摘 要

近些年来，随着城镇化水平的不断提高和人民生活水平的不断提高，城市垃圾的产量迅速增加，随着城市污水处理量及处理深度的增加，城市污泥产生量也急剧增加。城市污泥由于成分复杂，危害较大，所以城市污泥如何安全、有效的处理处置成为当前的一个研究重点。本研究采用污水厂污泥、废弃玻璃粉为原料，通过不同的实验方法确定了污泥轻质陶粒的最佳原料配比和烧结条件范围，并对不同原料配比和不同烧结条件对陶粒性能的影响进行了分析，最后结合正交试验方法进一步确定最优的污泥轻质陶粒制备工艺。并对其性能进行测定，研究污泥轻质陶粒作为混凝土轻集料的可行性。通过实验研究得到以下结论：

通过单因素实验研究不同原料配比对污泥陶粒性能影响，确定最佳原料配比为污泥：玻璃粉=90%：10%。在最佳原料配比和烧结条件范围内，以吸水率、表观密度、单颗粒强度为检测指标，通过正交试验筛选出最佳工艺条件为：烧制温度为1190℃，烧制时间为10min。在此条件下，污泥轻质陶粒的吸水率为0.34%，表观密度为0.74g/cm³，单颗粒强度为5.75MPa。通过对不同温度下污泥轻质陶粒的微观结构和进行分析发现，在最佳制备条件下制备出的污泥轻质陶粒内部孔隙结构较多，存在大量的气泡。通过对污泥陶粒烧制过程机理进行探讨表明:适量的反应产生的气体及适量的玻璃粉是污泥陶粒烧胀的主要因素，烧结温度及保温时间是污泥陶粒膨胀的必要条件；污泥陶粒体积膨胀度主要与玻璃粉含量、烧结温度及保温时间有关。

关键词：城市污泥；玻璃粉；轻质陶粒；烧成制度；物理性能

Abstract

In recent years, with the continuous improvement of urbanization level and people's living standard, the output of urban garbage increases rapidly. With the increase of urban sewage treatment capacity and treatment depth, the output of urban sludge also increases sharply. Because of the complex composition and great harm of municipal sludge, how to dispose it safely and effectively has become a research focus at present. This research adopts the sewage sludge, waste glass powder as raw material, through different experimental methods to determine the sludge of lightweight ceramsite range of optimum raw material proportioning and sintering conditions, and the ratio of different materials and different sintering conditions on the analysis of the effect the performance of the haydite finally, further combined with orthogonal test method to determine the optimal sludge of lightweight ceramsite preparation process. The feasibility of using sludge as lightweight aggregate of concrete was studied. The following conclusions are obtained from the experimental research:Single factor experiment was conducted to study the influence of different raw material ratio on the performance of sludge ceramsite, and the optimal raw material ratio was determined to be sludge: glass powder =90% : 10%. In the range of the optimum raw material proportioning and sintering conditions on water absorption, apparent density and intensity of single particles as testing indexes, selected through orthogonal test the best process conditions for: fire temperature is 1190 ℃, the firing time for 10 min. Under these conditions, the water absorption rate of sludge light ceramsite was 0.34%, the apparent density was 0.74g/cm3, and the single particle strength was 5.75MPa. By analyzing the microstructure of sludge light ceramsite at different temperatures, it was found that there were many internal pore structures and a lot of bubbles in the sludge light ceramsite prepared under the optimal preparation conditions. The results show that the proper amount of reaction gas and glass powder are the main factors of the bulking of the sludge ceramsite, and the sintering temperature and holding time are the necessary conditions of the bulking of the sludge ceramsite. The volume expansion of sludge ceramsite is mainly related to the content of glass powder, sintering temperature and holding time.

Key Words：Urban sludge; glass powder; light ceramsite; firing system; physical properties

