石穩(wěn)民，黃文海，羅金學(xué)，邱震寰，鄒 靜

(1. 中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司，武漢 430056；2.中建三局水務(wù)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院，武漢 430014)

引 言

隨著我國(guó)水環(huán)境治理工作的全面展開，越來越多的河湖底泥清淤工程得到實(shí)施，同時(shí)產(chǎn)生了數(shù)量巨大的清淤底泥。疏浚底泥含水率高、強(qiáng)度低，往往含有病原菌、重金屬和有毒有害難降解有機(jī)物等有害成分，必須對(duì)其進(jìn)行安全、妥善處理與處置[1-2]。常見的淤泥處理處置方式主要包括脫水填埋、土地利用、建材利用等[3]。底泥脫水填埋需占用大量寶貴的土地資源，而土地利用則有二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)消納量有限。而底泥建材利用一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底泥污染物的有效封固，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)底泥的資源化利用，因而受到越來越多的關(guān)注。

陶粒輕集料是一種重要的建筑原料，由于其表觀密度小，孔隙較多，力學(xué)性能較高，因而具有質(zhì)輕、耐腐蝕、抗凍、抗震和隔熱等特點(diǎn)，同時(shí)表面粗糙多孔，被廣泛應(yīng)用于建筑、水處理、吸聲材料等方面。然而，陶粒的主要生產(chǎn)原料粘土和頁巖屬于不可再生資源，國(guó)家已出臺(tái)相關(guān)政策禁止開采或限制開采[4]。河湖底泥的主要化學(xué)成分與制備陶粒的原料相近[5-6]，許多學(xué)者利用河湖底泥替代粘土或頁巖等不可再生資源制備陶粒并取得了一定的研究成果，利用河湖淤泥生產(chǎn)新型建材是未來淤泥資源化的重要途徑之一。

本文結(jié)合河湖底泥的化學(xué)組成和礦物成分分析，探討了利用河湖淤泥制備陶粒的可行性。概括了近些年來利用河湖底泥為主要原料制備陶粒的研究現(xiàn)狀，對(duì)陶粒制備工藝進(jìn)行了探討，對(duì)淤泥陶粒的主要影響因素如摻加輔料、原料化學(xué)成分、焙燒機(jī)制等進(jìn)行了詳細(xì)分析，并總結(jié)了底泥陶粒的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為河湖底泥資源化的研究與發(fā)展提供借鑒。

1 河湖淤泥制備陶粒的可行性分析

目前陶粒輕集料的生產(chǎn)以燒結(jié)法最為普遍。陶粒燒制的基本原理是以原料中的SiO2和Al2O3為主要成陶成分，在高溫條件下與Na2O、K2O、MgO等熔劑氧化物形成熔融的硅酸鹽化合物，并與氧化鐵和碳等發(fā)氣物質(zhì)發(fā)生內(nèi)部氧化反應(yīng)，產(chǎn)生水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳和氫氣等氣體，在內(nèi)部形成微小密閉的氣孔，同時(shí)在表面形成釉質(zhì)外殼[7-8]。

根據(jù)Riley[9]的研究結(jié)果，燒制陶粒輕集料必須滿足兩個(gè)基本條件：一是原料在高溫條件下能釋放出足夠多的氣體，即含有伊利石、赤鐵礦、黃鐵礦、白云石等發(fā)氣成分；二是在高溫條件下，產(chǎn)生足夠的熔融態(tài)的玻璃相，從而包裹住內(nèi)部產(chǎn)生的氣體；當(dāng)原料化學(xué)成分組成位于SiO2、Al2O3及助融成分(CaO、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3及FeO)組成的三相圖膨脹區(qū)時(shí)，可作為燒制陶粒的原料。生產(chǎn)陶粒輕集料的主要原料(黏土、頁巖)及理論成分要求范圍如表1所示[7, 10]，當(dāng)所用陶粒原料的化學(xué)成份按質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于SiO248%～65%, Al2O314%～20%, Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等熔劑之和13%～26%范圍內(nèi)時(shí)，焙燒所得的陶粒輕集料具有良好的膨脹性能[10]。

表1 生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒的原料化學(xué)成分范圍Tab.1 Chemical composition of raw material for lightweight aggregate ceramsite production (%)

