摘 要

污泥是指污水处理厂在污水处理进程中发生的固体和半固体沉淀物资,本论文为了对污泥进行有效利用，对资源进行循环利用，以黄石湖底污泥为主要原料，以铜尾渣为辅料，制备建筑陶粒轻集料。采用 (DH)XRD、(DH)XRF、(DH) 综合热分析等测试手段，对预先准备的铜尾渣、污泥进行了表征。在铜尾渣掺量为23%、烧结温度1150 ℃、烧结时间 12 min、预烧温度700℃、预烧时间15min的条件下制得表观密度为1.135g/cm³、吸水率3.87%、单颗粒强度8.13 MPa的污泥－铜尾渣陶粒。通过XRF、[DH]XRD、[DH]综合热分析对原材料及陶粒分析发现，该配比与焙烧制度能够保证陶粒强度达到要求的同时，增加了陶粒内部孔隙的生成，并且表面形成了致密的矿物层，有效地减少陶粒表观密度与吸水率。

关键词：污泥；铜尾渣；陶粒；烧结；预烧

Abstract

Sludge refers to the solid and semi-solid sedimentary materials that occur in the sewage treatment plant during the process of sewage treatment. In order to utilize the sludge effectively, this paper recycles the resources, using Yellowstone lake sludge as the main raw material and copper tailings. As accessories, preparation of ceramic light aggregates. The pre-prepared copper tailings and sludge were characterized using (DH) XRD, (DH) XRF, (DH) comprehensive thermal analysis and other test methods. The apparent density was 1.135 g/cm3, the water absorption was 3.87% and the single particle was obtained under the following conditions: copper tailings content 23%, calcination temperature 1150 °C, calcination time 12 min, calcination temperature 700 °C, calcination time15min. 8.13MPa strength sludge - copper tailings ceramic particles. Through analysis of raw materials and ceramsites by XRF, [DH] XRD, [DH] comprehensive thermal analysis, it was found that the ratio and roasting system can ensure that the ceramsite strength meets the requirements while increasing the generation of pores within the ceramsite and the surface formation. The dense mineral layer effectively reduces the apparent density and water absorption of the ceramsite.

Key Words：Sludge；Ceramsite；Copper tailings；Calcined；Sintering

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景与意义 1

1.2陶粒的简述 3

1.2.1 陶粒的概念 3

1.2.2 陶粒的性能 3

1.2.3陶粒的种类 4

1.3污泥利用现状 4

1.3.1污泥制备陶粒的研究现状 4

1.3.2污泥利用面临的问题 5

1.4热分析法简介 5

1.5本项目主要研究内容 6

1.6论文的技术路线 6

第2章 实验原料及实验设备 7

2.1实验原料 7

2.1.1污染土壤 7

2.1.2铜尾渣 8

2.1.3添加剂 9

2.2实验设备 9

第3章实验方法及流程 11

3.1实验流程 11

3.2实验方法 11

第4章 陶粒烧制制备研究 12

4.1 原材料配比设计 12

4.1.1 设计原则 12

4.1.2 配比的设计原理 12

4.2铜尾渣的加入量对陶粒性能的影响 13

4.2.1铜尾渣加入量对膨胀倍数的影响 13

4.2.2铜尾渣加入量对膨胀倍数的影响 13

4.3烧结制度的优化研究 14

4.4实验结果分析 14

4.4.1预烧对烧结陶粒的影响 14

4.4.2烧结对陶粒的影响 14

第5章结论 16

参考文献 17

致 谢 18

第1章 绪论

据文献记录，到2009年为止。我国铜矿已探明的量为7128万吨。此中 ,基本储量为3080万t ,占总储量的43.8 % ,主要在江西、云南、甘肃等省,现在已经使用的资源储量占国内已使用资源储量的75%以上^[1]。因为铜尾渣成份庞大、波动大等缘由，铜尾渣的利用率一向保持在相对于于较低水平，投资和运行本钱相对于于较高，所出产成品的附加值较低。并且铜尾渣的物理化学潜力没有获得充分利用。以洁净出产为中间成长轮回经济，实现可持续成长是钢铁工业的必然选择，正视铜尾渣的收受接管和利用，对铜尾渣的资本化利用手艺提出了更加科学的成长观。

从上世纪开始，国内外的许多专家学者都研究了利用污泥制备陶粒的研究。目前，污泥已经广泛的应用在建材、农业等许多方面，并且取得了比较不错的效果。在利用污泥的时候，企业出了增加了自己的利润，同时也使环境的到了较好的保护，促进了二次资源的回收再利用。但是由于污泥的成分较为单一，怎么样在利用污泥的同时利用其他物质如矿物尾渣的生产方式较为少见，而且对矿物尾渣的再利用和回收，符合新时代的资源再利用精神。

