成果简介本技术对现有的陶粒泡沫轻混凝土进行了改进， 获得成本低廉， 环保效果好，保温、 高强、 抗震的轻混凝土及轻混凝土墙板产品。上述轻混凝土加工成本同普通混凝土， 且加工和施工灵活， 可以直接浇注为建筑的轻混凝土构件， 也可以在工厂加工为轻质墙材的墙板和砌块， 配以专门高性能保温砂浆去建造自保温和抗震建筑， 大幅度减轻地基的荷载。该轻混凝土采用我校首先提出的轻质材料改性技术， 具有很大的技术优势，在结构材料的自保温、 抗震、 防火、 防水、 隔音， 以及大幅度降低住宅产业化的建造成本方面极具竞争力， 可使住宅产业化建筑的 PC 装配件的搬运成本降低 1/3以上。 该技术可以直接发展为高强轻混凝土制品， 如现浇轻混凝土、 轻混凝土砌块、 围护和分户隔墙用的系列轻质混凝土墙板， 用于建筑行业， 实现建筑节能70%以上的目标。 另外该技术中的 ECC 技术还可以用于高性能干混砂浆， 污泥陶粒还可以作为污水处理用的生物膜滤料和人工湿地的填充床骨料。成熟程度和所需建设条件污泥陶粒的加工已经完成竖炉和回转窑烧成的中试生产， 六安和镇江某陶粒加工企业已经开始用回转窑加工污泥烧胀陶粒。 用污泥陶粒原位发泡混凝土加工出的轻质墙板已经采用在住宅产业化的示范建筑上， 取得明显的建筑节能降耗的效果。所需建设条件： 1） 附近有污水处理厂和电厂， 分别提供水处理剩余污泥（湿泥） 和粉煤灰粗渣作为加工污泥陶粒的主要原料； 2） 轻混凝土的加工手段同普通混凝土加工手段， 墙板的生产可以采用立模生产工艺和平模浇注生产工艺， 其中平模浇注生产工艺可以自动化连续生产， 上述两个生产工艺设备目前已属成熟生产工艺设备， 安工大提出的平模浇注生产工艺已经申请发明专利。完整生产工艺的主要投资设备有： 1） 搅泥设备； 2） 成球机； 3） 烧成设备（回转窑或竖炉）； 4） 混凝土搅拌设备； 5） 墙板机（平模或立模）； 6） 养护设备。技术指标污泥陶粒的技术指标如下： 粒度 5-10mm； 筒压强度 3-8MPa； 吸水率≤10%，重金属溶出无害。墙 板 的 技 术 指 标 ： 导 热 系 数 ≤0.1W/m· K ； 抗 压 强 度 ≥5MPa ； 容 重≤800kg/cm3， 其余指标满足相关国标要求。市场分析和应用前景目前从建筑节能和节约土地的需要角度出发， 需要使用大量的轻质建筑材料使建筑能满足保温指标合格和使楼层加高需求， 同时多地区处于地震带更需要轻质、 高强、 整体性好的混凝土基建筑材料， 因此对作为轻质建材的主要基础材料轻骨料的依赖性越来越强。正在我国兴起的住宅产业化和目前普遍采用的框架结构建筑需要墙体在构造时结合点少、 整体性好、 建造速度快， 因此围护墙体、 分户墙体、 各类隔墙开始大规模需要低成本高性能的组装式轻质墙板， 因此上述产品的市场需要是越来越大。本项目开发的轻质骨料和轻质墙板都是建立在用水处理污泥和粉煤灰粗渣两种废弃物作为主原料的基础之上， 因此加工成本低廉、 加工过程具有显著的环保效果， 因此污泥陶粒和污泥陶粒基轻质墙板为具有很好市场前景的绿色建材产品， 尤其是在陶粒生产中直接采用湿污泥作为原料进行陶粒坯体加工， 解决了目前污泥干化难的问题， 使整个污泥陶粒及轻质墙板的加工成本比其他陶粒产品降低了 30%以上， 因此具有较好的市场前景。另外污泥陶粒还可以作为水处理用的滤料和各种人造湿地的填料。社会经济效益分析建设一条年产 3 万立方米污泥陶粒的生产线可以基本消纳一个中等城市污水处理厂的水处理湿态剩余污泥的合理处置问题， 彻底根治了水处理污泥的二次污染， 具有极高的环保价值。 后续产品轻质墙板使用后可以使墙体达到建筑节能70%以上的目标， 且可以减轻地基的承载， 使建筑整体性好， 因此具有很强的抗震作用。 污泥陶粒及轻质墙板可以同时解决污泥、 粉煤灰固废的资源化问题、 消除其二次污染问题， 且后端产品的节能降耗和减少二氧化碳排放效果显著， 抗震性能好， 因此社会效益极为显著。