河湖淤泥的主要成分為SiO2和Al2O3等氧化物成分，同時(shí)含有一定含量的Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O等助融氧化物成分，與陶粒制備原料

組分十分相似，具備資源化制備陶粒的可能。表2列出了我國(guó)部分河湖淤泥的主要化學(xué)成分。

表2 我國(guó)部分河湖淤泥化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of dredged sediment in China (%)

由表2可知，我國(guó)大部分河湖淤泥的成分配比(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+RO+R2O)均在區(qū)間3.5～10之間[4]，符合燒制陶粒輕集料的原材料組分要求，因此可資源化制備陶粒?？紤]到各地淤泥性質(zhì)差異，可能存在部分淤泥組成成分偏離最佳范圍的情況(如SiO2含量偏低、Al2O3含量偏高、燒失量偏大等)，研究人員通過摻加其它工業(yè)固廢如粉煤灰[18]、鋼渣[8, 13]等來進(jìn)行配比調(diào)節(jié)，以優(yōu)化陶粒的原材料化學(xué)組成，使其達(dá)到合適的范圍?？傮w來看，絕大部分河湖淤泥組成成分與燒制陶粒成分要求相符，可直接用于燒制淤泥陶粒；部分淤泥成分稍有偏差的，也可通過摻加輔料后進(jìn)行成分調(diào)節(jié)從而滿足要求。因而，利用河湖淤泥輔以其它工業(yè)固廢等來燒制陶粒輕集料是可行的。

2 河湖淤泥制備陶粒工藝及關(guān)鍵影響因素

2.1 制備工藝

總體來看，利用淤泥制備陶粒輕集料的工藝流程主要有原料預(yù)處理、底泥性質(zhì)分析、配料、混合、成型、干燥、預(yù)熱、焙燒、冷卻、篩分等過程，其制備工藝流程如下圖所示。

圖 河湖淤泥制備陶粒工藝流程Fig. The process of the preparation of lightweight aggregate ceramsite from river and lake sediment

2.1.1 原料預(yù)處理

清淤底泥未經(jīng)處理時(shí)，往往含有較多的雜質(zhì)，需要經(jīng)過除雜、除沙、陳化等預(yù)處理步驟。首先采用格柵、沉砂池等去除生活垃圾和料漿石塊，對(duì)于細(xì)小雜質(zhì)，可通過調(diào)節(jié)凈化篩板來分離[19]。其次，一般河湖淤泥中、下層淤泥含沙量較大，不適合直接用來制備陶粒，需采用濕法分選或濃縮處理進(jìn)行脫砂處理[20]。清淤淤泥各部分性質(zhì)不一，不利于陶粒制備，可采用堆場(chǎng)陳化或陳化庫貯存的方式提高淤泥的勻質(zhì)性[21]。

2.1.2 淤泥性質(zhì)分析

一般淤泥的含水率、顆粒度、塑性指數(shù)、化學(xué)成分、礦物成分等對(duì)淤泥陶粒輕集料的燒制有較大的影響，因而，在燒制前須對(duì)這些性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定及分析。研究表明，淤泥原料中小于5μm的顆粒應(yīng)大于50%，5～50μm的顆粒應(yīng)大于25%，大于50μm的顆粒應(yīng)小于25%[19]。當(dāng)小于5μm的顆粒含量大于60%時(shí)，說明淤泥具備良好的可塑性[17]。通過對(duì)陶粒制備的原料研究發(fā)現(xiàn)，陶粒原料的可塑性與陶粒的容重成反比。當(dāng)原料塑性指數(shù)小于15時(shí)，原料料球的強(qiáng)度較低，不利于陶粒制備[22]。

礦物成分是影響陶粒燒脹的重要因素。淤泥中礦物成分如伊利石、蒙脫石、沸石、綠泥石等都是致膨脹的有效礦物[22]。研究發(fā)現(xiàn)這些礦物成分顆粒較細(xì)，一般含層間水或化合水，在加熱和高溫過程中起著良好的助膨作用。

