻重量聚集体，而密度大于2.0g/cm3的聚集体称为正常重量聚集体。
[0060]在920℃到960℃内密度增加，因为当产物烧结时，污泥中的助熔剂熔融形成液相，该液相通过毛细管作用填充污泥中颗粒之间的孔隙。当孔隙被填充并且样品的体积减小时，密度增加。另外，液相中较小的颗粒朝较大的颗粒扩散。熔融的材料在硬化后形成刚性、玻璃质、无定形骨架或基体。随着加工温度增加，污泥中更多的化合物熔融，从而基本上排除所有孔隙并形成更玻璃质、结晶的固体基体。在最大致密化的温度下，基本上所有孔隙被填充并且产物被玻璃化。
[0061]在960℃到980℃的温度内密度迅速地减小，因为进一步的温度增加导致样品熔融并且膨胀。膨胀由熔融液相中气体的夹带造成，这起因于样品的某些组分的挥发。夹带的气体形成孔隙。
[0062]如图1所示，污泥在非常窄的温度范围内迅速地烧结。例如，为了制备包含100%污泥密度为约1.4g/cm3-约1.8g/cm3的烧结的轻重量聚集体，烧结温度必须在930-940℃的范围之内，它的宽度仅为10℃。另外，污泥的给定样品的组成变化引起在加热期间污泥样品的行为的显著变化。不同污泥样品的温度和密度之间的关系因此可以广泛地改变。因此，很难获得具有所需的密度、孔隙率、吸水率等特性的污泥最终产物。在大规模生产中，不能控制与这一样品(高钙)具有类似组成的污泥随温度的致密化行为是具有需要性能的聚集体的生产中的重大阻碍。
[0063]在本发明实施方案中使用的低钙硅铝材料(LCSAM)比污泥包含更多二氧化硅和更少钙。如上所述，下面实施例1和2中使用的污泥样品(样品X)包含约16.02%二氧化硅(SiO2)、6.83%氧化铝(Al2O3)和20.28%氧化钙(CaO)。天然LCSAM粘土(例如，膨润土和高岭土)、页岩和板岩包含约48%-58%二氧化硅(SiO2)，约18%-约29%铝(Al2O3)和小于约3%氧化钙(CaO)。花岗岩锯切残渣(“GSR”)，它们是可以用于本发明某些实施方案的矿业废料的实例，包含约65%二氧化硅(SiO2)，约15%氧化铝(Al2O3)和约2.6%氧化钙(CaO)。废玻璃包含约72%二氧化硅(SiO2)，约2%氧化铝(Al2O3)和约9%氧化钙(CaO)。废玻璃也包含约12%氧化钠(Na2O)，它也是助熔化合物，所以它可以用来增加或减少污泥中助熔剂的量。炉底灰(“FBA”)，其具有与得自煤炭燃烧(“PFA”)的粉煤灰相同的组成，包含约52%二氧化硅(SiO2)，约26%氧化铝(Al2O3)和约2%氧化钙(CaO)。这些LCSAM的其它组分在下面实施例中给出。
[0064]如图1所示，在60%/40%污泥(“SS”)/花岗岩锯切废料(“GSR”)混合物中，例如，为了制备密度为约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的烧结的轻重量聚集体，烧结温度可以在约30℃(从约1010-约1040℃)的范围之内。在40%/60%SS/GSR混合物中，在约1010℃-约1075℃的65℃范围内的温度下可以达到类似的密度。另外，将GSR浓度增加到60%延迟烧结，因为最大密度在约1110℃下达到(相比，100%SS在960℃下达到，60%/40%SS/GSR在1060℃下达到)。预计进一步增加GSR到80%和以上将在比40%/60%SS/GSR混合物更宽的温度范围内获得密度为约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的轻重量聚集体。更宽的温度范围促进具有所需密度和其它性能的聚集体的产生，尽管SS的组成有变化。图1基于下面实施例2的结果。
