1、硕士学位论文新型粉煤灰陶粒滤料的制备及其在曝气生物滤池中的应用作 者：王 涛指导教师：孙秀云副教授南京理工大学2012年1月M aster of Dismnati onStudy on Preparation of A New Fly AshCeromesite and Its Application in theBiological Aerated FilterByWang TaoSupervised by Pr吐Sun XiuyunN驯i ng University of ScienceTm_,hnologyJanuraly，201 2，声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽
2、我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用摘 要粉煤灰陶粒滤料作为一种新型生物滤池滤料
3、，投资少、工艺简单、成本低，具有良好的市场应用前景。以粉煤灰为主要原料，制备新型粉煤灰陶粒滤料。以孔隙率为参数，优化了原料配比及制备工艺，并采用吸水率、气孔率、化学稳定性等指标表征了制备的陶粒性能。优化后的原料配比，粉煤灰、水泥、生石灰、石膏、氯化镁、污泥和水的添加量分别为43、7、13、200、200、10和23；制备工艺为，水浴60养护2h，脱模养护2h，焙烧温度600“C，焙烧时间05h。所制陶粒孔隙率达到346，其浸出液中几种重金属的浓度符合国标要求。采用桐油、PEGl000、PVA对陶粒载体进行改性，改性后的滤料实验表明：桐油改性陶粒吸水性最强，吸附细菌能力最佳、载体上微生物活性最高
4、；连续运行处理废水，桐油改性滤料效果最佳。采用制备的新型滤料，在模拟BAF反应器中，考察了反应器运行参数对挂膜的影响，并对曝气生物滤池进行连续进水实验。结果表明，HRT对挂膜的启动有重要影响，当HRT为125 h时，附着微生物大量繁殖，易于挂膜的启动，挂膜启动时间为20d，膜厚为267pm，每克干载体附着生物量为0278 g。连续进水实验，当水力停留时间为125 h，气水比为15：1，pH值为70时，处理效果达到最佳。所研制的粉煤灰陶粒作为新型生物滤池滤料，不仅性能优良、制备工艺简单，而且为粉煤灰的再利用提供了有力参考。关键词：粉煤灰，陶粒滤料，生物滤池，生物膜bioflIm culturin
5、g iS20d，the biof1m thickness iS267Um，and the adhesive microbial withinper gram dry carrier is 02789In the continuous-flow test，when the hydraulic retentiontime iS 125h，the raiO of alr to water iS 15：1，and the removal efficiency reaches themaximum when the pH value is about 70I n thi s study，the prep
6、ared fl y ash cerami d te hasnt onl y advantages of钗cel l entperformance and easy producti on，but the resul t al so offer the effecti ve reference approachfor furth甘reusi ng fl y ashKey WorS：fly ash，ceramicite packing，biofiter,biomembrane硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用目 录摘 要。IAbstractII1绪论。111污水处理技术现状。