2.1.3 配料

由第1節(jié)可知，當(dāng)原料的化學(xué)組成在一定范圍內(nèi)時(shí)，陶粒具有較好的燒脹性能。根據(jù)陶粒的不同功能需求和用途，需合理配置原料組成[7]，淤泥中可摻加不同成分的其它物質(zhì)，如粉煤灰、污泥、鋼渣、廢玻璃等[23]，以調(diào)整組分比例，達(dá)到最大程度利用工業(yè)固體廢物和實(shí)現(xiàn)陶粒性能需求的目的。有研究表明[24]，原料中硅、鋁氧化物與助融成分(Fe2O3、RO和R2O)的比值在3.5～10之間時(shí)，制備的陶粒性能較好。比值較低，陶粒燒成溫度低，對(duì)膨脹有利；而比值較高時(shí)，燒成溫度也過高，造成能源浪費(fèi)。

2.1.4 混合成型

配料完成后，需對(duì)不同原料進(jìn)行均化處理，一般采用攪拌機(jī)攪拌的方式對(duì)原料進(jìn)行充分混合?；旌铣浞趾?，需對(duì)生料進(jìn)行造粒成型，常用的造粒方法有塑化法、干法、泥漿法或粉末成球法、成球筒成球、對(duì)輥擠壓成球、成球盤成球等[7, 19]。其中粉末成型法應(yīng)用較廣，成型后生料含水率控制在10%～30%[25]，水分過低不易成型，水分過高則容易炸裂。當(dāng)采用塑性造粒時(shí)，需在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上增加輪碾、對(duì)輥或攪拌等強(qiáng)化工序，以保證良好的生產(chǎn)效能[19]。

2.1.5 干燥預(yù)熱

為了防止焙燒過程因溫度巨變而引起料球炸裂，一般生料需經(jīng)過干燥和預(yù)熱，通常把這兩個(gè)過程稱為預(yù)燒工藝。成型好的生陶粒一般在105±5℃下烘干4h以上，避免高溫下出現(xiàn)裂紋或炸裂[19]。經(jīng)過干燥后，生料進(jìn)入預(yù)熱階段，預(yù)燒溫度和預(yù)燒時(shí)間應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

預(yù)燒制度直接影響淤泥陶粒輕集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，預(yù)燒溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致陶粒膨脹效果不佳。一般預(yù)熱溫度為500～600℃，時(shí)間在9～11 min，預(yù)燒后燒失量3%～5%[7, 19]。

2.1.6 焙燒

焙燒是陶粒生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，焙燒條件直接影響陶粒輕集料的筒壓強(qiáng)度、表觀密度、堆積密度和吸水率等性能，基于陶粒性能要求和用途的差異，陶粒輕集料的焙燒條件有所不同。目前焙燒方式主要有燒結(jié)機(jī)、機(jī)械立窯、輪轉(zhuǎn)窯及回轉(zhuǎn)窯等幾種[26-27]，在燒脹溫度范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)物料出現(xiàn)玻璃化的適宜液相量及黏度關(guān)系，合理確定焙燒時(shí)間。

燒脹型陶粒輕集料一般采用快燒制度，因?yàn)榱锨蛟?00℃時(shí)開始產(chǎn)生氣體，若采用慢燒制度，當(dāng)溫度緩慢升到1 200℃時(shí)，氣體已逸散，從而達(dá)不到膨脹的效果[19]。研究表明[7, 19]，焙燒溫度一般控制在1 000～1 250℃，其中1 050±50℃較為普遍，焙燒時(shí)間為10～35min。若需提高陶粒輕集料的強(qiáng)度，則焙燒時(shí)間相比超輕陶粒需適當(dāng)延長(zhǎng)5～8 min，以保證有充足的液相成分生成從而包裹料球。

2.1.7 冷卻

冷卻的目的是讓高溫熔融的料球表面逐漸堅(jiān)硬，同時(shí)在料球內(nèi)部形成閉合氣孔，提高陶粒強(qiáng)度，降低吸水率。研究發(fā)現(xiàn)，降溫過快，容易因料球內(nèi)外溫差過大，產(chǎn)生熱應(yīng)力而使陶粒產(chǎn)生微小裂紋，導(dǎo)致陶粒強(qiáng)度的下降。

