污泥陶粒及其砌块的生产中试;无机非金属材料工程

无机非金属材料工程李亚辉089024369指导教师：樊传刚安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共2页第1页陶粒由于具有容重轻、相对强度高、保温隔热性能好、抗冻性能好等优秀的性能，在建筑材料、耐火材料、保温材料和过滤材料等方面得到了广泛的应用。本论文以污泥、粉煤灰和粘土为原料，按干污泥：粉煤灰：粘土=50：40：10的比例进行配合，经过造粒、干燥、烧制的中试过程得到了污泥陶粒产品。通过对不同烧结温度下获得陶粒性能的系统分析，发现污泥陶粒在1100°C烧结时的性能最好，其筒压强度达到5.7MPa、堆积密度为796kg/m3。另外本文还以污泥陶粒、水泥、石子、石粉等为原料，按一定比例配合后制备了陶粒混凝土和砌块等中试产品，中试结果表明：水泥（11wt%）、石粉（69wt%）、污泥陶粒（20wt%）配料所制成的砌块性能最好，传热系数0.62W/(m2·K)、抗压强度5.2MPa、容重796kg/m3，力学性能和热学性能都超过了同级别的加气混凝土砌块。关键词：污泥；陶粒；陶粒砌块；中试污泥陶粒及其砌块的生产中试摘要Pilotplanttestproducingofsludgeceramisiteanditsbuildingblock安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共2页第2页AbstractKeramzitehaswidelyapplicationsasbuildingmaterials,refractorymaterials,heatinsulationmaterials,andfiltrationmaterialsduetoitslightweight,highstrength,insulationperformanceassoonasthefreezingproofbehaviorofit.ThispaperintroducedthePilotplanttestproducingofsludgekeramzitewiththebatchingratioofgreenkeramzitebeing50wt%:40wt%:10wt%forthedrysludge:ash:clay,andthesludgekeramzitewerepreparedafterthegranulation,thedrying,andfiringprocesses.Fortheresultingkeramzitefiredatdifferenttemperature,thesamplesinteredat1100oChadthedesirableproperties,forinstanceithadthecylindercompressivestrengthof5.7MPaandstackingdensityof796kg·m-3.Inaddition,thispaperalsointroducedthepilotplanttestproducingoflightaggregateconcreteblockusingthesludgekeramzite,cement,carpolite,stonepowderasrawmaterials.Theresultsofpilotplanttestproducingshowedthattheaspreparedconcreteblockhadthedesirablepropertiesmorethanthegasaddingconcreteblockatsameweightlevel.Thisblockhadthebatchingratioofcementbeingstonepowder:sludgekeramzite=11:69:20,anditsheattransfercoefficientbeing0.62W/(m2·K),itscompressivestrengthbeing5.2MPaassoonasitsunitweightbeing796kg/m3.sludge;keramzite;keramziteblock;pilotplanttestKeywords:安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共38页第1页引言随着我国社会经济的快速发展和城市人口的日益增加，城市污水厂的数量和处理水量也在日益增多，污水处理过程中所产生的大量剩余污泥的处置问题也就尤显突出，成为迫切需要解决的环保问题。污水中不仅含有丰富的有机物及氮、磷等营养元素，同时还含有重金属、病原菌和寄生虫等有害物质，如果不加处理的任意排放，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对资源的极大浪费。目前污泥的处置办法有：焚烧处理、填埋处理、制作肥料、制造陶粒。但是在这些处置方法中焚烧会浪费更多的燃料，填埋则容易污染地下水。制造污泥陶粒是将污泥合理利用的方式之一，当污泥作为主要原料制成陶粒以后，可使陶粒拥有良好的性能。完全可以用污泥陶粒代替建筑粗集料来生产陶粒混凝土和陶粒砌块，陶粒砌块具有质量轻、保温性能好、隔音、便于施工等一些列显著优点，是普通砌块所无法达到的。安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共38页第2页1文献综述1.1我国的建筑节能1.1.1我国建筑节能的现状改革开放以来，随着我国经济的迅速发展，居民生活水平的不断提高，人们对居住质量的要求也越来越高。中国是一个发展中的大国，也是一个建筑大国，每年新建房屋面积高达17-18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长。所谓建筑能耗是指建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。其中采暖、空调能耗约占60%~70%。中国既有的近400亿平方米建筑，仅有1%为节能建筑，其余无论从建筑围护结构还是采暖空调系统来衡量，均属于高耗能建筑。单位面积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的2~3倍。这是由于中国的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2/3白白跑掉。