7、1111生物处理技术：1112曝气生物滤池法2113生物滤料212粉煤灰的污染及利用现状：4121粉煤灰的来源4122粉煤灰的组成5123粉煤灰的利用现状5124粉煤灰的利用新方向713粉煤灰陶粒的制备及应用概况。7131粉煤灰陶粒的发展7132粉煤灰陶粒的优缺点7133制备原理8134粉煤灰陶粒的一般制备方法9135影响制备粉煤灰陶粒性能的主要参数1014选题科学意义和研究内容一12141选题的意义12142研究内容122新型粉煤灰陶粒滤料的制备工艺研究及表征。1321实验部分13211实验仪器与药剂13212新型粉煤灰陶粒滤料的制备。16213新型粉煤灰陶粒滤料的表征1622结果与讨论侣2
8、21新型粉煤灰陶粒滤料的制备。182_2-2新型粉煤灰陶粒滤料的的表征26III目录 硕士论文223污泥陶粒的重金属浸出含量2723本章小结283新型粉煤灰陶粒滤料的改性及表征2931材料与方法29311实验仪器及药品29312实验方法29313模拟废水29314反应装置30315测定方法3032结果与讨论31321挂膜方法的比较31322新型粉煤灰陶粒滤料的改性3233本章小结364新型粉煤灰陶粒滤料的应用。3741实验部分37411实验仪器与药品37412苦味酸(2，4，良三硝基苯酚)模拟废水37413接种微生物37414实验装置和填料3742实验方法38421挂膜启动方法38422分析测
9、定方法3843曝气生物滤池的挂膜启动39431 H阿对挂膜启动的影响39432挂膜启动中TNP、DCr和N02N的浓度变化4144曝气生物滤池的运行43441水力停留时间对TNP去除效果的影响44442气水比对TNP去除效果的影响45443 pH对TNP去除效果的影响4545应用效果。46硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用1绪论水是一切生命活动的基础，所有生物体的新陈代谢都与水密切相判11。我国水资源总量较为丰富，但人均占有量匮乏，仅为世界人均值的四分之一。水资源时间、空间分布不均，许多地区和城市严重缺水。工农业废水的超标排放，导致大量水资源的严重污染。据统计，我国城市污
10、水集中处理率仅为25左右，大量污水未经有效处理甚至未处理即被排放，有近85的江河湖泊和水库受污染，多地出现水质性缺水，加剧了水资源的短缺。由于不安全的水、排泄物和污染物而致病的人更是不计其刿z】。针对我国当前水资源紧缺且污染严重的现状，发展一种基建投资少、占地面积小、运行费用低、管理方便且能高效处理工农业废水的污水处理技术，对控制水污染，缓解水资源危机具有极其重要的意义。11污水处理技术现状根据作用原理不同，污水处理技术可分为物理化学法、氧化还原法、电化学法和生物处理法等。其中，生物法以能耗少、处理效率高、二次污染少等优点，成为近年来研究和应用的热点之一。111生物处理技术目前，主要使用的生物
11、污水处理方法包括活性污泥法和生物膜法，常用于污水处理的二级生化处理工艺中。(1)活性污泥法活性污泥法自1914年由Arden和Lockett开创至今，已经过90年的发展与实践，在供氧方式、运转条件、反应器形式等方面不断得到革新和改进。总体而言，活性污泥法在排放之前将固体物质从废水中去除，能以相对合理的费用得到优良的出水水质；其主要缺点是可控制性差，不易实现自动化，且要达到期望的出水水质，往往需要复杂的操作；针对不同的污水需要提高微生物对环境和水质变化的适应能力。(2)生物膜法同活性污泥法一样，生物膜法也是利用微生物降解有机污染物的污水处理方法。在活性污泥法中，微生物处于悬浮生长的状态，所以活性
12、泥法处理系统有微生物悬浮生长系统，而生物膜法中的微生物则附着在某些物质的表面，所以生物膜法处理系统又称为附着生长系统。生物膜法主要包括生物滤池、生物转盘和生物流化床等，是近十几年来发展的新型微生物处理技术之一，由于其特殊的处理及操作优势，越来越受到人们的关注，发展迅猛。1绪论 硕士论文112曝气生物滤池法曝气生物滤池(biological aerated filter，简称BAF)法是一种具有占地面积小、流程简单、出水质量高、对环境影响小等诸多优点的生物膜法污水处理新工艺31，其自动化程度高，抗冲击能力强且能耗低。BAF工艺中的污水净化机理复杂，包括废水中复杂多样的传质过程、有机物的分解和微生