理論與實(shí)踐表明，在700～400℃冷卻過程中，需降低冷卻速度，冷卻速度過快會(huì)產(chǎn)生石英晶型轉(zhuǎn)變從而引起體積變化，降低陶粒的物理性能[19]。在實(shí)際生產(chǎn)中，700～400℃的降溫速率一般小于50℃/min，而從最高焙燒溫度到700℃，可加快冷卻速度，降溫速率可大于100℃/min。

2.2 關(guān)鍵影響因素分析

2.2.1 添加輔料的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，直接通過河湖淤泥單獨(dú)燒制陶粒的研究相對(duì)較少，一般需摻加部分工業(yè)固廢如粉煤灰、鋼渣或其他粘接劑、造孔劑等來改善原料配比和優(yōu)化陶粒性能[8]。

楊曉華等[28]利用河道淤泥、打樁淤泥、頁巖為主要原料，以生物污泥為輔料制備陶粒。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物污泥的最佳摻入量為10%～15%，隨著污泥摻入比例的增大，陶粒吸水率和表觀密度亦隨之增大。朱哲等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，摻加粉煤灰成分可有效改善單獨(dú)淤泥制備陶粒過程中的燒失量過大的問題，從而提升淤泥陶粒的性能。高紅杰等[30]以河道底泥為主料，硅酸鈉、碳酸鈣為添加劑制備陶粒，當(dāng)細(xì)河底泥、碳酸鈣、硅酸鈉及氧化鋁的混合比例為500∶10∶20∶1時(shí)，陶粒各項(xiàng)性能良好。輔料中硅酸鈉可作為粘接劑，提高原料的黏結(jié)性，從而有利于料球成型；碳酸鈣在高溫條件下可分解產(chǎn)生CO2氣體，從而促進(jìn)陶粒膨脹[31]。曹振等[13]以淤泥和鋼渣為原料燒制陶粒，當(dāng)鋼渣摻量為0～10%時(shí)，陶粒的強(qiáng)度隨著鋼渣含量的增加而降低。當(dāng)鋼渣含量超過15%時(shí)，陶粒表觀密度隨著鋼渣含量增加而增大。當(dāng)鋼渣含量為40%時(shí)，陶粒內(nèi)部氣孔大且聯(lián)通，但表觀密度已超出相應(yīng)規(guī)范要求。蔡爽等[32]以東湖淤泥為主要成分，粉煤灰為校正組分，同時(shí)摻加Fe2O3粉末，制備出了輕質(zhì)高強(qiáng)低吸水率的淤泥陶粒。研究表明，F(xiàn)e2O3粉末的摻加可有效有提高淤泥陶粒的膨脹性能，促進(jìn)孔隙生成，從而形成更多內(nèi)部連通孔，調(diào)控陶粒孔隙結(jié)構(gòu)。潘嘉芬等[33]利用河道淤泥輔以工業(yè)固廢粉煤灰、拜耳法赤泥等制備淤泥陶粒，為改燒陶?？紫督Y(jié)構(gòu)，還添加碳酸鈣和碳粉作為造孔劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著造孔劑含量的增加，陶粒比重相應(yīng)下降，比表面積增大，有利于污染物的吸附，而當(dāng)造孔劑含量超過一定范圍后，陶粒的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致破碎率指標(biāo)難以滿足水處理濾料規(guī)范要求。

綜上，由于淤泥成分的差異，在資源化制備陶粒的過程中需基于陶粒性能需求，合理進(jìn)行輔料的摻加，通過多次試驗(yàn)研究確定最佳配比，從而獲得更優(yōu)性能的陶粒產(chǎn)品。