1.1研究的背景与意义

作为废水处理进程的副产物,污泥是指污水处理厂在污水处理进程中生成的固体和半固体沉淀物。其中包括着水、泥沙、纤维、动植物残体和一些微生物成分。一般情况下污泥就是污水的固体部分^[2]。本论文使用的污泥来源于黄石某地的湖底污泥。因为在城市生活生产的过程中排放会派出大量的三废，因此淤泥中大多含有毒性较大的重金属元素，所以直接堆加与填埋不但会致使土地资源加倍贫缺也会污染地下水，毁坏环境安全。伴随着墙材改革和建筑节能的成长，应用淤泥制备人工陶粒具备较好的环保意义及经济社会效益。本课题以应用污染泥土为起点，以便宜的污染泥土为质料，并添加少许的铜尾渣制备了烧胀陶粒。不但节约了粘土页岩资本，还应用了较难处理的铜尾渣固体废弃物，削减了其对周围环境的影响。

有调查探明污泥污染物常常有持久毒性和难以降解的特性。假如将污泥随便排放，这些东西将会再次污染到环境。在空气、地下水、地表水和泥土等介质的传播下进入到食物链当中。这将对生态环境造成巨大的影响。这些不良影响还会影响到人类生产生活。与此同时，因为污泥含有大量有机物、氮、磷等营养物质，如果可以恰当处置则可以将其作为比较好的再利用资源^[3]。随着我国污水处理率不断提高和污水处理手艺的深化和成长，污水处理厂的污泥储量越来越，残留在污泥中的有毒有害物质也将逐步增多。如何将产量庞大、含水率高,成份庞大的污泥进行安全地处置，使其无害化、减量化，已成为目前研究的重要课题。传统意义上的污泥综合应用一般包含污泥农用和产业应用两个方面。而污泥的最终处理路子首要包含卫生填埋和投海。污泥处理题目表现为：1）加重垃圾填埋场负荷并收缩填埋场服役周期还会耗损大量土地资本而遭到用地限定；2）会生成较多的渗透液，因为污泥含水率较高，加剧了垃圾填埋场的污染，大部分同化填埋的垃圾场都拒收污泥；3）将废气进行资源化利用的垃圾场比较少。在填埋过程中产生的废弃不仅会污染环境，还会产生一定的安全隐患。调查研究表明设置规范的无害化污泥单一填埋场投资较高。一座主要用来处理污泥的垃圾处理场一年将花费一亿多元。如果将污泥投放到海洋里面将会严重污染海洋环境。将会威胁到海洋的生态并对人类的生产生活造成许多不利的影响^[4]。所以，将污泥进行填埋或者投入到海中已不能较好的符合我国现在的国情^[4]。污泥的农业应用首要是通过制备污泥肥料来实现在农林方面的应用。污泥中含有丰硕的有机质和腐殖质等营养和大量的植物发展所需的微量元素,将其规范的农林应用或许可以改进土壤结构、增添土壤肥力、增进农作物发展。然而，污泥中含有一些有害的病菌或者是一些有毒的重金属等物质也使得污泥的农业应用存在着一些不利的影响。特别重金属是决议污泥可否农业应用的主要因素^[4]。我国关于污泥农林应用的危害钻研系统尚不健全。对重金属从泥土到植物的迁徙积累和重金属、氮、磷等在泥土中的迁徙转化等方面的钻研成果可能是基于短时间的尝试取得,而长时间的农林应用尝试数据对比缺少。有调查显示污泥的农林应用使得泥土有机质明显增加，泥土酸度基本无变化，但泥土中的汞、辐污染紧张,易于引发农作物和植被污染，所以污泥的农业应用还有待更进一步的调查论证。

污泥产业应用大致分为在污泥中加入一些原料来焚烧发电、将污泥用热分解的方式从中提取可燃性气和利用污泥制造建材，一般通过水泥固化、制取污泥砂石、污泥陶粒、水处理填料、微晶玻璃等方式^[4]。现在，污泥的建材化应用已经被看做是一种可持续发展的污泥处理的主要方式。目前，日本、泰国等国家已经进行了较多的应用研究并且获得了很多实用性很好的成果。用污泥和粘土剂等混合物料烧制陶粒轻集料，因为其在烧制过程中，污泥中含有的有毒有害物质将会被固定在陶粒的内部，类釉质的坚固外壳除了加强陶粒强度，与此同时有效的禁止了重金属等有害物质的浸出，为污泥陶粒制造轻集料混凝土和水处理滤料等贸易利用提供了有利条件^[3]。但是，烧制污泥陶粒的过程中将会耗能较高，该因素是阻止污泥烧制陶粒技术成长和推广应用的主要原因。其次，烧制污泥陶粒的辅料一般具有像粘土一样作用的矿物质料。增添辅料增加了陶粒的生产成本，并且以耗损新的自然资本去处理废料来实现废料的资本化操纵的环境经济性有待考据，烧制污泥陶粒过程当中避免环境被再次污染也是阻止污泥陶粒化的原因之一。研究出一种可以在保障陶粒工艺品合格的前提下既能明显下降陶粒产物能耗，又可以防止环境污染的可持续发展的烧制陶粒新工艺方案具备重要意义。