知识产权及成果获奖情况（1） “水处理污泥陶粒的低能耗加工” 项目， 2011 年通过了省科技厅组织专家验收鉴定， 评定成绩为优秀。（2）“水处理污泥资源化之陶粒产品的关键技术研究” 项目， 2013 年通过了省教育厅组织专家验收鉴定， 评定成绩为优秀。（3）“水处理污泥陶粒的低能耗加工” 获得了 2012 安徽省科技成果证书。（ 4） “ 一种用废纸造纸污泥制备陶粒的方法”， 发明专利， 专利号：ZL200810155372.6合作方式合作开发、 受托开发联系方式材料科学与工程学院 樊传刚电话： 0555-2311570； 手机： 13855578005； E-mail/ chgfan@ahut.edu.cn。

本技术对现有的陶粒泡沫轻混凝土进行了改进，获得成本低廉，环保效果好，保温、高强、抗震的轻混凝土及轻混凝土墙板产品。上述轻混凝土加工成本同普通混凝土，且加工和施工灵活，可以直接浇注为建筑的轻混凝土构件，也可以在工厂加工为轻质墙材的墙板和砌块，配以专门高性能保温砂浆去建造自保温和抗震建筑，大幅度减轻地基的荷载。该轻混凝土采用我校首先提出的轻质材料改性技术，具有很大的技术优势，在结构材料的自保温、抗震、防火、防水、隔音，以及大幅度降低住宅产业化的建造成本方面极具竞争力，可使住宅产业化建筑的 PC 装配件的搬运成本降低 1/3以上。该技术可以直接发展为高强轻混凝土制品，如现浇轻混凝土、轻混凝土砌块、围护和分户隔墙用的系列轻质混凝土墙板，用于建筑行业，实现建筑节能70%以上的目标。另外该技术中的 ECC 技术还可以用于高性能干混砂浆，污泥陶粒还可以作为污水处理用的生物膜滤料和人工湿地的填充床骨料。

项目概况 污水厂污泥的处理已经成为一个难题，和处理垃圾一样，大部分被填埋。由于城市污水的处理量越来越大（江阴市每天产生的污泥量达到900吨），不仅处理困难，而且污染环境。现阶段，很多污水厂的处理被送到发电厂进行焚烧，在一定程度上解决了污泥处理问题。但是由于污泥的含水量达到80%左右，因此，加入锅炉的污泥量仅仅为20%，从而大大限制了污泥的处理量。实验证明，如果将污泥的含水量降低到30%，送入锅炉的污泥量可以增加到50%。结果是：不仅增加了污泥处理量，而且解决燃煤减少排放，保护环境。 锅炉排放的尾部烟气的温度达到120以上，有些热电厂锅炉的排烟温度达到140℃。这些烟气直接排放到大气，造成大量热损失。为了降低污泥的含水量，设计了一套用锅炉排烟干化污泥的系统装置，利用这部分排烟热量来加热污泥。 该系统装置能够使用锅炉尾部烟气余热加热在锅炉中燃烧的污泥。经过该系统装置加热后污泥的含水量小于30%，从而使加入锅炉炉膛燃烧的污泥的含量增加，不仅节约能源、减少污染排放，而且不需要加热炉。 本系统装置在国内还未有使用先例，各环保电站正积极寻求解决方案。主要特点 该装置系统结合自动控制过程，克服使用蒸汽加热污泥的缺点，使用烟气余热加热污泥。更为重要的是，不采用加热炉床，采用污泥滚动加热法。不仅节约设备投资，而且节约处理空间。充分利用烟气循环的特点，使用烟气余热，对污泥加热。在污泥加热过程中为了防止产生大量的臭气，采用烟气再循环，将加热烟气重新送回锅炉燃烧，去除烟气中的臭气（有机物）。 技术指标1. 使用锅炉烟气余热加热污泥；2. 降低污泥含水量从80%降低到30%左右；3. 去除加热后烟气的臭味，保护环境；4. 不采用加热炉床，采用污泥滚动加热法；5. 可以实现自动控制过程。市场前景     各燃烧污泥发电厂为了增加污泥的燃烧量，都在积极寻求污泥加热方法和装置。而目前的主要加热系统采用蒸汽加热法，不仅耗能，而且装置复杂，占地大。而本装置采用烟气余热加热，不仅节能环保，而且投资少，占地面积小等特点。目前国内没有使用烟气加热的装置，具有很大的投资价值。