2.2.2 原料化學(xué)組成的影響

淤泥陶粒原料化學(xué)組成將對(duì)陶粒筒壓強(qiáng)度、表觀密度、堆積密度、吸水率以及重金屬封固等性能產(chǎn)生影響。

原料中的無機(jī)氧化物(SiO2、Al2O3等)控制了玻璃相的粘度，進(jìn)一步控制了氣體釋放引起的微孔結(jié)構(gòu)變化[34]。研究表明[35]，當(dāng)原料SiO2含量增大時(shí)，陶粒的密度會(huì)相應(yīng)增大；當(dāng)Al2O3的含量低于18%時(shí)，陶粒的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)降低，但SiO2的含量對(duì)陶粒強(qiáng)度影響較小。Yun Cao等[36]研究發(fā)現(xiàn)，SiO2組分的加入增加了陶粒固相反應(yīng)中各種物質(zhì)的活性；過量的Al2O3成分則抑制了陶粒內(nèi)部有效晶體的形成，從而造成了陶粒晶體結(jié)構(gòu)的缺陷；而CaO的加入催生了更多的CO2氣體，使陶粒輕集料內(nèi)部變得更加粗糙和多孔。Mingwei Liu等[34]研究了SiO2和Al2O3含量對(duì)陶粒物理特性、形態(tài)結(jié)構(gòu)、晶相及重金屬穩(wěn)定性的影響，當(dāng)SiO2含量在30%～45%之間，Al2O3含量在11%～19%之間時(shí)，可獲得筒壓強(qiáng)度最高、孔隙率最低、重金屬封固性能最佳的陶粒輕集料。J.L. Zou等[21]研究了CaO、Fe2O3和MgO對(duì)陶粒性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在6%～8%范圍內(nèi)，增加Fe2O3含量可以得到更復(fù)雜的結(jié)晶相和較少孔隙的高強(qiáng)度陶粒；當(dāng)CaO含量在5%～7%時(shí)，可以得到孔隙豐富、無定形相較低的陶粒；而原料中MgO含量對(duì)陶粒性能的影響較小。Yi-Chong Liao等[37]研究了CaO摻量對(duì)淤泥陶粒性能的影響，在CaO摻量為1%時(shí)，陶粒各項(xiàng)指標(biāo)較好。但隨著CaO摻入量的增加，陶粒吸水率和筒壓強(qiáng)度逐漸下降，原因是形成了較多的玻璃相封閉了內(nèi)部孔隙，從而導(dǎo)致孔隙間的連接減少。Mingwei Liu等[23]研究了原料質(zhì)量比K(Fe2O3+CaO+MgO/SiO2+Al2O3)對(duì)陶粒輕集料性能的影響。當(dāng)K在0.13～0.30時(shí)，陶粒吸水率和酸溶解率較低，同時(shí)能獲得較高的堆積密度。當(dāng)K為0.2時(shí)，控制SiO2∶Al2O3的質(zhì)量比在4∶1～1∶1范圍內(nèi)，F(xiàn)e2O3∶CaO∶MgO的質(zhì)量比在5∶2.2∶1～1.7∶1.9∶1范圍內(nèi)，可制得具有理想物理性能的高強(qiáng)淤泥陶粒，最大筒壓強(qiáng)度可達(dá)17.07 MPa。此外，研究還發(fā)現(xiàn)原料質(zhì)量比K值與陶粒中重金屬浸出量有著較大的相關(guān)性。

綜上，在進(jìn)行陶粒制備時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原料化學(xué)組成和礦物成分的分析，以理論數(shù)據(jù)和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定最優(yōu)的原料配比。此外，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)原料組分對(duì)陶粒性能的影響機(jī)理研究，積極建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫、方法庫等，為其它淤泥資源化制備陶粒提供理論支撐和決策依據(jù)。

2.2.3 焙燒機(jī)制的影響

焙燒機(jī)制對(duì)陶粒性能的影響主要包括預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、焙燒溫度、焙燒時(shí)間等[29]。