本次课题从前面人已有的成果出发，从科学性和实用性角度考虑， 以污泥和铜尾渣为制作原料制作陶粒,获得烧制铜尾渣-污泥陶粒的工艺流程和陶粒的各钟性能参数，为铜尾渣-污泥陶粒轻集料的量产做出尝试和理论的探究。本次实验放弃了原材料对像黏土一样的矿物质料的依靠，以铜尾渣和污泥为原料展开钻研，剖析了烧结污泥陶粒的配方和各种原材料组分的化学成分和物理成分，摹拟钻研了生料球在烧制陶粒轻集料过程当中的热反映动力学特征，以期为烧制污泥陶粒轻集料做出自己的贡献,增进污泥-铜尾渣陶粒的推行和利用，具备社会、环保、经济效益和一定的学术意义。

1.2陶粒的简述

1.2.1 陶粒的概念

陶粒，从字面意思来看，便是颗粒状的陶质。陶粒的形状一般是圆或者椭圆形，但是有一些不是这样，它们的外表是不规则的像破碎过一样。陶粒是一种在回转窑中经发泡出产的轻骨料^[4]。它具备球状的形状，表面滑腻而坚固，内部呈蜂窝状，有密度小、导热性低、硬度大的特色。陶粒是一种新型的建筑材料，它是使用黏土、泥质岩石、产业废物为主要原料，掺合少许粘结剂、添加剂等，经加工成粒或粉磨成球，后经由进程烧结等工艺进程而制成的一种人造轻骨料^[5]。

1.2.2 陶粒的性能

陶粒能够在全世界范围内获得人们的追捧的原因是，它有着其它材料没有的较好的性能，这些优秀的性能也没有其它的材料能够替代它。

1. 保温、隔热

因为陶粒的内部有着许多致密的小孔，这些小孔可以较好的保温能力，还可以隔绝外界的热量，采用陶粒配置出来的混泥土导通热量的能力一般比较低，比一般的混凝土低了不少^[6]。所以，用陶粒建造出来的建筑的温度受外界影响不会很大。

1. 耐火性优异

一般的用陶粒调配的混泥土或者砖块都具有较好的保温能力、还能够抗击地震的危害、还能对火有较大的抗性，比其他的混泥土的抗击火烧的能力高了很多。在相同的耐火周期里面，陶粒混泥土的厚度比一般的混泥土的厚度要薄很多^[8]。除此之外，陶粒还可以配置出耐火度在1250℃下的耐火型混泥土^[7]。在700℃的高温下，由陶粒配置出来的混泥土还能保持85%左右的强度，然而一般的混泥土只能达到35-60%左右的强度^[9]。

1. 抗震性能好

由陶粒配置出来的混泥土因为它具有比较好的抗击变形的力，它的质量也比较轻，所以它拥有比较好的抗击地震的能力^[10]。比如在唐山大地震当中，在天津有几栋用陶粒配置的混泥土修建的房子在地震当中地基都没有受到影响，还能像以前那样正常的使用。但是在这几栋房子旁边用普通混泥土修建的房子都遭受到了不同程度的损害。这些现象虽然与建筑物的修建结构也有关系，但是陶粒配置的混泥土具有比较好的抗击地震的能力也是一个比较重要的因素。由这个可以看出来陶粒具备不错的抗击地震的能力。

1. 吸水率较低、抗冻的能力和耐久力较好

陶粒混泥土的抗击酸、碱腐蚀的能力比平常的混凝土好^[11] 。1996年有关部门对国内在对从这之前用陶粒混泥土建造的建筑进行了一些调查，调查显示，无论是提前先制备好的还是在现场浇筑的、室内或室外的，它们中间加的钢筋都没有遭受到水的侵蚀 ^[12]。从这个结果可以看出来，由陶粒配置出来的混泥土是一种比较好的建筑材料，可以在全国范围内大力推广使用。

1.2.3陶粒的种类

（1）按原料分：铝钒土陶粒砂、黏土陶粒、页岩陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、生物污泥陶粒、河底泥陶粒、粉煤灰陶粒