而每年的新建建筑中真正称得上“节能建筑”的还不足1亿平方米，建筑耗能总量在中国能源消费总量中的份额已超过27%，逐渐接近三成。所以建筑节能就成为我们为实现可持续发展所必须要解决的一个重大问题。我国以前的建筑用砖大部分都是烧成的实心粘土砖，这种砖需要高温烧成，而且还要以粘土为原料，成本高，造成的污染大，在我国，墙体材料约占整个房屋建筑材料的70%，其中粘土砖在墙材中仍居主导地位，生产实心粘土砖所需的粘土资源更属可耕地中较优质的粘土，因此，其对土地资源的破坏可见一斑。据统计，目前全国尚有砖瓦企业9万多家，占地超过500多万亩，每年生产的粘土砖约6000多亿块，耗用粘土资源13亿立方米，按平均挖土深3米折算，相当于每年毁田约70万亩。如在“天府之国”成都平原，仍有粘土砖瓦厂300多家，年生产能力达30多亿块，占用、抛荒的优质农田达2.6万亩。所以现在迅速发展起来的是各种空心砌块、陶粒砌块、泡沫混凝土砌块等等。1.1.2建筑节能的意义由于中国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源相对匾乏。人均耕地只有世界人均耕地的1/3，水资源只有世界人均占有量的1/4，已探明的煤炭储量只占世界储量的11%，原油占2.4%。每年新建建筑使用的实心粘土砖，毁掉良田12万亩。物耗水平相较发达国家，钢材高出10%~25%，每立方米混凝土多用水泥80公斤，污水回用率仅为25%。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。目前，中国建筑用能浪费极其严重，而且建筑能耗增长的速度远远超过中国能源生产可能增长的安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共38页第3页速度，如果听任这种高耗能建筑持续发展下去，国家的能源生产势必难以长期支撑此种浪费型需求，从而不得不被迫组织大规模的旧房节能改造，这将要耗费更多的人力物力。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进中国国民经济建设的发展。因此，建筑节能是贯彻可持续发展战略、实现国家节能规划目标、减排温室气体的重要措施，符合全球发展趋势。1.2污泥陶粒1.2.1污泥（1）污泥在城市污水和工业废水处理过程中产生的沉淀物，包括污水中所含固体物质、悬浮物质、胶体物质以及从水中分离出来的沉渣，统称为污泥。正是这些污泥的不断产生，才促使污染物与污水分离，完成污水的净化。随着我国经济的高速发展，城市污水厂的数量和处理水量日益增多，随之产生的污泥量也日益增加。污水中不仅含有丰富的有机物及氮、磷等营养元素，同时还含有重金属及病原菌等有害物质，如果不加处理的任意排放，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对资源的极大浪费[1-2]。污泥中重金属种类及含量见表1.1。污泥本身必须及时有效地处理和处置，确保做到“四化”——“减量化”、“稳定化”、“无害化”、“资源化”，才能保证污水处理厂的正常运行和处理效果，保护环境。目前已有的污泥处置方法中，采用焚烧处理不仅会对大气造成污染，而且还浪费燃料能源；而采用填埋处理，则污泥中的重金属、病原菌等污染成分会对地下水造成污染[1-3]；另外人们还试图将污泥焚烧后的灰烬用作活性微粉去改善混凝土的性能[4-5]；污泥也可以用于制造陶粒，但在陶粒配料中一般只占10%左右[3,6-7]。随着研究的更加深入，污泥在陶粒配料中的比例已经有了很大的提高。表1.1污泥中的重金属种类及含量重金属mg/kg干污泥Cu575Zn2770Pb224Cr379Hg13As76Cd11（2）污泥的分类1）原污泥：未经污泥处理的初沉污泥。二沉剩余污泥或两者的混合污泥。安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共38页第4页2）初沉污泥：从初沉淀池排出的沉淀物。3）二沉污泥：从二次沉淀池（或沉淀区）排出的沉淀物。4）活性污泥：曝气池中繁殖的含有各种好氧微生物群体的絮状体。5）消化污泥：经过好氧消化或厌氧消化的污泥，所含有机物浓度有一定的降低，并趋于稳定。6）回流污泥：由二次沉淀（或沉淀区）分离出来，回流到曝气池的活性污泥。7）剩余污泥：活性污泥系统中从二次沉淀池（或沉淀区）排出系统外的活性污泥。8）污泥气：在污泥厌氧消化时，有机物分解所产生的气体，主要成分为甲烷和二氧化碳，并有少量的氢、氮和硫化氢、俗称沼气。（3）污泥的成分污泥的主要成分：一般污水处理厂产生的污泥为含水量在75%~99%不等的固体或流体状物质。其中的固体成分主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体及絮凝所用药剂等组成，是一种以有机成分为主，组分复杂的复合物，其中包括含有潜在利用价值的有机质、氮、磷、钾和各种微量元素。污泥的主要化学组成见表1.2。不同种类污泥中营养成分含量见表1.3。表1.2污泥的主要化学组成(wt/%)原料SiO2Fe2O3Al2O3CaOP2O5MgOK2O和Na2O干污泥25.925.210.69.316.02.73.7表1.3不同种类的污泥营养物质含量范围（%）污泥类型总氮（TN）磷（P2O5）钾（K）腐殖质初沉污泥2.0~3.41.0~3.00.1~0.333生物滤池污泥2.8~3.11.0~2.00.11~0.847活性污泥3.5~7.13.3~5.00.2~0.4411.2.2陶粒（1）陶粒的概念陶粒，顾名思义，就是陶质的颗粒。陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，但也有一些仿碎石陶粒不是圆形或椭圆形球体，而呈不规则碎石状。陶粒形状因工艺不同而各异。它的表面是一层坚硬的外壳，这层外壳呈陶质或釉质，具有隔水保气作用，并且赋予陶粒较高的强度。陶粒的粒径一般为5~20mm，最大的粒径为25mm。陶粒一般用来取代混凝土中的碎石和卵石。安徽工业大学毕业设计（论文）报告纸共38页第5页陶粒的外观颜色因所采用的原料和工艺不同而各异。焙烧陶粒的颜色大多为暗红色、赭红色，也有一些特殊品种为灰黄色、灰黑色、灰白色、青灰色等。因为生产陶粒的原料很多，陶粒的品种也很多，因而颜色也就很多。免烧陶粒因所用固体废弃物不同，颜色各异，一般为灰黑色，表面没有光泽度，不如焙烧陶粒光滑。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