目录

第1章 绪论 2

1.1 引言 2

1.2 背景及研究意义 2

1.2.1 城市污泥的成分及危害 2

1.2.3 城市污泥的处理原则 3

1.2.4 城市污泥的处理 3

1.2.5 轻质陶粒的分析与制备 4

1.3 研究现状 5

1.4 本文主要研究内容 6

第2章 陶粒的制备与测试 8

2.1 实验原理与试样制备 8

2.1.1原材料 8

2.1.2实验设备。 9

2.2 陶粒制备过程及测试方法 9

2.2.1陶粒制备 9

2.2.2性能测试 12

第3章 陶粒物理性能研究 14

3.1 吸水率的变化 14

3.2 表观密度的变化 16

3.3 单颗粒强度的变化 18

3.4 物理性能变化分析 20

第4章 陶粒形貌结构与物象组成的研究 21

4.1 表面形貌分析 21

4.2 玻璃粉掺量对陶粒孔结构的影响 22

4.3 烧成温度对陶粒孔结构的影响 23

4.4陶粒物象组成的研究 24

4.5 小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 引言

随着近些年国内城市化水平的不断提高，城镇居民不断增多，居民生活垃圾也随之快速增长，城市污泥也随之飙升，城市污泥的处理刻不容缓。城市污泥的处理由于当前垃圾处理方式的限制并不受到重视，其处理仍采取机械脱水之后进行填埋的方式，这种处理方式并不妥当，并且造成了资源的浪费，留下了安全隐患，因此采取新的城市污泥处置方式处理城市污泥受到了越来越多科研人员的关注。

轻质陶粒是陶瓷质颗粒，由于其内部存在细微孔洞，因此其密度较小，具备了质轻的特性。同时其具有密度小、强度高、吸水率大、保温、隔热、耐火、抗火等特点，被大范围应用。在建材领域，轻质陶粒是作为一种轻集料代替混凝土中掺加的粗骨料碎石和卵石。由于对不同种轻质陶粒和其性能的研究的不断深入，在生产中逐渐扩大了轻质陶粒的应用领域，主要有环保、冶金、化工、农业等行业，同时也促进了轻质陶粒的快速发展。

对城市污泥的研究发现，城市污泥可以用于陶粒的制备当中，随着这方面研究的不断深入，取得了一定的进展。对城市污泥的利用可以减少废弃物的排放，避免了资源的浪费，符合国家节能减排的要求，并变废为宝为垃圾创造了新的价值。

1.2 背景及研究意义

1.2.1 城市污泥的成分及危害

城市污泥是城市污水处理厂在处理污水的过程中产生的伴生产物。一直以来，水体污染都是一个非常严重的污染问题，我国一直以来十分注重水体污染的预防、治理及污水的净化。近些年无论是污水处理厂的数量，还是污水处理率以及污水处理深度都在不断地提高，而这也导致了我国城市污泥的产量不断提高，统计数据表明，近年来，我国污泥产量不断增加，2009年为2005万吨，2017年已达4300万吨，预计2020年将达到6000万吨以上^[1]。然而，在过去较长时间我国对于污水处理方面都存在着“重水轻泥”的情况^[2]，即对于污泥的处置问题关注度不够，相应的污泥处置手段也较为落后，这也使得产量巨大的城市污泥的安全处置问题成为了值得关注的问题。

城市污泥的组成十分复杂，其含水率高、体积大，同时污泥内还含有大量的有机组分和无机组分，这使得污泥容易发生腐败、产生恶臭，同时这也导致了污泥中寄生着多种细菌、寄生虫、病原体等^[3]，严重影响环境以及卫生情况。此外污泥中还可能含有多种重金属、二噁英等物质^[4]，若处置不当，则会对土地、空气、水资源等产生严重污染，并最终影响到人自身的生命健康安全^[5]。城市污泥的危害主要可以概括为以下几点：1、污泥的含水量高，这就造成了污泥的体积、体积密度较大，占用大体积的空间；2、城市污泥中含有大量的各种有机物，这些有机物在长时间的堆积和在微生物的腐化之下会产生臭气，污染空气，降低城市的美化程度；3、污泥中还含有大量的重金属，重金属元素性质较为稳定、难以降解，这限制了污泥用于农业，并且重金属容易随着食物链富集浓缩^【6】，有这较大的安全隐患；4、由于城市污泥来源复杂，并且随着城市污泥的长时间堆放，微生物会大量繁殖，城市污泥中就可能会存在大量的致病菌，寄生虫卵等病原体，一旦发生危险，会导致人体患病。正是由于以上多种风险的存在，城市污泥虽然属于固体废弃物，但是依照国家相关要求，也要将其按照危险废物的管理要求来进行管理和处置^【7】。

1.2.3 城市污泥的处理原则

1、减量。由于城市污泥中存在大量的水分，并且由于各种原因体积较大，因此减小城市污泥的体积成为了一项目标，减少城市污泥的体积可以更方便的对污泥进行转移、应用等；

2、无害。城市污泥中的重金属、有机物、病原体等对环境、人体都有一定程度的危害，因此对城市污泥的处理要做到无害化，将城市污泥的危害降到最低甚至消除；

3、可利用。随着经济的发展，资源短缺现象频发，这要求我们要想法设法的将各种资源利用起来。城市污泥的利用可以使城市污泥变废为宝，提高城市污泥的经济价值，同时能够节省自然资源。