13、物的新陈代谢过程、氧的扩散与吸收过程等。BAF工作时，在污水经过滤料表面的过程中，有机营养物质被吸附在滤料的表面，并扩散至生物膜内部，通过生物膜中所发生的生物氧化过程，微生物对水体中的污染物进行氧化分解，使污水得以净化【4一。它可用于污水的二级处理及深度处理，同时还可以用于饮用水的微污染处理等。目前已被广泛应用于城市污水处理嘲、中水回用忉及微污染水源水的预处理18。明a采用BFA处理污水的关键步骤是挂膜过程，这个过程是指在污水流过滤池滤料时，有一部分污水、污染物和细菌附着在滤料的表面上，微生物便在滤料表面大量繁殖，经过一段时间后，在滤料表面形成一层充满微生物的粘膜，即生物膜。这个起始阶段是生物
14、滤池的启动期。有报道称，在气温为20 oG25 oC时，从开始挂膜到挂膜成功一般需要20 d左右【1 0111。传统意义上的生物膜是由细菌(好氧、厌氧、兼性)、藻类、真菌、原生动物、后生动物以及一些肉眼可见的蠕虫、昆虫的幼虫等组成。其中曝气生物滤池的核心部分是滤料，生物膜的附着和脱落直接制约着曝气生物滤池启动和运行的效果，滤料是生物膜法工艺中的核心部分。113生物滤料(1)滤料的分类及优缺点对比近年来，不同种类和性能的陶粒滤料应运而生，人们对其进行了深入的研究，并以其优越的性能得到越来越广泛的应用。但陶粒滤料的分类没有具体标准，根据生物陶粒滤料的研究现状，通常人们将生物陶粒分为以下几种【121
15、。硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用江河湖泊经过多年的沉积会沉积很多的泥沙，用这些河底泥沙可以替代粘土生产陶粒滤料，经挖泥、自然干燥、生料成球、预热、焙烧、冷却等过程制成。徐淑红等【1 4】采用自制的底泥陶粒和外购对照陶粒为生物滤池滤料材料，对印染废水进行处理，比较了两者对印染废水中的主要污染物cOD、氨氮和色度的处理效果，结果表明，底泥陶粒对印染废水中主要污染物的处理效果明显优于对照陶粒，而且易于再生。张国伟等【1习采用上海新泾港河道底泥为主要原料，制备出底泥陶粒滤料，并对烧制出的底泥陶粒滤料产品进行评价，得到了较好的结果。煤矸石陶粒煤矸石是采煤过程中排出的含碳量较少的
16、黑色废石，是我国排放量最大的固体废弃物，其排放与堆积不仅浪费了大量的耕地资源，同时对地表、大气造成了严重的污染。煤矸石的化学成分与粘土比较相似，可经焙烧制备煤矸石陶粒，但是煤矸石含有较高的碳及硫，烧失量较大。王萍等【1q把煤矸石作为主要原料，制备曝气生物滤池陶粒滤料，并且探讨了曝气生物滤池用这种滤料对污水中氨氮和有机物去除效果。生物污泥陶粒污水处理厂处理完污水后会产生大量的生物污泥，造成二次环境污染。目前，很多科研工作者致力于以生物污泥为原料，经过烘干、磨碎、成球、烧结等工艺制备生物污泥陶粒用于污水处理。在烧制陶粒时以生活污泥代替部分粘土，既节省粘土又保护农田，节省成本且有一定的环保作用【17
17、1。黄德志、何少先等1司用城市污水处理厂产生的脱水污泥为原料，经过脱碳、烧胀，制成不同密度等级的轻质陶粒，该法大量地消耗了活性污泥等固体废弃物，避免污泥二次污染，处理成本大大低于焚烧法，而且实现了污泥的有效重利用。硅藻土陶粒硅藻土是由较细的硅藻壳聚集、再经生物化学沉积作用形成的沉积岩，呈疏松状，吸附能力强，熔点高，具有多孔结构。目前生产硅藻土陶粒方法主要有焙烧法和免烧法两种【141。粉煤灰陶粒以粉煤灰代替部分粘土烧制而成，成本低，同时为粉煤灰的处理提供了一个有效途径。C2)新型滤料的发展方向传统的轻质陶粒滤料主要由粘土制成，其成本偏高，同时还因大量挖掘粘土造成了自然生态环境的破坏。寻找一种能替