蔡爽等[32]采用正交設(shè)計(jì)研究了焙燒溫度、焙燒時(shí)間、預(yù)燒溫度、預(yù)燒時(shí)間對(duì)陶粒性能的影響。預(yù)燒溫度和預(yù)燒時(shí)間的變化對(duì)淤泥-粉煤灰陶粒的表觀密度影響不顯著；隨著焙燒溫度升高，陶粒吸水率下降；單顆粒筒壓強(qiáng)度隨焙燒溫度提高而大幅降低。劉晨等[38]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)燒時(shí)間的長(zhǎng)短主要影響淤泥陶粒中結(jié)合水、有機(jī)質(zhì)是否反應(yīng)充分，實(shí)驗(yàn)最佳預(yù)燒時(shí)間為20min，而燒結(jié)溫度會(huì)影響高溫下物料間固相反應(yīng)擴(kuò)散和傳質(zhì)效率，溫度越高反應(yīng)活性越強(qiáng)，發(fā)泡效果越好。曹振等[13]研究了焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)鋼渣摻雜淤泥陶粒性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng)，所燒出陶粒的強(qiáng)度和表觀密度均有所下降。劉爽等[39]發(fā)現(xiàn)，隨著焙燒時(shí)間延長(zhǎng)，樣品產(chǎn)氣膨脹氣孔率增加，強(qiáng)度降低；繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，坯體液相流動(dòng)填充孔隙，密實(shí)性增加，強(qiáng)度也增大。在預(yù)熱溫度400℃，預(yù)熱時(shí)間30min，焙燒溫度1 225℃，焙燒時(shí)間12min的條件下，燒制的淤泥陶粒性能符合工業(yè)廢渣輕集料標(biāo)準(zhǔn)的要求。武勝萍等[17]研究了焙燒溫度對(duì)淤泥陶粒外觀、力學(xué)性能、礦物組成的影響。隨著燒結(jié)溫度的升高，陶粒顏色由磚紅色逐漸變?yōu)樽睾谏樟５亩逊e密度和表觀密度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。Yi-Chong Liao等[40]研究了不同熱處理方式對(duì)淤泥陶粒性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，延長(zhǎng)焙燒時(shí)間和提高加熱速率促進(jìn)了膨脹行為，從而降低了容重，由于玻璃相的形成，各系列樣品的吸水率均隨焙燒溫度的升高而降低。Mingwei Liu等[41]研究了焙燒溫度對(duì)淤泥陶粒性能的影響，1 100℃為最佳焙燒溫度，可制得堆積密度和顆粒密度分別為836 kg/m3和1 672 kg/m3的陶粒輕集料，同時(shí)提高燒結(jié)溫度也促進(jìn)了淤泥中重金屬的結(jié)合封固，在1 050℃以上焙燒溫度條件下，重金屬的浸出量極低。

常見的淤泥陶粒焙燒機(jī)制匯總?cè)缦卤?所示。由表3可知，預(yù)熱溫度一般在400～600℃之間，預(yù)熱時(shí)間一般為10～20min，焙燒溫度一般在1 100～1 200℃之間，焙燒時(shí)間在10～20min之間，實(shí)際最佳焙燒條件需結(jié)合原料配比和陶粒性能需求，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果確定。

預(yù)熱制度主要對(duì)陶粒中水分和有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響，從而影響陶粒的強(qiáng)度和表觀密度。相比預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間，焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)陶粒性能影響更大，焙燒溫度高，發(fā)氣組分生成氣體含量增加，膨脹效果良好，溫度過高，則會(huì)導(dǎo)致陶粒破裂。焙燒時(shí)間延長(zhǎng)，陶粒表面液相增加，導(dǎo)致吸水率和表觀密度迅速下降。此外，焙燒制度不僅影響陶粒性能，同時(shí)也是陶粒制備工藝耗能的主要來源，對(duì)陶粒的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性能影響顯著。

表3 淤泥陶粒的典型焙燒機(jī)制Tab.3 Typical sintering system of ceramsite manufactured from sediment

3 淤泥陶粒的應(yīng)用研究

淤泥陶粒具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度小、耐熱性好、比表面積大等特性，作為淤泥固廢資源化產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于建筑材料、水處理材料、吸聲材料等領(lǐng)域[7]。

淤泥陶粒內(nèi)部形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)使陶粒具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、保溫和抗收縮等特點(diǎn)，用陶粒輕集料制備輕集料混凝土等綠色建材得到了廣泛研究[43]。王大偉等[44]以商品淤泥陶粒為對(duì)象，研究了淤泥陶粒形態(tài)對(duì)陶粒混凝土性能的影響，結(jié)果表明淤泥陶?；炷量箟簭?qiáng)度發(fā)展規(guī)律與普通混凝土基本相似，但抗壓強(qiáng)度隨著骨料替代率的增加而逐漸降低。姚永鶴等[45]利用淤泥陶粒生產(chǎn)加砌塊，通過摻加粉煤灰能生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)加砌塊。管文等[46]利用淤泥制備陶粒，開發(fā)了一種集節(jié)能、防火性和耐久性能好的淤泥陶粒加氣砌塊自保溫墻體應(yīng)用技術(shù)。How-Ji Chen等[47]利用水庫淤泥制備淤泥陶粒，利用淤泥陶粒所生產(chǎn)的骨料配制混凝土的工程性能符合輕骨料混凝土的要求。對(duì)于淤泥陶粒建材利用來說，陶粒強(qiáng)度和吸水率是首要考慮的性能指標(biāo)，生產(chǎn)高強(qiáng)陶粒將是未來淤泥陶粒建材利用的重點(diǎn)研究方向。

