免烧污泥陶粒

王嘉雯 ，杨鼎宜 ，2，郑吉 ，张弛 ，许晴莹 ，金雪

（1.扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.扬州大学 绿色建筑材料研究所，江苏 扬州 225127）

1 研究背景

1.1 概况

为了保护坏境和提高资源利用率，20世纪50年代，我国开始了对轻骨料混凝土的研究，并在90年代进入了陶粒轻骨料混凝土的新时代。工业废弃物中的粉煤灰陶粒、粘土陶粒和膨胀矿渣珠都具有降低成本和提高资源利用率的作用。将这些轻质骨料掺入透水混凝土中，可减少透水混凝土的重量和成本，对原料使用和生态平衡的维护有很大影响。

与粉煤灰陶粒和粘土陶粒相比，污泥陶粒的研究在东西方各国开始的时间较晚。污泥存在于生活、工业等各个方面，含有大量重金属、病原体、有毒有机物和过量营养物质，逐渐成为污染水质和生态环境的重要因素。因此，将污泥作为烧制陶粒的原材料，既可以实现无害化处理污泥的目的，同时能获得很大的经济效益。

1.2 国外研究现状

在20世纪90年代，日本和西方的一些国家，相关科学研究人员对污泥中陶瓷颗粒的生产进行了探索。日本研究人员使用燃烧后的污泥粉作为主要原料，并根据所需的热值将其与干燥污泥粉末或粉煤灰等易燃粉末混合，再加水造粒，最后通过链条烧结机烧制成轻质骨料。这样制造出的轻质骨料的烧结温度为1 000~1 100℃，烧结时间为25~30 min，其缸体抗压强度为3~4 MPa，吸水率在16~18%范围内。在美国，NakouziS等人经过一系列研究，将污泥回收或再利用，制成陶瓷的制陶成分的方法，取代了先前填埋垃圾的方法，取得了一定的经济效益和坏境效益。

1.3 国内研究现状

中国从20世纪50年代开始研究陶粒。1966年，天津一家硅酸盐制品厂建成了我国第一座工业化陶粒生产线，并使用烧结机进行粉煤灰陶粒的大规模生产。20世纪80年代，中国开始重点研制回转窑陶粒，但黏土和页岩仍是主要原料，不符合可持续发展的要求。

20世纪90年代，中国研究人员对污泥制轻质陶瓷进行了广泛的探索，取得了许多成果。广州华轻量陶瓷制品厂采用市政污泥代替河流淤泥或部分粘土烧轻量陶瓷，成果已应用于实际生产。1995年，迟长江等人以污泥为主要原料，用少量固体燃料混合粘土，成功开发了污泥陶粒。1999年，同济大学的王中平利用上海苏州河开发并试制了700级和800级普通陶粒，使污泥变成了宝藏，改善了环境污染状况。

2000年，昆明理工大学的黄德智等人研制出一种新型的轻质陶粒，是将脱水的污泥作为主要原材料，外加其它工业固体废物和外加剂，通过控制脱碳、烧结等工艺制造而成。2005年，朱斌和王海亮等从闵行水厂抽取脱水污泥，并添加了辅料，经过精炼、造粒、干燥、烧结等一系列程序，生产出了坚硬而稳定的陶粒，其堆积密度等级范围，普通轻骨料筒压强度和颗粒级配符合GB/T17431.1-1998中关于陶粒产品性能的要求。

2002年，广州华穗轻量陶粒制品厂利用广州东江泥浆，采用窗内造粒法成功生产超轻陶粒。2007年，台州成功建成年产5万 m3的陶粒生产线，日处理污泥能力 170 t，1 厚泥浆（干）120 t。

2 免烧污泥陶粒的特性

（1）具有很高的强度。通过改变胶结料、废渣混合物的量，合理配方和养护等方法，可以获得陶粒所需的强度。

（2）拥有良好的耐久性能，其强度在后期及长期的不断增长是它最为突出的优点。成型后，传统烧制的陶粒强度不再生长，并会随着时间的推移而降低；相反，免烧陶粒在养护达到规定强度后，内部水化反应继续进行，强度继续增加。由于需要多年才能完成全部的水化反应，在出厂后的2～3 y内，其强度都能够不断增长。因此，免烧陶粒富有极好的耐久性能，经历的时间愈长，强度也就愈高。

（3）较高的吸水率、堆积密度以及软化系数都是免烧污泥陶粒的特性，同时它耐酸碱腐蚀，即使在恶劣环境下也可以使用。

3 陶粒的制备原理及方法

3.1 粉煤灰免烧陶粒

（1）已有的几种不同添加剂

陶粒的制备分为烧结法和免烧法。其中免烧结法制备投资少，工艺更为简单，且节能环保，符合科学发展观的理念，因此更受科研工作者青睐。

邹志祥、张瑜等人通过采取正交实验的方法,加以单因素分析,对激发剂、外加剂以及水固比等不同因素和工艺条件对免烧陶粒力学性能的影响做出探究。

刘子述、黄旭等人利用污泥作为外加剂刺激粉煤灰的潜在活性来制备免烧陶粒，把强度、密度、比表面积和其它性质作为评判标准，通过实验确定组成成分、最佳添加量和所需温度条件，得到了一种适合污水处理的粉煤灰免烧陶粒。