18、代轻质陶粒滤料中的粘土而又不影响其性能的物质成为了打开生物陶粒滤料市场的关键点。针对各种生物滤料的缺陷，科研工作者不断的改进滤料性能并开发出一系列新型的生物滤料。沸石生物滤料31绪论 硕士论文以沸石作滤料的沸石生物滤料是一种新研究的生物滤料，在一定条件下对沸石进行微生物培养可实现其生物膜功能，得到的沸石生物膜是一种催化生物膜，它可以改进沸石特性，使生物、沸石共同起作用处理污水，提高了滤料的污水处理能力【侧。有人将少量生物亲和亲水物质以及适量磁粉和活性炭结合到常用的聚丙烯生物塑料滤料中，充磁后形成具有弱磁场的生物亲和亲水改性生物滤料。该滤料可以提高微生物的挂膜速度，同时每个滤料等同于一个带有磁场
19、的微型生物反应器，从而实现磁效应技术在实际废水生物处理中应用【加-211。悬浮型滤料Dalentoft等221用聚乙烯制成悬浮型滤料处理工业废水，COD去除效果良好，该滤料密度比水稍小，具有表面积大、微生物附着性好等优点。为改善材料表面亲水性能，汪晓军等【231在塑料中混入亲水性高分子材料聚乙烯醇和聚丙烯酰胺，得到了亲水性弹性滤料，用作废水处理效果良好。陶制生物滤料吴建锋掣24通过Bayer法以赤泥为主要原料制备多孔陶瓷滤料，系统考察了赤泥添加量、烧成温度等对滤料显气孔率和显微结构等性能的影响。王萍【凋等利用粉煤灰作为主要原料，制备的生物滤池陶粒滤料对城市生活污水的COD和氨氮的平均去除率达到
20、8547、6695。张国伟等【2叼对上海新泾港河道底泥的化学成分、颗粒组成和矿物组成等性能进行了分析和研究，通过正交试验确定了以河道底泥为主要原料烧制陶粒的最佳工艺参数，开辟了河道底泥利用的新途径。岳敏等【14】以城市污水处理厂脱水污泥作为主要原料，添加粉煤灰和粘土烧制陶粒滤料，考察了烧制过程中各主要因素(干燥时间、预热温度、预热时间、焙烧温度和焙烧时间)对产品性能(比表面积、堆积密度和颗粒密度)的影响，最终结合正交实验确定了污泥作为主要原料烧制陶粒的最佳工艺条件。由于轻质陶粒滤料比表面积大、孔隙率高、生物量大且取材方便、价格低廉，用于曝气生物滤池，可增大滤池负荷，减少水头损失，已成为近年来国
21、内研究的热点之一o12粉煤灰的污染及利用现状121粉煤灰的来源粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，主要出自以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉。我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为73，电力工业的迅速发展，为我国社会及工业发展提供了能源保障，但同时也带来了一系列的环境问题，其中急剧增加的粉煤灰已成为一4硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用大危害。燃煤热电厂1995年粉煤灰排放量达125亿吨，2000年约为15亿吨；到2010年已达到3亿吨。粉煤灰的综合利用，变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的政策，是解决我国电
22、力生产与环境污染之间矛盾的重要手段，也是电力生产急需解决的任务之一。122粉煤灰的组成粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料。火电厂将煤磨细成100m以下的煤粉，用预热空气喷入炉膛悬浮燃烧，产生高温烟气，经收尘装置捕集得到粉煤灰。粉煤灰的外观似水泥，其颜色在奶油色到黑灰色之间，主要因为组成不同导致色泽差异较大，通常颜色越浅，粉煤灰的质量就越好【27】。在形成过程中，由于表面张力的作用，粉煤灰大部分呈球形，表面疏松多孔，比表面积大，且具有一定的活性基团和吸附特性。粉煤灰的组成与燃烧成分、煤粉粒度、锅炉形式、燃烧状况以及收集方式等有关，主要含si02、A1203、Fe203、C幻、