[0065]图2是在约980℃-约1110℃的范围内包含污泥的聚集体(下面实施例4中的样品Z)，和包含污泥和水泥窑粉尘的混合物的聚集体的密度(g/cm3)对烧结温度(℃)的曲线图。曲线B(对应于100%污泥)显示随着温度从约980℃增加约1060℃，密度从约1.9g/cm3的低密度增加约2.4g/cm3的最大密度。随着温度从1060℃增加到1110℃，密度从2.4g/cm3的最大密度减小到2.0g/cm3。密度大于2.0g/cm3的聚集体是正常重量聚集体。
[0066]如图2所示，污泥显示延迟的致密化和在初始材料软化、烧结和熔融之间的宽温度间隔，这归因于污泥中大量的耐熔组分。在这一实施例中，在110℃(1000-1110℃)的宽温度范围内，所研究的温度产生密度为2.0g/cm3-2.4g/cm3的正常重量聚集体。为了加快材料的致密化行为以在提供可预测性和生产控制的温度范围内同时制备轻重量和正常重量聚集体，将高钙硅铝，B组材料(“HCSAM”)添加到污泥中。在这一实施例中，HCSAM是水泥窑粉尘(“CKD”)。因为CKD包含大量CaO(63wt%)，所以仅需要少量CKD而具有加速作用。当在100%污泥混合物的相同温度范围中进行高温加工时，在污泥中添加5%CKD致使制备密度为约1.7g/cm3-约2.4g/cm3的轻重量聚集体。在940℃-1060℃的高温加工温度之间，在污泥中添加10%CKD致使制备密度低到1.4g/cm3的轻重量聚集体和密度至多约2.4g/cm3的正常重量聚集体。进一步添加CKD不是优选的，因为它可能进一步加速混合物的致密化，这可能在大规模聚集体生产中是以可预计方式控制生产过程的阻碍。
[0067]在根据本发明实施方案的方法中，如下形成聚集体：将预定量的污泥和第二材料混合，取决于污泥的组成，所述第二材料可以是LCSAM或HCSAM，使所述混合物附聚，和在所选温度下将该附聚物高温加工。如上所讨论，LCSAM比原始污泥具有更少的含钙组分，而HCSAM比污泥具有更多钙。基于如图1和2中图解表示的那些数据，温度可以至少部分地基于污泥与硅铝材料(“SAM”)的比例，和聚集体的所需密度和其它性能，如吸水率和/或强度选择。将引起烧结的温度是优选的。在烧结之前优选将混合物附聚，以产生具有所需尺寸和形状的附聚物而形成烧结的聚集体。造粒是优选的附聚方法。在与第二材料混合之前可以将污泥干燥。或者，可以按湿润形式添加污泥，这种形式具有允许附聚的合乎需要的水分含量。
[0068]图3是附聚物10的实例，它包含LCSAM颗粒12，如粘土、页岩、板岩、花岗岩锯切残渣、废玻璃和炉底灰，或HCSAM颗粒12，如水泥窑粉尘、高炉矿渣、石灰石、石膏和白云石，和污泥颗粒14。还示出了孔隙16。可以将该附聚物10高温加工，例如烧结，以形成根据本发明实施方案的聚集体。在高温加工过程中，污泥14和高或低硅铝材料(“SAM”)颗粒12的原始晶粒颗粒中的助熔化合物，如氧化钙、氧化钠、氧化钾和氧化镁，和熔点小于加工温度的其它化合物熔融并流入孔隙16。如果SAM颗粒12是废玻璃(它是非结晶固体)，由于软化的玻璃颗粒在比其它结晶SAM颗粒的熔融温度通常低得多的温度下通过粘性烧结而熔融引起致密化。