1.2.4 城市污泥的处理

城市污泥大多采取陆地填埋、焚烧和海洋倾倒等方法，但是随着科学技术水平的发展，近年来产生了利用城市污泥制取生物柴油、制造吸附剂、制备建材、制造混凝剂^【8】等新型处置方式。

传统方式由于处理方式的原因都存在一定的污染和浪费问题。以陆地填埋为例，陆地填埋需要在城市周边兴建垃圾填埋场，这需要占取一片土地，而且由于城市规模的扩大和城市人口的增多，垃圾填埋场的数量也会随之上升，造成垃圾围城的现象^【9】，并且由于城市污泥填埋只是对城市污泥进行了简单的机械处理，城市污泥中的重金属、病原体等仍未被消除和处理，城市污泥仍然存在二次污染的可能。

由于技术水平的上升和对城市污泥研究的加深，发现城市污泥的成分与黏土较为类似，因此城市污泥用于建筑材料成为一个热点，在此基础上先后发展出了污泥制水泥、污泥制砖、污泥制生化纤维板、污泥制陶粒等技术^【10】，随后污泥的应用从建筑领域扩展到了其他领域。

我国城市污泥的处理与国际各国处理方式的发展路线基本类似。在早起我国垃圾处理厂的建设存在普遍的“重水轻泥”问题，导致了我国的城市污泥的处理处置仍采用机械脱水后外运堆存或简易填埋的处理方式，这种处理方式不仅会占用大量的土地资源，同时对土壤、地下水和环境空气也可能会造成严重的二次污染。随着国际上城市污泥处理方式研究的兴起，我国也参与到其中。但是由于起步较晚，各项政策法规仍不完善，技术规范也未完成统一，国内目前存在一些试点^【11】，取得了不错的环境效益和经济效益。

1.2.5 轻质陶粒的分析与制备

轻集料分为两种，天然轻集料和人造轻集料。天然轻集料是主要是由浮石、火山渣、煤矸石等不经二次合成或加工，直接机械破碎、筛分形成。人造轻集料主要有陶粒、煤渣等，部分人造轻集料是通过高温烧制而成。

陶粒是人造轻集料的一种，其具备合成原料多的特点。轻质陶粒就是陶瓷质颗粒，由于其内部存在细微孔洞，因此其具备了质轻的特性，所以陶粒也可称为轻质陶粒。轻质陶粒其主要成分是SiO₂和Al₂O₃两种，粒径一般为5~20nm，外观多为圆形或椭圆形，颜色会因材料和工艺的不同而不同，多为暗红色。轻质陶粒作为一种轻集料，具有密度小、强度高、吸水率大、保温、隔热、耐火、抗火等特点^【12】。

轻质陶粒用途广泛。轻质陶粒最初被应用于建材领域，是作为一种轻集料代替混凝土中掺加的粗骨料碎石和卵石。由于对不同种轻质陶粒和其性能的研究的不断深入，在生产中逐渐扩大了轻质陶粒的应用领域，主要有环保、冶金、化工、农业等行业^【13】，同时也促进了轻质陶粒的快速发展。

早期的轻质陶粒制备原料主要是粘土、页岩等，用量分别能达到 50%、30%以上^【14】。但是粘土、页岩资源的大量开采使用导致了耕地减少和环境破坏，这并不符合我国的“可持续发展”的基本国策，并且我国的部分地区已经明令禁止开山采石、挖河取砂等行为。目前轻质陶粒原料逐渐向固体废弃物如污泥、河道底泥、石粉、粉煤灰等方向发展，利用固体废弃物制备轻质陶粒不仅可以解决废弃物的处置问题，还可以将使得生产成本降低，因此利用污泥制备陶粒成为当前的研究热点。

1.3 研究现状

污泥陶粒的开发研究始于上个世纪八九十年代，科研人员的研究内容涵盖了污泥陶粒的烧胀机理、配比实验、烧成制度、产品性能等。在之后的研究基本上形成了掺加污泥烧制陶粒的基础理论体系，得出以下结论：1、污泥的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃等氧化物和有机物^【15】，其中的SiO₂、Al₂O₃与基料共同烧结形成结构骨架提供强度，有机物在烧成过程中分解产生气体，促进陶粒膨胀，有利于降低陶粒密度^【16】。2、陶粒的焙烧温度一般1200℃左右，污泥中的有机质全部分解，病原菌、寄生虫等被高温杀死，有害的重金属在高温下固熔于陶粒中^【17】，污泥的处置彻底，对环境无害，也不会影响陶粒产品的使用性能。