23、MgO、903等，密度21kgm3-24 kgm3，容萤500 kg，m丸1000 kgrn3，粒度4900孔a膏，筛余-量3-20，比表面积800 cm2g19500 cm2g【2固。其中氧化硅、氧化钛来自黏土和岩页，氧化铁主要来自黄铁矿，氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。粉煤灰的元素组成(质量分数)如表11所示。表11粉煤灰的元素组成燃烧过程中形成的粉煤灰在排出冷却过程中，由于各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此会形成不同的物相。此外，粉煤灰中晶体矿物的含量与粉煤灰冷却速度有重要关系。一般情况下，冷却速度较快时，玻璃体含量较多：反之，玻璃体容易析晶。因此，从物相上讲，粉煤灰是晶体
24、矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。一般晶体矿物为石英、磁铁矿、莫来石、生石灰、氧化镁及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占一半以上。123粉煤灰的利用现状目前，世界性的能源危机、环境污染以及矿物资源的枯竭等问题强烈地激发了粉煤灰利用技术的开发和研究，粉煤灰治理的指导思想已从过去的单纯环境角度转变为综合治理、资源化利用，且粉煤灰的利用途径已从过去的路基、填方、混凝土掺和料、51绪论 硕士论文土壤改造等粗利用，发展到目前的水泥原料、水泥混合材料、泵送混凝土-大体积混凝土制品、高级滤料等高级化利用途径。目前，国家把资源综合利用作为经济建设的一项重大
25、经济技术政策，粉煤灰综合利用得到了蓬勃的发展。如今粉煤灰综合利用途径主要为以下几种：(1)回填利用粉煤灰回填低洼地、矿井塌陷、砖厂取土坑等，不需要对粉煤灰进行任何特殊的处理，方法简单，但容易产生二次污染，而且利用效率比较低。(2)筑路利用粉煤灰、石灰和碎石建设公路路基，不但可以节约用土，还可以提高路基的整体性和后期强度，虽然该方法用量大，但属低附加值应用。(3)粉煤灰混凝土为了节约水泥、改善混凝土性能，可在拌制混凝土时掺入粉煤灰，这种掺入粉煤灰与混凝土混合即为粉煤灰混凝土。粉煤灰在混凝土中，具有类似火山灰的活性作用，其活性成分si02和A1203与水泥水化产物Ca(OH)2反应， 生成水化硅酸
26、钙和水化铝酸钙，成为胶凝材料的一部分。粉煤灰中的微珠球状颗粒具有增大混凝土(砂浆)的流动性、减少泌水、改善和易性的作用，若保持流动性不变，则可起到减水作用。同时粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆中，填充孔隙，改善了混凝土的孔结构，提高混凝土的密实度，从而使混凝土的耐久性得到提高。(4)粉煤灰烧结砖或蒸养砖用粉煤灰代替粘土烧结出来的砖或蒸养砖，工艺简单，造价低廉，导热系数小，重量轻，强度与普通砖相差不大，但在具体应用中存在掺灰量较少的缺点。(5)粉煤灰空心砌砖粉煤灰空心砌砖是很有发展前途的墙体材料，空心质轻，砌筑方便，生产方法简单，成本低。利用粉煤灰、水泥和掺加少量外加剂就可以生产出性能优良的承
27、重砌块和非承重砌块，在该砌砖的生产中粉煤灰的掺加量大，是粉煤灰综合利用的重要途径。(6)粉煤灰砂浆粉煤灰、水泥、沙和少量外加剂就可以配成砌筑、抹灰、粘面砂浆，且在对粉煤灰的质量要求不高，也是粉煤灰应用的重要途径。(7)粉煤灰陶粒陶粒是人造轻集料的俗称。粉煤灰烧结陶粒是以粉煤灰为主要原料，掺加少量粘结剂、经混合成球，高温焙烧而制成的一种人造轻集料。其特点是容重轻、强度高、保温、隔热、隔音、耐火、吸水率小和抗冻性强。目前粉煤灰陶粒以其独具的性能已被广泛的应用于建筑、滤料等领域。6硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用124粉煤灰的利用新方向随着人们环保意识的日益提高和粉煤灰研究开
28、发技术的逐渐成熟，粉煤灰陶粒越来越引起人们的重视和利用29-331。许多发达国家的陶粒生产都以粉煤灰产品为主，约占总产量的6070，近年来，我国的陶粒生产也得到了快速发展。粉煤灰颗粒细微，由于表面张力的作用，大部分呈球形，表面疏松多孔，比表面积大，且具有一定的活性基团和吸附特性。其主要成份si02、A1203与生石灰、石膏等在一定条件下可生成水化硅酸盐和水化铝酸盐等，从而使陶粒获得强度。因此，粉煤灰成为近年来陶粒滤料的主要原材料之一。13粉煤灰陶粒的制备及应用概况131粉煤灰陶粒的发展传统的轻质陶粒滤料主要是用粘土制成，不仅成本偏高，还因大量挖掘粘土造成了自然生态环境的破坏。寻找一种性能优越且
