摘 要

本课题针对钢渣资源化及污泥综合处置开展研究工作。首先利用机械力研磨对钢渣进行活化并复配矿渣微粉开发出钢渣矿渣胶凝材料，测试胶凝材料的抗折抗压强度，确定最佳材料配比为：10%的钢渣粉、50%的矿渣粉、40%的水泥,然后利用XRD表征钢渣胶凝材料的水化特性。其次，利用制备的胶凝材料对污泥进行化学改性，同时考察钢渣颗粒（4.75mm以下）对污泥的物理改性作用，对污泥改性土的含水率变化影响，对其力学特性及耐久性能进行研究，利用XRD测试手段探讨污泥改性机理,最后通过毒性浸出试验评价固化后的污泥部分重金属元素浸出浓度。实验研究表明：在钢渣改性剂的固化效果下，污泥固化体的含水率最高可降低到3%以下，28d抗压强度最低可以达到2.46MPa；重金属浸出浓度在7d就已明显降低，Cr从4.05mg/L降至1.33mg/L，Cu从14.8mg/L降至2.02mg/L，Zn从36.43mg/L降至6.03mg/L。本文的研究成果将对钢渣与污泥的双重资源化利用具有一定的科学意义和实用价值。

关键词：钢渣矿渣胶凝材料;水化性能;污泥固化;污泥改性剂;重金属浸出

Abstract

This project is aimed at the research of steel slag resource utilization and comprehensive treatment of sludge.First, through the mechanical force grinding of steel slag to make it activated,and with the combination of slag powder to develop a slag slag cementitious material,test the flexural strength of the cementitious material to determine the optimum material ratio: 10% steel slag powder, 50% slag powder, 40% cement,and then characterize the hydration characteristics of steel slag cementitious materials through XRD.Secondly, the chemical modification of sludge was carried out with the prepared cementitious material, and at the same time ,research the physical modification of sludge from steel slag (under 4.75mm) and the effect on the change of the moisture content of sludge modified soil,research the mechanical properties and durability of the sludge, discuss the mechanism of sludge modification by XRD Test,finally , evaluate the concentration of heavy metal elements in the sludge after curing through the toxic leaching test.The experimental results show that:in the steel slag modifier curing effect, the moisture content of sludge solidified body can be reduced to 3% or less, and the compressive strength can reach 2.46MPa at 28d,the leaching concentration of heavy metal is obviously reduced at 7d, Cr from 4.05mg / L decreased to 1.33mg / L, Cu decreased from 14.8mg / L to 2.02mg / L, Zn decreased from 36.43mg / L to 6.03mg / L.The research results of this paper will have a certain scientific significance and practical value for the dual resource utilization of steel slag and sludge.

Key words: steel slag slag cementitious material; hydration property; sludge curing; sludge modifier; heavy metal leaching

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外的研究现状分析 2

1.3 两种工业废渣——钢渣和矿渣的利用 3

1.3.1 钢渣 3

1.3.2 矿渣 4

1.4 城市污泥以及重金属污染 4

1.5技术路线 5

第2章 实验原材料及实验方法 6

2.1实验原材料及组成成分 6

2.2实验方法 7

2.2.1净浆成型 7

2.2.2 砂浆成型 7

2.2.3固化污泥 7

2.2.4污泥含水率测定 8

2.2.5污泥pH值的测定 8

2.2.6污泥固化体抗压强度 8

2.2.7重金属浸出浓度 9

2.3 实验仪器和设备 9

第3章 钢渣矿渣胶凝材料的开发 11

3.1 胶凝材料的定义 11

3.2 胶凝材料实验组分配比 11

3.3胶凝材料抗压抗折强度结果及分析 12

3.4 钢渣矿渣胶凝材料的水化性能(XRD分析) 13

第4章 污泥固化及重金属浸出 16

4.1污泥固化实验组分配比 16

4.2污泥基本性质 16

4.3固化体抗压强度 17

4.4污泥固化体重金属浸出 18

4.5固化体重金属浸出浓度 18

4.6污泥固化体的XRD分析 18

结论 20

参考文献 21

致谢 22

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

自20世纪90年代以来，随着各种新型工业的兴起和科学技术的发展，各种能源被人们大量发掘与利用，因此能源紧缺问题随即出现，本课题主要针对固体废弃物的回收利用进行了相关的探讨。固体废弃物的来源中钢铁产业占据了很大一部分，其产量仅排在煤炭工业和火力发电之后，位居第三。钢渣是钢铁工业产物中的主要固体废物，研究表明，每有一吨钢的产生，约产生钢渣0.20吨，现今我国年钢产量逾10亿吨，遥遥领先其他各国，成为世界第一钢铁以及钢渣生产基地，然而，我国的钢渣利用率仅有19%左右，那些没有得到充分利用的钢渣不仅会占用大量的土地，还会造成环境污染和资源上的浪费^[1]。所以如何利用好这些固体废物钢渣，使之变废为宝，与我国钢铁产业的健康发展息息相关，这也成为当今各大钢铁企业所要解决的主要问题之一。

迄今为止，人们已经在建筑材料、冶炼金属、农业生产等诸多领域对钢渣进行了合理的综合利用。但是由于各种条件的限制，钢渣的综合利用并没有得到广泛的普及，仍然存在着技术上的问题。目前常用的一种有效方法是让钢渣在钢铁企业内部回收利用，本课题针对目前钢渣利用途径的不足，提出了将钢渣在钢铁企业内的梯级利用，就是把钢铁炉渣的某些成分和相关性能进行调整，使钢渣逐级返回利用，也被称为梯级回用，通过钢渣在炼钢工艺中的循环利用^[2]，使部分钢渣替代造渣材料从而得以重新利用，这大大节约了钢铁原材料的使用，使企业生产成本得到大幅度降低，提高了经济效益。此外，钢渣的梯级利用使得钢渣的最终排出量大量减少，减少了固体废物的产生，使钢铁工业对环境的污染得到了有效的控制^[3]。

由于钢渣和水泥成分熟料相似，都含有硅酸二钙、硅酸三钙、铁铝酸盐等矿物，所以钢渣和水泥一样是具有水硬胶凝性，但相较于水泥，钢渣活性低、胶凝能力小^[4-5]。利用钢渣的水硬胶凝性，将钢渣、矿渣和水泥按比例混合，水泥的性能会得到得到提高，后期强度甚至可以超过普通硅酸盐水泥。研究表明：将钢渣原渣经过重新熔融和水淬处理后，钢渣的矿物组成和化学组成会发生较大的变化，会产生具有与硅酸盐矿物类似水硬活性的镁蔷薇辉石，使钢渣的胶凝活性提高。利用钢渣微粉的强碱性以及外掺激发剂的联合作用下对诸如低级粉煤灰、生物质电厂灰等含二氧化硅的低品质硅源废弃物进行激发，制备环境友好型胶凝材料并用于污泥固化工程中，并将一定规格的粒状钢渣尾渣作为骨集料应用于固化体，开发多种污泥固化产品，使得废弃钢渣成为“二次资源”被人们重新利用，同时拓展了污泥固化手段。