近些年来，有关利用城市污泥生产优质陶粒的研究已经交多，一方面是为了对污泥进行处置，另一方面是为了节约黏土、页岩等材料的用量。由于只使用污泥本身作为原材料，制备得到的陶粒性能往往较差，因此，再利用污泥陶粒制备陶粒时，往往需要选择另一种固体废弃物与污泥混合，从而得到优质陶粒。污泥的化学组成与黏土类物质相似，其中含有的大量有机物可以起到造孔作用，而不再需要多余的发泡剂，也即可以满足制备得到优质陶粒的基本要求^【18】。同时，利用污泥制备得到的陶粒会随着原材料组分和生产工艺的变化而得到性质与用途均不同的陶粒，应用范围十分广泛，因此，污泥制备陶粒不仅有利与解决环保问题，同时还具有一定的经济效益。

1998年，美国的Nakouzi^[19]最早提出了利用污泥作为原料制备陶粒来代替卫生填埋这一处置污泥的方式，并利用涂料污泥加入到制备陶粒的原材料当中。Merino^[20]等通过研究发现仅利用污泥进行陶粒制备取得的产品效果不佳，而当向原料中加入其他物质如黏土时，这些物质可以显著改善陶粒的各项性能。Mun^[21]等研究发现，利用黏土与脱水污泥直接进行混合造粒时，得到的陶粒产品具有很好的吸水率、较低的表观密度但是陶粒的强度也较低。Xu^[22]等研究了污泥陶粒中的原材料溶剂类氧化物如氧化铁、氧化钙、氧化镁等与二氧化硅及氧化铝总含量的比值对陶粒物理性能的影响，确定了F/SA与污泥陶粒性能之间的关系，为后续污泥陶粒的研究起到了明确的指导作用。

国内对于利用污泥作为原材料制备陶粒的相关研究开始较晚，许国仁^[23]等以黏土为主要原料制备陶粒，在黏土原料中掺入污泥以探究污泥掺量对黏土陶粒各项物理性能的影响，并分别研究了黏土与污泥在黏土-污泥陶粒的烧成过程中所起到的作用，最终得出结论证实了污泥作为原材料用于陶粒制备的可行性。罗晖^[24]等以页岩为主要原料，在页岩中掺入污泥以探究污泥掺量对页岩陶粒各项物理性能的影响。刘亚东等^【24】采用污泥、粉煤灰和粘土为主要原料烧制轻质陶粒，研究表明，当污泥：粉煤灰：粘土比例为 50%:20%:30%时，陶粒的综合性能最优。同时，适宜的烧结温度及保温时间有利于增加陶粒的强度及其表面粗糙度。符勇等^【25】采用三种固体废弃物进行陶粒的制备研究，结果表明采用赤泥、铝土尾矿、污泥烧制的陶粒主要性能指标符合国家要求，且铝土尾矿对陶粒的筒压强度影响较大，掺加量与筒压强度成正比，污泥有利于陶粒孔隙结构的生成，使得陶粒的颗粒密度减小。徐振华等^【26】采用污泥、底泥、粉煤灰为原料运用正交验进行陶粒的烧结研究，结果表明污泥的添加量增加，能够提高陶粒的比表面积，但添加量超过 45%时，陶粒的抗压强度会有所下降。同时，若原料含水率较高会使得陶粒结构松散，影响陶粒的物理性能。魏娜等^【27】采用污泥、垃圾焚烧灰与黏土为原料进行陶粒的制备，研究发现陶粒的筒压强度与烧结温度成正比关系，吸水率随着烧结温度增加而降低。对陶粒原料及成品陶粒进行重金属浸出浓度测定，检测结果表明有害物质浸出率低，均低于国家标准。

1.4 本文主要研究内容

本文将以污泥、玻璃粉为主要原料进行制备轻质陶粒的制备，研究成分配比以及烧成制度对轻质陶粒的影响，测定不同配比的轻质陶粒在不同烧制制度下产品的各项物理性能，并对其显微结构进行观测，探究原料组分及烧成制度对污泥—玻璃粉陶粒性能的影响。本文主要研究内容如下：

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