29、环保的粘土替代物成为了打开生物陶粒滤料市场的关键点。粉煤灰的多孔结构和比较容易改性等特点为粉煤灰的综合利用打下了良好的基础【删。龙腾锐等【婀在这方面做了相关研究，他采用粉煤灰部分替代粘土，制作出性能优良的陶粒滤料，这不仅解决了轻质陶粒滤料存在的问题还为粉煤灰变废为宝奠定了基础。王健等【361将粉煤灰的用量由25提高到50，得到了性能优越的粉煤灰陶粒滤料。薛金凤【鲫、曾天敏【3司和李洪新【39j等人陆续对用部分粉煤灰替代粘土烧制陶粒滤料的条件和用量等进行了系统考察，为其推广提供了技术基础。粉煤灰陶粒与粘土陶粒相比，不仅具有粘土陶粒的所有优点，而且还避免了使用粘土而造成的生态系统的破坏，更令人看好
30、的是它使用粉煤灰替代粘土，不但降低了产品的生产成本，还解决了粉煤灰再利用问题。随着对粉煤灰陶粒研究的不断深入，无论是从制备工艺还是改性方面，粉煤灰陶粒变得越来越完美。段振山【409对制备全粉煤灰陶粒进行了研究，并对生产工艺和全粉煤灰陶粒厂的设计作了简要的介绍，使得陶粒完全脱离了对粘土的依赖。薛金凤37j、曾天敏【3司和李洪别399均对高温烧制法制备粉煤灰陶粒滤料进行了研究。为了降低能耗，进一步降低生产成本，王莉【411、冯乃谦旧、邵靖邦431和邹志犁删等人对制备粉煤灰陶粒技术进行了研究，摸索出技术可靠、经济可行的“免烧工艺”原料配方及相关工艺参数。此工艺不需经过烧结过程，只要养护就能达到所需强
31、度要求【45l。132粉煤灰陶粒的优缺点粉煤灰陶粒具有广泛的发展前景，在实际应用中有着很多优势，如性能优良、经济效益好、工程适应性强和应用范围广等4c。4“rj。据不完全数据统计，70年代以来，71绪论 硕士论文粉煤灰陶粒的制备主要是以粉煤灰为主要原料，采用烧结法制成，虽然使大量的粉煤灰废物利用，减少了粉煤灰对环境的危害，但是生产粉煤灰陶粒所使用的烧结法仍然存在着建厂投资大、工艺技术复杂、耗能高的问题。为达到充分节约能源、以废治废的目的，需进一步提高粉煤灰陶粒的经济效益和社会效益。污泥粉煤灰陶粒在粉煤灰中加入污泥，其具有普通粉煤灰陶粒的优点外，还克服了其缺点，从而成为今日粉煤灰陶粒研究的重中之
32、重，已成为粉煤灰陶粒制备的研究热点。133制备原理粉煤灰陶粒滤料的制备主要利用了粉煤灰中活性物质在水相中进行反应，生成具有一定强度的水化产物。物质与水反应的能力统称为物质的活性，主要包括物理活性和化学活性两个方面。其中，物理活性包括取代效应、吸附效应、形态效应和微集料效应；而化学活性包括温峰削减效应和活性效应嘲。物理活性是一切与自身化学元素性质无关，但又能促进制品胶结活性并改善制品性能的各种物理效应的总称。粉煤灰的物理活性是其能否利用的主要因素，其直接提供制品早期活性来源。而化学活性主要指它的火山灰活性，即粉煤灰与石灰或水泥水化生成的Ca(OH)2作用，进而生成水化硅酸钙和含铝水化物的性质。从
33、物相结构上看，粉煤灰的化学活性主要来自玻璃体而不是石英和莫来石，玻璃体的含量越高，粉煤灰的化学活性也越高；从化学成分上看，其活性主要来自游离的si02、A1203，它们的含量越高，粉煤灰的活性越好。为了激发粉煤灰潜在的活性，国内外科研工作者进行了大量的研究工作49-50。常用的粉煤灰活性激发措施有机械激发、热力激发和化学激发。(1)机械激发粉煤灰中的玻璃质颗粒是其火山灰活性的主要来源。粉煤灰的玻璃质颗粒外均包裹着一层坚硬玻璃质外壳，这层硬质玻璃体根据粉煤灰的细度不同而不同，从而影响粉煤灰的火山灰活性。因此，影响粉煤灰活性的重要因素是细度，粉煤灰越细，其火山灰活性活性就越高。机械激发正是基于这一