[0069]图4是根据本发明的一个实施方案由附聚物10的烧结产生的聚集体20的实例的剖面示意图。所述聚集体20包含污泥和SAM的混合物。根据污泥与SAM的比例和所需的密度和/或其它特性的温度下烧结该附聚物。该烧结聚集体20包含许多通过部分玻璃质和部分结晶的基体24彼此粘结的晶粒22，所述基体由组分的熔融和/或结晶产生。晶粒22可以包含二氧化硅、氧化铝和熔点大于加工温度的其它矿物质。晶粒22在烧结期间完全或部分地结晶，从而提供晶粒22之间的附加粘结。聚集体20优选具有致密、连续、较不透性的表面层26，其由用无机材料任选地涂覆附聚物10产生，如下面进一步论述的那样。还存在内孔28(它们可以是通道状的)和小表面孔28a(它们可以是细微的)。所述表面孔可以与内孔连接，使得该聚集体20能够吸水。吸水率的程度指示孔隙的体积和连通性。
[0070]图5是根据本发明另一个实施方案的玻璃化聚集体30的实例剖面示意图。该玻璃化的聚集体30包含比图4的烧结聚集体更小的晶粒22和更大的基体24。玻璃化如下产生：在对于污泥与SAM的特定比例而产生最大致密化的温度处或之上将附聚物10高温加工，其中附聚物的大多数组分熔融。
[0071]根据本发明的实施方案可以制备密度低到约1.2g/cm3和吸水率大于约40%，具有非常低强度的高孔隙度轻重量聚集体，以及密度至多2.0g/cm3的非常强的、良好烧结的轻重量聚集体。根据本发明的实施方案还可以制备密度大于约2.0g/cm3且至多约2.6g/cm3，吸水率接近零的正常重量聚集体。采用污泥和在某些SAM之中的SAM的聚集体制备提供有利的再利用应用。
[0072]图6是根据本发明的一个实施方案的制造聚集体的方法100的实例。首先在步骤105中将污泥干燥。例如，可以在烘箱中在110℃下将污泥干燥24小时。如果原污泥的水含量很高，则例如在烘箱干燥之前通过过滤、重力沉降、絮凝或沉淀将多余水除去。通常形成干燥污泥的块体。然后可能需要减小块体的尺寸。例如，在步骤110中，优选通过干研磨或磨碎，或通过使用研杵和岩钵产生适合于后续加工的细粉末。在大规模生产中，例如，可以通过锤磨机将干固体滤饼磨碎成粉末。例如，在步骤115中，通过筛网分离经磨碎的污泥粉末以除去较大的颗粒。为了进一步加工，优选还将存在于污泥中的粗颗粒，如石料、岩石或金属除去。例如，可以如下进行分离：将污泥粉末机械震动到开孔为150微米或80微米的ASTM标准不锈钢网筛上。将颗粒尺寸小于150微米的污泥进一步加工。
[0073]具有细小颗粒尺寸分布(小于约710微米)的粉末具有有利的特性，因为高的表面积与体积的比例增加小颗粒通过液相向较大颗粒的扩散并且因为粉末在整个聚集体中分布得更好，具有良好的填充密度。
[0074]例如，污泥也可以按其原始湿润形式使用，只要该材料具有适合的水分含量以直接地与SAM混合，从而允许根据图6的步骤125-150进一步加工。可以再一次通过干燥、过滤和/或其它方法除去过量的水含量，以在与添加剂混合之前达到适合的水分含量。在这种情况下，不提供步骤105-120。
