CN101955345A - 用于高含水比污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料，包括如下重量份组成的粉状混合物：100份由半水石膏和氧化镁组成的水硬性固化材料，80～120份无机质吸水性灰质材料，20～40份无机质辅助硬化材料，1～10份高分子凝集剂，1～5份改性功能剂。经所述中性无机复合材料处理后，污泥固化体具有较高的抗压强度，浸出液pH呈中性，同时能够有效地固化其中的重金属等有害物质，处理后的污泥达到填埋场覆土、土工用土或绿化及农田用土的要求，可广泛应用于市政、管网、工业污水厂及自来水厂污泥，河道、湖泊疏浚底泥、建筑残土等高含水比污泥的脱水、固化和改良。

Description

用于高含水比污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料

技术领域

本发明涉及一种用于污泥处理的固化改性材料，特别是涉及一种高含水比污泥快速脱水、固化改性的中性无机复合材料，可广泛应用于市政污泥、管网污泥、工业污水厂污泥、自来水厂污泥、河道、湖泊疏浚底泥、建筑残土等高含水比污泥的脱水、固化和改良，处理后的污泥达到填埋场覆土、土工用土的要求，或用做绿化及农田用土。

背景技术

随着工业生产的发展和城市人口的增加，生活、工业用排水日益增多，随之而带来了大量的污泥；同时，疏浚作为改善、修复被污染河流、湖泊等水体的重要手段之一，已经广泛应用于我国水环境的治理及生态修复，由此产生了大量的疏浚底泥；近年来，我国新农村建设步伐不断加快，产生了大量的建筑残土等等。这些污泥、底泥及残土含水比高、成分复杂，易腐烂发臭，除含有大量无机或有机物质、植物养分和一定量的微量元素外，还含有大量的重金属、持久性有机污染物、油类、病原菌、寄生虫等有害物质，如不加以妥善处理和处置，将造成周围环境的二次污染。

目前处理污泥、底泥及残土的主要方法有填埋、焚烧、堆肥、农用和海洋倾弃等。但是，其中焚烧因其费用太高，而且焚烧的过程中会产生有毒气体，易对环境造成二次污染，不适合我国国情；堆肥因其占地面积太大也受到一定的限制，而且污泥中重金属、病原微生物、持久性有机污染物、油类等有害物质的存在限制了污泥的农用；海洋倾弃会污染海洋，目前已被禁止。填埋因其操作简单、费用低等特点在我国应用最为广泛，但污泥的高含水率、高粘度常常使碾压机械打滑，甚至深陷其中，给操作带来困难，而且其有害成分的渗出会造成周围环境的二次污染。

针对我国污泥的现状，在短期内对量多面广的各类高含水比污泥进行安全处置，长期上寻求多途径、因地制宜的资源化利用的思路，是解决我国污泥处理处置问题的出路所在。从可持续性经济发展的角度出发，通过固化、改性技术将污泥转化为可以再生利用的土材料，或作为填埋处置的预处理手段，是现阶段符合我国国情的污泥处理及资源化利用的途径之一。这一技术不但解决了污泥堆放、抛填占用土地和引发填埋场工程事故的问题，而且可以达到污泥处置和资源化利用的目的，从技术性和经济性两个方面都是非常适合我国国情的新型技术。

目前常用的污泥固化技术主要有：水泥系固化、石灰系固化、塑性材料固化、有机聚合物固化、自胶结固化、熔融固化、陶瓷固化等。其中水泥固化、石灰固化因固化工艺和设备比较简单，设备和运行费用低的优势得到了广泛的应用。但是无机材料中水泥系、石灰系为主的固化剂固化时间长，耐酸性差，有害物质稳定性能差，固化体浸出液呈强碱性，因此会对周围的环境造成二次污染。

专利文献CN101029233、CN101172749、CN101265070、CN101428950和CN1792898中披露了污泥固化的方法。其中，CN101029233在处理淤泥的过程中需要与风沙土混合，操作复杂，且处理范围较窄。而且该发明并未涉及到固化/稳定淤泥中的重金属等污染物溶出，以及经处理污泥的植生等问题。

CN101172749、CN101265070、CN101428950和CN1792898所涉及到的固化剂成分中含有水泥、石灰等强碱性物质，处理后污泥浸出液呈强碱性，对周围环境造成二次污染。其中CN101172749、CN101265070、CN101428950未涉及到固化/稳定污泥中的重金属等污染物的溶出问题；而且上述四项专利均未涉及到处理污泥的植生问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污泥快速脱水、固化并改性的中性无机复合材料，特别是能够处理高含水比污泥，解决了水泥、石灰系无机固化剂固化体浸出液呈碱性的问题，同时能够有效的稳定污泥中的重金属、持久性有机污染物、油类等有害物质，防止其溶出，避免了造成二次污染的问题；经处理的污泥还具有比较高的抗压强度，可达到填埋强度或土工用土要求，或根据需求改良成绿化、园林等用土及农用肥料。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料，包括如下重量份组成的粉状混合物：由半水石膏和氧化镁组成的水硬性固化材料100份，无机质吸水性灰质材料80～120份，无机质辅助硬化材料20～40份，高分子凝集剂1～10份，改性功能剂1～5份。

所述的水硬性固化材料由粉末状半水石膏和氧化镁组成，按其重量比计，半水石膏∶氧化镁＝1∶0.7～1，优选氧化镁平均粒径50～100μm。所述水硬性固化材料中的石膏和氧化镁均与水发生反应，其中氧化镁与水反应后，在后期还会与空气中的二氧化碳反应，从而提高污泥固化体的抗压强度。