近年来，随着我国城市污水处理力度和污水处理设施建设的加快，城市污水处理率不断提高，污泥的安全处理处置问题日益突出。不少城市污水污泥处置未达到减量化、稳定化、无害化、资源化的要求，存在二次污染问题，已经成为污水处理的重要问题。 该技术充分利用锅炉热烟气对污泥进行加热干化，处理后直接回送到炉膛进行燃烧，回收了污泥中的热量，实现了对污泥的最大减量化、高温的环境彻底分解了二噁英等有害物质，充分利用火电厂已有的污染物处理装置，对污泥燃烧后的污染物实现了全部控制。

首次采用冶金电弧炉工艺熔融处理焚烧飞灰，开发了飞灰电弧炉熔融处理技术，降低了设备投资成本，研发了熔渣制备玻璃陶瓷新技术，制备的玻璃陶瓷性能指标优于大理石等天然建材。将垃圾焚烧飞灰熔融技术"嫁接"玻璃陶瓷制备工艺，开发了电弧炉熔渣制备玻璃陶瓷技术，构建了熔渣析晶模型，确定了熔渣制备玻璃陶瓷的配方、成型参数及热处理最佳工艺，制成的玻璃陶瓷产品性能达到或优于大理石、花岗岩，有效降低了飞灰熔融处理成本。

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一、 技术研发背景 （1 1 ）近年来我国垃圾焚烧飞灰产生量快速大幅增长，处置能力严重不足随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，生活垃圾产生量大幅增加，年产生垃圾量约为 2.5 亿 t，占世界总量的 1/4，相当长一段时间内还将以每年8%-10%的速度增长。目前我国垃圾焚烧飞灰的处置受场地和技术的制约越来越严重，局部地区已出现不能及时安全处置或处置成本过高而不能维持运行的尴尬局面，并严重阻碍了这部分地区生活垃圾处置由传统填埋向焚烧发电的转型。 （2 2 ）垃圾焚烧飞灰属于危险废物，需得到妥善处置根据《国家危险废物名录》，垃圾焚烧飞灰属于危险废物。垃圾焚烧飞灰对环境和人类生活的危害在于其重金属不能依靠水体和土壤自身的净化作用消除，只能迁移。由于重金属容易在生物体内聚积，随着时间的推移，当重金属在生物体内积聚到一定量以后就会导致生物体畸形或导致突变，甚至生物体死亡。重金属对人体的另一危害途径是通过食物链传递。例如，生活在重金属含量较高环境下的鱼、虾体内会富集重金属，一旦这些食物被人体摄入，经过一段时间的积累，就会对人体健康造成极大的危害。特别是发生在日本的由汞污染引起的“水俣病”和由镉污染引起的“骨痛病”事件、以及在欧洲陆续发现的由重金属污染导致的一系列公共卫生健康问题，都使重金属污染引起人们广泛的关注。垃圾焚烧飞灰中的二噁英是一种非常稳定的亲脂性固体化合物，可溶于大部分有机溶剂，容易在生物体内积累。二噁英的污染具有持久性、脂溶性和蓄积性等特点。 未来随着垃圾焚烧飞灰产量的快速增加，如果不能妥善解决无害化处置垃圾焚烧飞灰的问题，不但会制约垃圾焚烧产业的健康发展，同时会对该地区的环境造成严重影响。 （3 3 ）垃圾焚烧飞灰的处置问题已经受到了国家相关部门的高度重视2016 年 10 月，国家住建部、发改委、国土部、环保部联合发文《关于进一步加强城市生活垃圾焚烧处理工作的意见》（简称《意见》），意见提出在生活垃圾设施规划建设运行过程中，应当充分考虑垃圾焚烧飞灰处置出路，鼓励跨区域合作，提出“推进区域性垃圾焚烧飞灰配套处置工程建设”，统筹生活垃圾焚烧与垃圾焚烧飞灰处置设施建设，并开展垃圾焚烧飞灰资源化利用技术的研发与应用。 （4 4 ）北京地区的垃圾焚烧飞灰处置问题十分迫切截止至 2017 年底北京市已建成并投产 5 座垃圾焚烧厂：鲁家山垃圾焚烧厂、高安屯垃圾焚烧厂、海淀大工村垃圾焚烧厂，顺义垃圾焚烧厂，南宫生活垃圾焚烧厂，2018 年北京市正在加紧推进建设阿苏卫、通州、顺义二期、密云、怀柔 5处垃圾焚烧厂，按照规划到“十三五”末，北京市垃圾焚烧飞灰年产生量将达35 万吨以上，目前北京市的垃圾焚烧飞灰处置方式主要为水泥窑协同处置和制备陶粒资源化利用，这两种处置方式的消纳能力无法满足北京市的需求，垃圾焚烧飞灰无害化处置迫在眉睫。