（2）按强度分：陶粒按强度分为高强陶粒和普通陶粒。

（3）按密度分：陶粒按密度分为普通密度陶粒、超轻密度陶粒、特轻密度陶粒三类^[13]。

（4）按形状状分：陶粒按外形分为碎石型陶粒、圆球形陶粒和圆柱形陶粒^[14]。

（5）按性能分：高性能陶粒、普通性能陶

1.3污泥利用现状

利用污泥的技术一般有下列几个方面：1）用污泥合成燃料或者通过焚烧来发电；2）将污泥作为堆肥的原料；3）用污泥制备吸附材料；4）用污泥作为建筑材料；5）用污泥制备饲料等农业产品；6）利用污泥制备可降解材料。

1.3.1污泥制备陶粒的研究现状

（1）污泥陶粒化实验研究

目前，国内外学者已经用污泥制备陶粒进行了许多实验。一些学者用污泥、黏土和粘接质料作为实验原材料，确定了实验的最佳条件，并探讨了原材料对实验最佳结果所产生的影响^[15]。一些学者从烧结进程的布局转变和晶体相反映机理角度进行了污水污泥制备陶粒轻集料的技艺可行性分析，他们的6研究表明污泥烧结体中的最多的晶体相是石英、钙黄长石、钙镁磷酸盐和磷酸铝污泥中含较高的磷，由此可知，添加高铝无机材料能够提升钙镁磷酸盐和磷酸铝高强晶体相的形成，从而提升烧结体的抗压强度，实验表明该技术可以应用于污泥烧结陶粒轻骨料^[16]。还有一些学者成功制备了用污泥作为辅助材料，并且添加页岩烧制出页岩型陶粒，研究表明通过添加污水污泥能够提高陶粒生料中的有机物质的烧失量，从而降低了熔融的温度以及陶粒的烧成温度，通过增强烧胀时的还原性气体，能够生成更容易熔融的矿物产品，通过增强矿物产品的熔融程度来提高陶粒的烧胀性能^[17]。

（2）污泥陶粒化应用研究

日本的一些学者用焚烧过的污泥粉作为主要实验原料，通过和污泥干粉或者粉煤等原材料，按比例调成混合料，然后加水进行造粒，最后在高温炉中成功制备出了陶粒^[18]。轻骨料的烧结温度为1000～1100℃，烧结时间为25～30min。轻骨料的筒压强度为3～4Mpa，吸水率为16%～18%。目前，美国已经通过回收或者再利用染料污泥，来把它们转变成为制备陶粒的主要成分，依次来取代原来将它们填埋的方式，已经取得了一定的经济效益，并且同时解决了污泥的处置问题^[19]。某些学者通过对污泥陶粒特性及其制成轻质混凝土件的隔音效果和强度等研究表明，用污泥陶粒来制备用于高层建筑的轻质陶粒混泥土是可行的^[3]。

1.3.2污泥利用面临的问题

目前，研究表明污泥中除了含有水、有机物质和泥土外，一般往往还含有超过国家标准的多种重金属物质以及大量的有害化学物质。如果不能很好的处理这些污泥，将会造成极其严重的再次污染。现在，污泥的资源化利用一般面临的问题有以下几个方面：

1）虽然卫生填埋比较容易实施，但是它不仅会占用比较多的土地资源。还会因为没有做好防止污染物伴随水等物质渗透的工作，从而影响到土地或者水资源被它们污染。

2）用污泥作为农用肥料，其所含的污染物会在农作物当中积蓄下来，其安全性目前还没有研究证实。

3）将污泥能源化比较难以发展的原因是因为在把污泥进行去水的时候消耗的能源会比较多。

4）在将污泥进行焚烧处理时会排放出一些对环境有害的气体。

5）把污泥应用在材料方面的应用还比较少，工业化产品的生产可行性、经济成本、环境效益和公众了解度等目前还有待实践证实。

1.4热分析法简介

在一定的温度条件下，一般物质都会发生一些较小的变化。包括同周围环境中的空气反应而而产生化学反应或者产生一些物理上的变化如形变等。比如释放出物质中所含的结晶水、析出某些比较容易挥发出来的物质、吸热或者发热。某些变化还可以影响到物质的重量（吸重或减重）。热分析方法的核心就是研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率以及所涉及的能量和质量变化。常见的热分析方法如下所示：

1. 热重分析法（TGA）

热重分析是利用程序来控制温度，依次来测量出温度同物质的质量之间有和关系的一种技术。通过物质进行热重分析可以得到物质的热重曲线。

1. 差示扫描量热法（DSC）

差示扫描热法是利用程序控制温度，测量出加入的物质与参照物之间能量的差值。随时间或者温度变化的技术。

1. 差热分析（DTA）

差热分析是指利用程序来控制温度，测量被测物质和参照物质之间温度的差异伴随温度变化关系的技术，通过差热分析可以得到差热曲线。

1.5本项目主要研究内容

本课题的主要研究内容旨在对污泥的综合利用，以污泥和铜尾渣为原料。按照其化学构成和矿物构成，确定了烧胀陶粒的陶粒配方以及工艺。

工艺方法：