[0075]然后在步骤125中，将得自步骤120的经磨碎的污泥粉末与合适的SAM混合，该SAM呈具有细颗粒分布的粉末形式。混合可以是间歇或连续的。如果SAM具有粗颗粒尺寸分布，则可以在添加到具有污泥粉末的混合器中之前例如使用干或湿研磨技术在锤磨机或球磨机中将它预磨碎。可以将任何量的高或低钙SAM分别添加到低或高钙污泥中，以改进高温加工性能。污泥与SAM的优选范围取决于所述污泥是否是高或低钙污泥，根据本发明的一个实施方案，在步骤125中将粘土，如膨润土和高岭土，和/或页岩湿研磨。
[0076]优选地，按混合物的干燥重量计(“BDWM”)，将约5%-约95%高钙污泥与约95%-约5%LCSAM混合。更优选，BDWM，将约30%-约70%高钙污泥与约70%-约30%LCSAM混合。在这一范围中，按干燥重量计，所得的聚集体具有约6%-约15%的钙含量。更优选，BDWM，将约30%-约50%高钙污泥与约70%-约50%LCSAM混合。在这一范围中，按干燥重量计，所得的聚集体具有约6%-约10%的钙含量。已经发现，当聚集体的钙含量为约2%-约10%时，可以更好地控制混合物的行为，使得能够制备具有所需特性的聚集体，当钙含量为约3%-约6%时，可以达到甚至更好的控制。
[0077]优选地，BDWM，将约99%-约70%低钙污泥与约1%-约30%HCSAM混合。更优选，BDWM，将约80%-约90%低钙污泥与约20%-约10%HCSAM混合。这些范围提供钙含量与上述的那些类似的聚集体。
[0078]可以添加塑性粘结剂，如粘土，以提高在造粒过程中各个颗粒与水的物理粘结，这在步骤125中进行了描述。术语“塑性粘结剂”是指具有高塑性指数的粘结剂材料。至少10的塑性指数是优选的。按干燥重量计，所述粘土粘结剂可以占IBA、SAM和粘土粘结剂的混合物的约5%-约20%。所使用的粘结剂的量可以取决于污泥和SAM的类型和特性，如混合物中各个组分的塑性。
[0079]在将粉末完全混合之后，在步骤130中，添加水以形成便于附聚的适合稠度。例如，所述混合物优选具有粘土状混合物。待添加的水的量与混合物中添加剂的量和类型有关。例如，如果污泥与粘土的比例是约80%污泥(“SS”)比20%粘土，则已经发现所需要的水的量是SS/粘土混合物总干燥重量的约25wt%。如果所述比例是60%/40%，则已经发现所需要的水的量是约28wt%。如果所述比例是20%/80%，则已经发现所需要的水的量是约32%。如果以其湿润形式使用污泥，并且SS/SAM和，任选地，粘土的混合物具有允许进一步加工的适合的水分含量，则不需要向这混合物中添加水。
[0080]在步骤135中，将所得的混合物附聚。附聚是颗粒尺寸扩大技术，其中小、细的颗粒，如粉尘或粉末聚集成较大的物质如粒料。优选地，通过造粒将该混合物附聚，其中在没有其它外部压实力下通过滚动将分散在气体或液体中的细颗粒扩大。例如，可以使用造粒转鼓或转盘。如本领域中已知的那样，所得粒料的强度取决于颗粒的性能，介质中水分的量和机械工艺参数，如转鼓的转速和倾斜角。转鼓的使用实例在下面实施例中进行了描述。所得的粒料接近球形或是略微有角的，并且颜色为亮至暗褐色(取决于混合物中的碳和铁含量)。例如，它们的尺寸可以为约3mm-约40mm。如上所讨论，图3是粒料10的实例。可以使用挤出代替造粒。挤出产生块状材料，可以在硬化之后将它压碎成较小的颗粒。或者，可以使用压实来制备圆柱形附聚物，如片剂或其它型材。