基于以上现状，研发团队开发出了一种可安全并大规模资源化利用垃圾焚烧飞灰的新技术¬——深部胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术。 二、技术原理 （1 1 ） 全固废充填料强度形成机理 胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术充分利用了“硅的四配位同构化效应”和“复盐效应”。钙矾石（Ca 6 Al 2 (SO 4 ) 3 ·(OH) 12 ·26H 2 O）是普通水泥混凝土中最常见的复盐矿物，也是大部分地下采矿胶结充填硬化体中最常见的复盐矿物。钙矾石的溶度积常数为 1.1*10-40 。本项目组的前期研究结果表明，钙矾石在水中的饱和铝离子浓度比水淬高炉矿渣微粉在水中的饱和铝离子浓度低10 倍以上。因此在有足够 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 离子供给的体系中，钙矾石的结晶将能持续促进水淬高炉矿渣微粉中的铝氧四面体从矿渣的玻璃体网络中体解出来，从而促进矿渣中较高聚合度的硅-铝氧四面体的链接被破坏，形成大量的活性硅氧四面体或硅氧四面体团，为发生硅的四配位同构化效应或形成 C-S-H 凝胶奠定基础。其中钢渣主要为胶凝体系要提供 Ca2+ 、OH - 和少量硅氧四面体。而钢渣中的 Mg2+ 和 Fe 2+ 在胶凝体系中起到与 Ca 2+ 类似的作用。较大量的脱硫石膏主要为体系提供源源不断的 Ca2+ 和 SO42- 。垃圾焚烧飞灰的主要成分为垃圾焚烧后产生的无机物和重金属等，当烟气净化采用干式或半干式反应法时，另含有一些反应生成物（如 CaCl 2 、CaSO 4 ）和部分未完全反应的 Ca(OH) 2 等物质。可为胶凝体系提供大量的 Ca2+ 、OH - 和 SO42- 。同时垃圾焚烧飞灰中有含量较高的 Cl- ，在矿渣水化过程中会形成含氯水化产物水化氯铝酸钙，氯盐在矿渣水化过程中会形成 NaOH 等碱性物质，提高液相碱度，促进矿渣水化的进一步进行。 （2 2 ）重金属固化的机理 胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰技术在胶凝材料的水化过程中实现了对垃圾焚烧飞灰中重金属的固化，胶凝材料的主要水化产物为钙矾石、C-S-H 凝胶和类沸石矿物等，几种产物对该体系固化重金属均有贡献。重金属元素能够以类质同象的方式进入钙矾石的晶格而被固化，而 C-S-H凝胶具有很强的吸附重金属的能力。另一方面，以砷菱铅矾-砷铅铁矾类复盐矿物（(Pb, H+ )(Al 3+ , Fe 3+ , Fe 2+ )3 (SO 42- , AsO43- )2 (OH) 6 ）为代表的含砷铅矾类复盐矿物也可以在砷、铅化合物的参与下快速消耗溶液中的 Al3+ 、Fe 3+ 、Fe 2+ 、OH - 和 SO42-等离子，因此也能促进体系中矿渣微粉、钢渣微粉和脱硫石膏的消耗，这类复盐在水中的溶解度极低。在较高 pH 值条件下，这类复盐的结晶可以使砷和铅在水中的浓度都达到饮用水的标准。近些年的研究结果还表明，砷和铅可以进入类沸石相的水化硅铝网络体中平衡电荷，或作为网络体骨干的一部分而被高度固化。 （3 3 ）二噁英固化的机理 二噁英（dioxin，DXN），化学名为二氧杂环乙烷，标准状态下一般呈白色固体，无色无味；熔点约为 303～305℃，当温度达到 705℃以上时开始分解；难溶于水，美国环保局（US EPA，1900）推荐 2，3，7，8—TCDD 的水溶解度为 19.3ng/L，易溶于有机溶剂和脂肪；二噁英的蒸气压很低，大致为 8.3×10-13 ～4.8×10 -8 mmHg，一般随取代氯原子数目的增加而降低，在大气环境中超过 80%的二噁英分布在大气颗粒物中。