34、原理，通过提高粉煤灰的细度来增加粉煤灰的活性。(2)热力激发热力激发主要研究养护温度和持续时间对粉煤灰活性的影响。在水热条件下，粉煤灰玻璃体网络结构更容易被破坏，聚合体解聚成单聚体和双聚体，从而提高粉煤灰活性。实验研究表明：在粉煤灰取代率为40条件下，养护温度从20 oc升高到40 oc时，粉煤灰水泥净浆中粉煤灰水化开始的时间从28d提前到了7d，且一年龄期的水化程度也得到了提蒯51】。8硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用粉煤灰的活性随着养护温度的增高和持续时间的增长而增大，热力活化能在短期内改变粉煤灰的组成和物相结构，显著地提高粉煤灰的活性，充分发挥粉煤灰的活性潜能，但
35、这种活化方法能耗大，投资费用高，且长期存放可能导致活性损失【蛔。(3)化学激发粉煤灰活性化学激发有三种基本思路：一是破坏玻璃体表面光滑致密、牢固的SiDsi和siO-AI网络结构；二是“补钙”，提高水化体系的C利SiQ比；三是激发生成具有增强作用的水化产物或促进水化反应【56l。激发粉煤灰活性的激发剂主要是硫酸盐(Q804-2H20、C期4、Cas0_412H20和Na2鼢等)和强碱(KOH和NaOH等)，而氯盐(Cacl2和NaCI等)较少，相同条件下，氯盐的激发效果不及硫酸盐和强碱。在众多的研究成果中，对粉煤灰活性的化学激发是研究的热点，而激发剂的复合使用已成为粉煤灰化学激发的趋势。本课题
36、以减少水泥用量为目标，兼顾粉煤灰资源利用的环境效益，采用上述各种手段最大限度激发粉煤灰的活性，从而实现水泥用量的最小化，最终达到控制陶粒成本的目的。整个反应涉及到的因素很多，反应也极其复杂。由于粉煤灰经过高温熔融，结构也非常致密，因此它的水化速度比水泥慢。在实验的几种配料下，首先固体激发剂CaO迅速水解形成Ca(OH)2而溶于水，与此同时，水泥也优先进行水化，生成一部分C馥OH)2；在这种碱性条件下，粉煤灰的玻璃体表面的A12C)3和si02先溶解，随着反应的进行，粉煤灰玻璃体内部也受到了不同程度的侵蚀，玻璃体中的活性si02、A1203与Ca(OH)2反应生成具有胶凝性的水化硅酸钙、水化铝酸
37、钙。铝酸盐也迅速水化生成水化产物，而CaS04溶于水，与水化铝酸钙反应生成了少量的钙矾石，绝大部分水化产物是类似托勃莫来石类的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)，这是陶粒产生一定强度的主要原因。主要的几个反应如下所示12LCaO+H20=C,a(OH)23C扣si 02+n H20X CaOSi 02Y H2m(3-x)Ca(OH)22 CaOSi02+n H20x CdOsi02y H2C卜卜(2-x)Ca(OH)2X Ca(OH)2+Si 02+n H20一一一x Caosi 012n H20X Ca(OH)2+A1203+n H20CaOA12C)3n H20CaOA1203n H2C卜卜Ca
38、9042H20CdOA12C)3c舶4-(n+2)H20而生成的硅酸溶胶si02并不稳定，其中有一部分siO键型容易互相交联，形成网状聚合物；在碱性条件下，另有少量硅酸溶胶与粉煤灰玻璃体发生进一步反应。134粉煤灰陶粒的一般制备方法粉煤灰陶粒滤料的制备，包括预处理、配料、造粒、养护、高温焙烧等多个环节。(1)原材料的预处理91绪论 硕士论文原材料的预处理主要是将氧化钙等破碎球磨成一定尺寸的颗粒状物体，并过筛。(2)配料将前处理后的粉煤灰、水泥和氧化钙按一定比例进行简单混合，然后采用自制的物料混匀器，对其进行机械混匀30 min。通过这种方式，不仅能够使原材料更好的混匀，而且在物料混匀器的机械力
39、的作用下可促进粉煤灰的反应活性。(3)造粒目前陶粒制备研究中通常采用以下两种方法进行造粒成球。一种是向配好的料中加入25左右的水搅拌均匀，放入成型机内挤压成型并切割，然后在盘式造粒机中造粒得到球形颗粒状生料陶粒，粒径为3-6 mmr4”。另一种是将直径为30 cm的成球盘固定于倾斜的成球机平台上，开动开关后，在均匀旋转的过程中，喷入成球制剂，随着成球盘中料球的逐渐滚动，产生了一定的机械强度，直到料球滚到合适的大小便沿着成球盘边缘自动跳出【571。(4)养护为了获得高质量的陶粒，物料在造粒后必须在硬化的初期具有适宜的养护环境。养护的作用是使陶粒生料中各组分继续水化反应，生成更多的胶凝质水化物，提
