城市污泥是人们进行生产和生活活动时产生的废弃物。随着城市规模的不断扩大,城市化进程的不断加快,城市污泥的产量也急剧增加,现已成为江河和地下水质的主要污染源,对环境和人类生活产生巨大的危害。目前污泥的主要处置方式有焚烧、填埋等,并不能充分利用污泥资源,且容易造成二次污染。本课题以城市污泥作为主要原料,使用快速烧结法和常规烧结法这两种烧结方式烧制污泥陶粒,制备出的污泥陶粒轻质高强,符合GB/T 17431-2010《轻集料及其试验方法》的国家规范要求,可实现固体废弃物的绿色环保处置以及资源化的有效利用。本课题前期对原料的化学成分进行分析,结合Riley相图确定原料的配合比范围。根据陶粒坯料的TG-DSC热重分析和预热实验,确定烧制制度的范围。本课题中污泥陶粒的烧结方式分为快速烧结法与常规烧结法。快速烧结方式是指将陶粒的预热阶段与烧结阶段分段进行,无升温过程,先设计单因素实验研究烧结温度、烧结时间、污泥掺量对陶粒性能的影响规律,再设计正交试验L₉（3⁴）确定污泥陶粒的最优烧制工艺。常规烧结方式是指将掺有发泡剂的污泥陶粒预热、升温并高温烧结,先设计单因素实验研究烧结温度、烧结时间、发泡剂掺量对陶粒性能的影响规律,再结合污泥陶粒的孔结构参数确定孔结构对陶粒的堆积密度与筒压强度的影响。最后进行污泥陶粒快速烧结法和常规烧结法两种烧结方式的对比研究。在快速烧结方式下,污泥陶粒烧制工艺参数的影响研究结果表明,随着烧结反应的进行,陶粒的堆积密度先下降后上升,筒压强度先上升后下降。吸水率随着烧结温度的升高先下降后上升,随着烧结时间的增加逐渐降低。随着污泥掺量的增加,陶粒的堆积密度和筒压强度逐渐降低,吸水率逐渐升高。通过正交试验确定了污泥陶粒的最佳烧制工艺:污泥掺量60%,预热温度350℃,预热时间30min,烧结温度1150℃和烧结时间20min,制得的污泥陶粒堆积密度315kg/cm³,筒压强度2.69MPa,吸水率12.8%。在常规烧结方式下,污泥陶粒烧制工艺参数的影响研究结果表明,陶粒的堆积密度随着烧结反应的进行逐渐降低。筒压强度随着烧结温度的升高先上升后下降,随着烧结时间的增加逐渐降低。吸水率随着烧结温度的升高逐渐降低,随着烧结时间的增加逐渐升高。在以MnO₂为发泡剂的污泥陶粒研究结果表明,随着MnO₂掺量的增加,陶粒的堆积密度和吸水率逐渐降低,筒压强度先上升后下降,陶粒内部气孔的平均孔径先增大后减小,与比表面积的变化趋势相反。当MnO₂掺量从2%增至6%时,陶粒的孔隙数量和孔隙率增大,堆积密度随之降低。筒压强度在MnO₂掺量为4%时达到最大值5.21MPa,与MnO₂掺量0%、2%、6%的污泥陶粒相比,筒压强度分别提升为27%、13%、15%。此时陶粒中孔径<0.10mm的微小气孔比例在40%左右,孔径在0.10～1.5mm的气孔比例在60%左右,控制这两种气孔比例分别接近于40%与60%,能有效提高污泥陶粒的筒压强度,提升比例10%～30%。确定了常规烧结方式下污泥陶粒的最佳烧制工艺:污泥掺量50%,发泡剂掺量4%,预热温度300℃,预热时间30min,烧结温度1100℃,烧结时间20min,升温速率10℃/min。制得的污泥陶粒堆积密度628kg/cm³,筒压强度5.21MPa,吸水率7.9%。快速烧结法和常规烧结法两种烧结方式的对比研究结果表明,快速烧结方式制得的污泥陶粒堆积密度在310～320kg/cm³之间,筒压强度在2.6～2.7MPa之间,高于规范要求的1.0MPa,属于超轻密度陶粒。常规烧结方式制得的污泥陶粒堆积密度在620～630kg/cm³之间,筒压强度在5.2～5.3MPa之间,高于规范中高强人造轻集料要求的5.0MPa,属于高强陶粒。综合分析,快速烧结方式制备的污泥陶粒性能优于常规烧结方式制备的污泥陶粒,选择快速烧结方式为污泥陶粒的优选烧结方式。