朱万旭、酆磊等人则把粉煤灰、P·O42.5级水泥及其他添加剂作为粉料，加入膨胀珍珠岩，通过特定的工艺条件，成功研制出一种新型免烧粉煤灰陶粒。

粉煤灰免烧陶粒存在堆积密度较高、应用率低的问题，为了解决这些缺陷，邱珊、黄旭等人通过对刺激粉煤灰活性的原理、添加材料的作用以及陶粒构成成分分别做出研究，并选取秸秆灰为添加剂在一定条件下制备得到具有优良污水处理功能的粉煤灰免烧陶粒。

（2）免烧粉煤灰陶粒制备中不同添加剂的特点

粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，其主要氧化物成分为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。粉煤灰自身基本没有水硬胶凝性能，但以粉末状态接触到水时，会在一定温度下与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物产生化学反应，生成一种具备水硬胶凝性能的化合物，从而提升陶粒强度和耐久性。粉煤灰颗粒比表面积大，吸附能力强，且珠壁结构孔隙较多，因此有很强的吸水性。科研工作者们通常通过添加合适的外加剂来使粉煤灰内具有潜在活性的氢氧化物在碱性环境中产生水化反应，获得水硬胶凝性能，进而增加陶粒的强度。因此以氧化钙为激发剂,二水石膏为外加剂,通过精细研磨和蒸汽养护，可以有效改善陶粒的强度，制备出高粉煤灰掺量的免烧陶粒。

水泥是粉末状的水硬性无机胶凝材料，且水泥的高碱度为粉煤灰的活化提供了良好的碱性环境，这种碱性环境使粉煤灰的玻璃体表面变粗糙，提高了粉煤灰的活性，使得陶粒的硬化加速，强度提升。同时，水泥自身的水硬性也促进了体系水化反应的进行，硅酸盐水泥4种熟料矿物水化和凝结硬化形成胶体，晶体作为主要的骨架承力，胶体起胶结作用，二者相互交错成网状，使陶粒强度增加。

由于秸秆灰有大量的孔隙结构，尤其是大量由凝胶粒子非紧密粘聚而形成的纳米尺度孔隙的存在，使制得的陶粒比表面积显著增加，增强了陶粒的吸附性，有助于污水处理。其含有大量非晶态SiO2，可对混凝土材料起到增强改性的作用。

3.2 污泥陶粒

为了探索污泥制备陶粒的新方法，翁焕新、章金骏等人通过分析和测量污泥化学成分、矿物成分、粒度分布和热重变化等物理和化学特性，将污泥的无机成分与可用于陶粒烧制的化学成分进行比较，在此基础上进行了干化后污泥烧制陶粒的过程实验。研究结果表明，污泥中各氧化物的质量分数基本在可烧成陶粒的化学组成允许限值内或接近下限值，污泥具有烧结成陶粒的基本条件。污泥陶粒的孔隙率与陶粒的化学组成、原料的物理性质和烧制工艺有关。在陶粒孔隙结构中，随着污泥干重比的增加，陶粒总孔隙率减小，平均孔径增加，串联孔隙比增加，陶粒比表面积减小，气孔频率减小，而随着烧成温度的升高，陶粒的总孔数、平均孔径和串孔数量均无明显变化规律。烧结温度对污泥陶粒的抗压强度和表观密度则影响较大，污泥陶粒的抗压强度和表观密度呈正相关，而污泥陶粒的吸水率和烧制温度呈负相关。

为了减少城市水处理污泥资源化利用产生的污染，现在污泥陶粒的制备多采用污泥为主料，粉煤灰、粘土为辅料的制备。粉煤灰对污泥脱水性能的改善作用显著，其原理是粉煤灰具有较大的比表面积，颗粒结构疏松多孔，均匀分散于污泥絮体结构中且分散性好、机械强度高。它为污泥提供了疏松多孔的骨架支撑，使污泥具有较高的抗压缩性，同时具有大量的孔隙作为排水通道，污泥的渗透性大大提高。

4 存在的问题

（1）污泥中的可利用污泥含量少且不稳定。大量数据表明，生活用水排出的污泥中的水分含量很高，虽采取措施降低含水量，但仍达不到污泥陶粒制备的具体要求。

（2）污泥中有害物质含量较高，包括病原体、重金属等影响人体健康的物质。如果污泥处理过程不够完善，将会对环境产生很大影响。

（3）生产装备不够先进，无法大幅提高污泥陶粒混凝土的生产效率。在中国陶粒混凝土发展50年的过程中，装备技术取得了一些进展，主要体现在窑炉的研发和制造上。但总体而言，工业设备水平不高，且大部分陶粒混凝土生产企业设备粗放，性能质量不高，无法进行流水线作业，增加了生产成本。除窑炉、冷却器和造粒机外，生产所需的其它大部分设备都从砖和水泥工业中借用。这种简单的借用导致设备的性能参数与陶粒生产过程不匹配，且陶粒需要先进行高温烘烤，使陶粒的能耗和成本增加。

5 结语

通过对陶粒各种制备方法的研究与探讨，可更加深入地了解免烧污泥陶粒与建材的契合程度及对建材的影响。通过对污泥陶粒添加外加剂等方法，从而改善污泥陶粒的性能，扩大陶粒的适用范围。目前制得的陶粒，在耗能方面仍有缺陷。免烧污泥陶粒相对于免烧粉煤灰陶粒来说更加绿色环保，但是对污泥的利用也不完全，易造成大量浪费。

污泥陶粒可以应用在建筑材料中。杨飞等人成功研制出的污泥陶粒绿色自保温混凝土，不仅解决了城市污水处理厂的污泥处置问题，变废为宝，还能更好地利用陶粒混凝土的自保温性能，有效解决建筑结构体系的热性能问题，使其墙材系统的热工指标满足建筑节能的65%的标准，更好地保护环境、节约资源。