40、高陶粒的早期强度。 (5)高温焙烧根据对城市生活污水污泥的差热分析得出，污泥中有机物在550 oG600 oC下可以完全燃烧，这个阶段出现大量气体，是闭口气孔形成的主要温度阶段，因此试样灼烧温度控制550 oC-600 oC，可以实现改善陶粒孔隙的目标，同时在高温焙烧过程中必须控制好升温速度，防止升温过快导致试样的变形。在烧成温度范围的控制上，必须控制在有机物完全氧化的范围，即550 oC-600 oC，烧成温度过高，将会导致力学性能下降，容易变形，烧成温度过低，坯体内部发泡程度低，影响试样的体积密度和孔隙结构。多孔陶粒试样的烧成温度控制在550 oC-600 oC，随着有机物的燃尽，坯体内部
41、形成大量的闭口气孔，为了防止焙烧过程中产生干裂现象，以达到最佳的焙烧结果，生料球需要先干燥并在一定温度下预热一定时间。135影响制备粉煤灰陶粒性能的主要参数(1)活性激发剂制备陶粒的活性激发剂主要有以下几类：水泥：呈粉末状，主要由三种矿物组成，属于高碱性材料，水泥的添加可以为粉煤灰的活化提供一个有效的碱性环境，利用水泥的碱性还可以腐蚀粉煤灰的玻璃体，使其表面变粗糙，从而增加粉煤灰的活性。加入的水泥可以作为激发剂和固化剂，有10硕士论文 新型粉煤灰陶粒的制备及其在曝气生物滤池中的应用效地提高陶粒的耐久性、耐水性和力学强度【68I。同时，水泥还具有粘结剂的作用，有助于物料形成球状体，从而提高陶粒的
42、机械强度和热稳定性【盯】。生石灰：呈粉末状，有效氧化钙CaO含量在60以上，是活性激发剂和胶凝材料的主要组分【剐。CaO对粉煤灰活性的激发，就其水化反应过程来看，最终参与反应的是Ca(OH)2，CaO加水搅拌后迅速消解成Ca(OH)2，Ca(OH)2对粉煤灰活性的激发是既提供破解siO、AIO键的OH，同时又提供能使粉煤灰水化生成水硬性胶凝材料所需要的C乎+，促进水化生成物转化成更稳定、强度更高的水化产物【5960。1 g CaO与水反应可生成132 g Ca(OH)2，CaO遇水消解产生大量的热量，这有利于粉煤灰的水化胶凝物质的生成和活性激发，同时CaO消解需要一部分水生成Ca(OH)2，可
43、以使浆体中游离水减少，硬化浆体中孔隙率降低，这些因素对于提高粉煤灰陶粒的抗压强度有重要影响，但是如果CaO掺量过大，导致水化反应后仍有大量游离的CaO存在，可tl己jI起体积安定性不良，CaO颗粒越粗，由游离CaO引起的体积安定性不良的可能性就越大，同时CaO消解会受到硫酸盐的抑制，将导致系统液相介质的OH浓度变小，进而降低碱性介质对粉煤灰网络四面体的破解能力，最终降低对粉煤灰活性的激发效烈61l。 石膏：呈粉末状，主要成分是溉2H20。C鸹042H20溶于水，C舒+参与火山灰反应，生成具有胶凝性的水化硅酸钙和水化铝酸钙；so?离子能够促使水化产物的转化，生成强度更高、更稳定的水化产物钙矾石【
44、硼。向粉煤灰陶粒中掺入石膏的作用主要体现在以下几方面6“21：提高陶粒的强度；对石灰的消化起抑制作用，在石灰中加入石膏后，能降低石灰的消解温度并延长消化时间，限制石灰消化时体积的膨胀，混合料中，石灰用量越大，这种影响越显著；提高陶粒的碳化和抗冻性能，掺入石膏后，陶粒的碳化性能、抗冻性能都比不掺石膏时高得多。但随着Ca90_4-2H20掺入量的增加，一方面过量的C瑚4-2H20会阻碍Ca(OH)2的溶解而不利于水化反应，另一方面也必然存在一些CaS042H20无法参与反应，从而影响粉煤灰陶粒的抗压强度的增长【铡，因此石膏用量一般控制在2t3。(2)发泡剂添加发泡剂，以改善陶粒的气孔结构，使气孔均匀整齐细化，大孔的数量大大减少，气孔间壁更加均匀厚实，有利于减少水分蒸发。而生活污水污泥中有机物在550“-600“0可以完全燃烧，这个阶段出现大量气体，在陶粒制备过程中引入生活污水污泥可以使陶粒表面及内