大部分的二噁英在生物体内不易被代谢，具有生物蓄积与生物放大作用。现行的垃圾焚烧技术的炉内温度可以达到 850℃～900℃，绝大部分二噁英已经被分解，加之二噁英具有极低的溶解度和饱和蒸汽压和极高的脂溶性，所以垃圾焚烧飞灰中二噁英通过溶解于水中和挥发传播的比例很小，只可能通过随垃圾焚烧飞灰颗粒进入土壤和水环境以造成污染，本技术通过物理包裹的方法断绝了其污染传播途径，具体为矿渣基胶凝材料-垃圾焚烧飞灰水化反应所形成的固化体系中含有大量的 C-S-H 凝胶，其紧致的结构可降低整体固化体的渗透性，把含二噁英颗粒包裹固定其中。

研发了小城镇城市污泥消化处理的 集成技术。主要包含两类集成技术，即内循环污泥浓缩消化(ICSTD)和两相 一体式污泥浓缩化反应器(TISTD) ICSTD反应器提出了污泥浓缩消化一体化的新工艺，实现了污泥在浓缩过 程中消化，在消化过程中浓缩，且浓缩功能与消化功能相互促进，是污泥浓缩 与污泥厌氧消化领域的一个突破。ICSTD反应器启动时间快。高负荷启动时， 35天启动完成，比普通厌氧消化反应器提前了至少10天。ICSTD反应器的消 化效果良好，具有较好的浓缩效果。具有较强的抗冲击负荷能力温度对ICSTD 反应器的影响较大。通过试验研究表明，在中温条件污泥的厌氧消化效果明显 好于在常温条件下，中温下有机物去除率在54. 1%〜86. 3%,常温下有机物去除 率在36. 5%〜72. 8%。TISTD反应器外反应室一定的推流形态的存在有利于降低出水的SS值，确 保外反应室的浓缩效果；内反应室的完全混合流形态有利于厌氧菌群与剩余污泥 基质的接触，强化了传质过程，提高了反应器的处理效能。在中温条件(33~37。0 下，反应器运行状况良好，在最优投配率30%的时候，即水力停留时间为3. 33 天时，当进泥含水率在99. 43^99. 69%之间，进泥VS/TS在0. 62~0. 77之间，排 泥含水率在89. 52%~93. 51%之间,排泥VS/TS在0. 21~0. 28范围，排水SS在 0. 15~0.6g/L之间。其浓缩效果、消化效果优于普通浓缩池、消化池。TISTD反 应器在一定程度上实现了产酸相和产甲烷相的分级；生物相检测结果表明，运行 起来后反应器内厌氧生物种类繁多，内反应室形态上类似产甲烷丝菌和甲烷八叠 球菌的厌氧菌较多。因此，消化效果良好，经济效益显著。

作为一种生态型的生活污水处理方法，蚯蚓生物滤池具有处理成本低廉、运行管理 简便、占地面积小及污水污泥同步资源化的技术特点。处理好的污水完全达到国家《城 镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）相应标准，可直接用于灌溉农田；产 生的蚓粪污泥可作为有机肥还田。该技术资源化程度高、二次污染低、管理要求低、工 程造价及运行费用低、占地面积低，操作管理简便，无异味，无噪音，十分符合农村日 常管理。 

超声波强化污水、污泥处理技术将高低强度超声波结合应用于强化污水、污泥生物处理。根据高强度超声波的空化效应和自由基氧化特性可将其用于高效处理难降解的有机废水如焦化、染料、农药、制造工业废水，高强度超声波作用于污泥还可以有效促进污泥减量化和稳定化；而低强度超声波作用于污水生物处理过程，由于其促进传质、增加微生物的酶活力以及加速细胞生长的作用，可有效提高微生物去除有机物和脱氮除磷的效率。 本技术可同时强化污水、污泥的生物处理而不需增加额外土建设施，因此是非常经济和高效的污水强化处理方法；采用物理强化手段，而不需投加任何化学药剂和生物菌剂，易于实现自动化控制，简便易行。因此，该强化技术非常适应我国污水处理事业的发展需要，应用前景非常广阔。