淤泥陶粒表面粗糙，孔隙豐富，一方面可作為吸附材料，同時(shí)粗糙表面有利于生物膜的形成，因而在水處理方面廣泛應(yīng)用。劉貴云等[48]利用河道底泥為原料制備淤泥陶粒，并將其用于污水深度處理，結(jié)果表明，淤泥陶粒對(duì)NH3-N處理效果與活性炭相當(dāng)，可作為曝氣生物濾池生物膜的理想載體。徐淑紅等[49]利用河道淤泥制備了陶粒濾料，并將其用于印染廢水的處理，其對(duì)COD的去除率為81.19%，對(duì)氨氮的去除率為58.43%，處理效果均優(yōu)于對(duì)照陶粒，此外淤泥陶粒容易再生，可循環(huán)使用。潘嘉芬等[33]利用河道底泥、粉煤灰、赤泥等材料制備水處理人工陶粒濾料，將其用于處理含油廢水時(shí)，人工陶粒濾料處理效果約為相同條件下砂粒的3倍。高紅杰等[30]利用底泥制備高比表面積淤泥陶粒，其對(duì)磷酸鹽的吸附量可以達(dá)1 743.75mg/kg。肖繼波等[50]以清淤底泥為原料制備高效除磷型陶粒，當(dāng)投加量為2g時(shí)，其對(duì)磷酸鹽的飽和吸附量達(dá)到最大值0.07mg/g。

除此之外，以淤泥陶粒作為載體材料，通過改性、負(fù)載功能組分等方式可進(jìn)一步拓展淤泥陶粒的應(yīng)用范圍[51]。郭露等[52]利用水熱共沉淀法將層狀氫氧化物(LDHs)負(fù)載到生物陶粒表面，并將其作為人工濕地填料，研究了改性陶粒對(duì)污水中磷酸鹽的去除效果。石穩(wěn)民等[53]采用共沉淀法將氫氧化鑭負(fù)載到多孔陶粒表面，并將其用于低濃度含磷廢水的處理，取得了良好的處理效果。陶粒用作水處理濾料具有較好的前景，但同時(shí)也存在陶粒強(qiáng)度與多孔性之間的矛盾問題，陶粒的釉質(zhì)表面也會(huì)對(duì)陶粒的吸附性能產(chǎn)生一定影響[7]。

4 總結(jié)與展望

利用河湖淤泥代替黏土、頁巖等作為制備陶粒的原料，不僅能節(jié)約不可再生的黏土、頁巖等自然資源，同時(shí)也是淤泥和其他工業(yè)固體廢物資源化利用的重要路線。淤泥陶粒輕集料因其優(yōu)越的物理化學(xué)性能，在建筑材料、環(huán)保、工業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于淤泥陶粒的研究雖取得了一定成果，但仍存在一些問題有待進(jìn)一步深入研究，比如：(1)淤泥中各化學(xué)成分對(duì)陶粒物理化學(xué)特性影響的機(jī)理研究還有待深入；(2)基于不同用途的陶粒制備工藝條件研究有待規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，另外可基于大量實(shí)際試驗(yàn)研究建立淤泥陶粒制備工藝的數(shù)據(jù)庫；(3)河湖淤泥與其他工業(yè)固廢、添加劑之間的配比優(yōu)化、混合機(jī)理等需進(jìn)一步深入研究，從而改善陶粒性能，提高淤泥的資源化利用效率；(4)對(duì)淤泥陶粒的改性研究可進(jìn)一步深入，如制備高效吸附材料、催化材料等，從而進(jìn)一步拓展淤泥陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域。