[0081]在步骤140中，任选地对附聚的混合物进行表面涂覆然后干燥。所使用的无机材料的量可以是少的。可以用在烧结温度下不会熔融的无机材料涂覆粒料。可以如下涂覆粒料：将所述粉尘撒在它们上面或将所述粒料在粉尘中辊压。涂料的使用取决于污泥和所选添加剂的特性。如果污泥是高钙污泥，则无机材料可能包括得自A组的LCSAM，如呈粉尘形式的花岗岩锯切残渣或炉底灰，例如，也可以使用粘土、经磨碎的页岩和板岩。如果污泥是低钙污泥，则无机材料可以包括得自B组的HCSAM，如水泥窑粉尘、焚烧炉飞灰、焚烧炉过滤器粉尘、石灰石、石膏和经磨碎的粒状高炉矿渣。
[0082]例如，用不粘性材料的薄层覆盖粒料表面使得在粒料表面上形成皮层，该皮层减小粒料的簇合，提高粒料强度并在聚集体上产生薄密实的外皮，如图4所示。如果将粘土粘结剂添加到该混合物中，不需要涂覆粒料表面来提高粒料完整性或形成涂层，因为粘土形成改进的内部粘结。然而，涂覆是个选项。例如，干燥可以在烘箱中在约110℃下进行。优选提供干燥，因为在窑炉中高温加工湿粒料可能由于快速的温度改变导致粒料开裂和分解。
[0083]在步骤145中，将涂覆和干燥的粒料高温加工。例如，在约1000℃-约1350℃的温度下进行高温加工，这取决于混合物的组成和聚集体的所需性能，如下面更详细论述那样。高温加工可以烧结，其在小于最大致密化温度的温度下进行，或玻璃化，其在最大致密化温度处和之上进行。高温加工优选在回转窑中进行。通过形成颗粒间的粘结，烧结使得原先松散粘结的颗粒的强度和密度增加。玻璃化在最大致密化温度下导致增加的强度。然而，因为玻璃化在更高的温度下进行，所以如上所讨论，密度和强度由于玻璃质无定形基体的膨胀而降低。
[0084]在步骤150中，可以在水中将高温加工的聚集体淬火。淬火冷却粒料，从而终止熔融。如果经淬火，所得的聚集体20将具有比当空气冷却时更无定形的基体24，它允许再结晶。本领域中已知的是，淬火改进高温加工的聚集体的硬度、柔韧性和耐磨性。例如，水可以在室温下(约30℃)。
[0085]在高温加工和淬火之后，如果规定，在步骤155中可以将粒料压碎和分级到所需的聚集体尺寸。优选地，粗聚集体为约4.75-约19mm。例如，更小的聚集体也可以用作混凝土中的细聚集体。
[0086]由于粒料在高温加工期间的收缩，例如，如果粒料的尺寸为约3mm-约40mm，则高温加工的聚集体的尺寸可以为约2mm-约30mm。经分级的聚集体的合适的尺寸范围可以为约4mm-约8mm，这可以用于过滤应用，和约12mm-约19mm，这可以用于混凝土。例如，更小的聚集体(低至约2mm)也可以用作混凝土中的细小聚集体。
[0087]应该相信，由于根据本发明实施方案的高温加工，聚集体在常规环境条件下对大多数物质是化学惰性的。
[0088]图7是根据本发明实施方案的由包含80%/20%SS/膨润土的混合物在990℃下经高温加工制备的许多烧结聚集体的实例。
[0089]图8根据本发明一个实施方案的制造聚集体的方法200的实例，其中在具有粗颗粒分布的特定SAM与污泥混合之前将该SAM湿研磨。在本发明中使用的具有此类分布的添加剂包括IBA、FBA和废玻璃。
[0090]在步骤205中，将IBA添加到球磨机的筒体中并在步骤210中与水一起研磨。研磨用来将IBA的颗粒尺寸分布降到细小的分布，以改进高温加工。具有细小颗粒尺寸分布的粉末具有有利的特性，因为高的表面积与体积的比例增加小颗粒通过液相向较大颗粒的扩散并且因为粉末在整个聚集体中分布得更好，具有良好的填充密度。例如，所得的颗粒优选具有约45微米且更少的平均颗粒尺寸。湿研磨是优选的，因为它已经发现提供更均匀的颗粒尺寸分布。另外，在湿研磨过程中使用的液体倾向于打碎附聚物并降低粉末颗粒的熔接。或者，例如，可以在锤磨机中干研磨IBA。虽然将根据IBA的使用描述图8的方法200，但是应该理解的是如果使用FBA或废玻璃，也优选将它们研磨。
[0091]例如，可以在密闭的圆筒形容器中将IBA湿研磨，其中在液体介质如水或醇中的球形研磨介质如湿研磨球将施加足够的力以使悬浮在介质中的颗粒破裂。可以通过滚动、振动、行星旋转和/或搅拌使湿式球磨机产生运动。控制粉末颗粒尺寸分布的最重要的变量是研磨速度(rpm)、研磨时间、研磨介质的量、原材料的初始颗粒尺寸和所需的产物尺寸。对于有效的结果，研磨机应该被研磨介质至少填充一半。例如，研磨介质可以是高密度铝球，其总重量为固体的约四倍。为了最佳研磨，推荐使用小研磨介质。当使用铝或钢球时，优选的尺寸为1/2-5/8英寸。优选提供是固体约两倍的液体。例如，可以进行研磨约8小时。
[0092]例如，在步骤215中，通过筛网分离经湿研磨的IBA以除去较大的颗粒。如果颗粒太大，它们将不形成匀质的粒料。分离可以按多个步骤进行。例如，可以在开孔为355微米或150微米的ASTM标准不锈钢网筛上将IBA机械地震动。将颗粒尺寸小于150微米的IBA进一步加工。大于150微米的部分可以分离成不同类型材料，它们可以再次用作SAM添加剂，废玻璃。
[0093]在步骤225中将得自步骤220的较细部分的所得研磨浆料脱水。优选，除去所有游离水。除去的水称为排出物，它可以用于步骤265，如下面进一步讨论的那样。例如，可以在压滤机或其它过滤设备中除去水。脱水导致在步骤230中形成固体湿滤饼残留物。
[0094]在步骤235中，将滤饼干燥和磨碎。这一步骤将滤饼转化成粉末。例如，可以在烘箱中在110℃下干燥该滤饼。例如，可以通过岩钵和研杵磨碎该粉末。在大规模生产中，例如，可以在桨式搅拌机或干锤磨机中将干固体滤饼研磨，以致可以同时地将经干研磨的IBA固体滤饼研磨成粉末和使其与也呈粉末形式的原始添加剂均匀地混合。
[0095]在混合经研磨的IBA与污泥之前，在步骤240中将该污泥干燥。例如，可以在烘箱中在110℃下将污泥干燥24小时。在步骤245中，将所产生的固体滤饼磨碎成粉末。例如，可以通过干研磨或磨碎，或通过使用研杵和岩钵产生粉末。在步骤250中，让污泥粉末穿过150微米或80微米筛网以除去粗颗粒。在步骤260中，将步骤255的小于150微米部分完全地与经研磨的IBA粉末混合。在步骤265中，在将湿粘土状混合物造粒之前将水添加到该混合物中。水可以由上面讨论的脱水步骤225产生的排出物的一些或全部。步骤265-285对应于图6中的步骤130-155。或者，污泥可以以其湿形式与IBA混合。然而，需要合适的水分含量以避免为了混合物的造粒进一步添加水。在这种情况下，步骤240-255不是优选的。
[0096]当在球磨机中将污泥与IBA一起湿研磨时，可以使用可选的加工以产生浆料。然后通过一系列筛网将经研磨的浆料筛分并在过滤设备中脱水以形成粘土状固体滤饼。然后在110℃下干燥该固体滤饼并磨碎成细粉末，在水的存在下将该细粉末进一步造粒并高温加工以形成聚集体。由湿研磨该两种材料形成的经研磨的浆料也可以脱水到需要的水分含量以允许该混合物的直接造粒。在进入窑炉中的高温加工阶段之前将形成的粒料在约110℃下干燥。