无机质吸水性灰质材料是以二氧化硅和氧化铝，以及氧化镁和/或氧化钙为主要成分的各种灰质材料。所述的灰质材料有广泛的来源，包括造纸厂焚烧灰、发电厂产生的粉煤灰、高炉矿渣等。作为无机质吸水性硬化促进材料，这些材料不仅有吸水性，而且能够和复合材料中的钙质盐生成钙矾石，提高污泥固化体强度。

无机质辅助硬化材料为含硅量高的无机材料，其中二氧化硅含量以重量计为70～80％，平均粒径15～150μm，如铸造业中废弃的硅砂。辅助硬化材料的作用在于吸收污泥中的水分，补充反应所需的硅，而且可以起到填充污泥中空隙的作用，从而提高污泥固化体的抗压强度。

所述的高分子凝集剂可采用各种天然有机高分子凝集剂或合成有机高分子凝集剂，包括但不限于，羧甲基纤维素钠、壳聚糖、海藻酸钠、淀粉凝集剂，或阴、阳、非离子或两性型聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚二甲基二烯丙基氯化铵等。所述的高分子凝集剂为粉末状，其平均粒径为60～200μm。高分子凝集剂的作用是脱除污泥中的水分，并起到架桥、凝集的作用，促进污泥团粒化。

所述的改性功能剂，可以提高复合材料中各成分的表面活性，增强离子活性，稳定污泥中的重金属，脱除污泥的臭味，分解污泥中的大分子有机物，促进复合材料在反应过程中钙矾石的形成，增强污泥固化体的抗压强度。所述的改性功能剂由氧化剂和/或还原剂，以及离子活性剂、螯合剂、表面活性剂复合而成。其中氧化剂、还原剂和离子活性剂等选自无机化合物或主要包含该组分的化工产(副产)品、矿物质等，并与其它功能性组分复配；无机物组分包括但不限于，氧化剂和还原剂如高锰酸钾、亚硫酸钠等；离子活性剂如氯化钾、氯化钙、硫酸镁、硫酸钠、硫酸镍中的一种或几种。本发明具体实施方式中，采用的改性功能剂按重量份数由以下各成分复合而成：200～300份的氯化钾、150～250份氯化钙、150～200份硫酸镁、20～25份高锰酸钾、150～250份硫酸钠或亚硫酸钠、1～5份硫酸镍、5～20份表面活性剂、1～5份螯合剂。其中的螯合剂为六聚偏磷酸钠、柠檬酸、苹果酸、双硫腙、DTPA中的一种或几种；表面活性剂为阴离子型、阳离子型或非离子型表面活性剂，如烷基磺酸盐、木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)、季铵盐表面活性剂、聚氧乙烯型表面活性剂或丙烯醇聚氧乙烯醚等。

上述组成的粉状复合材料，通常含水率≤1％。

所述的污泥脱水固化及改性中性无机复合材料用于含水污泥固化改性，特别是用于高含水比污泥的固化改性，其使用方法如下：

含水比80～400％的污泥100份中加入5～50份的固化处理材搅拌均匀，养护固化，如经过12小时的常温养护，形成固化体。

经上述方法处理后的固化体具有较高的抗压强度，浸水不会产生再泥化现象，且浸出液pH处于中性范围。

有益效果：(1)本发明的无机复合材料，污泥经固化后的其固化体pH呈中性，解决了水泥系、石灰系固化剂固化后污泥呈碱性的难题，避免了碱性污泥对动、植物、微生物等生态和环境系统的影响，避免了对环境的二次污染。(2)本发明的应用范围广，固化对象是高含水比污泥，其中包括市政污泥、管网污泥、工业污水厂污泥、自来水厂污泥、河道、湖泊底泥、建筑残土等。(3)经本发明处理后的污泥具有较高的抗压强度，能够有效的固化、稳定、封闭其中的重金属等有害物质，减少原泥的恶臭。处理后的污泥可以直接填埋或用作土工用土，还可根据需求改良成绿化、园林等用土及农用肥料。(4)本发明所用原材料来源广泛，价格低廉。

具体实施方式

为了更好的说明本发明内容，通过下述实施例进一步做出解释，但本发明的复合材料并不仅限于以下实施例所描述的具体组成，而是在权利要求书记载的范围内可进行多种组合和变化。

实施例1

一种污泥快速脱水固化及改性的中性无机复合材料，取如下重量分数的组分：

水硬性固化材料100份，其组成为：半水石膏50份，轻质氧化镁50份；

无机质吸水性灰质材料80份，造纸厂焚烧灰；

无机质辅助硬化材料20份，铸造厂硅砂，粒径为15～60μm；

高分子凝集剂2份，聚丙烯酰胺；

改性功能剂1份，取250份的氯化钾、200份的氯化钙、22份的高锰酸钾、175份的硫酸镁、3份的硫酸镍、200份的硫酸钠、13份的木质素磺酸钙、1份柠檬酸复合而成，取复合后的改性功能剂1份；

上述各组分复合形成污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料，含水率≤1％。

取国内某河河道底泥10kg，含水比185％，加入上述复合材料2kg，混合搅拌均匀，并进行养护，按照土工试验标准制样、检测。比较例1采用某公司产水泥系固化剂，实验及检测方法同上，具体检测数据如下：

表1、污泥固化体强度和浸出液pH测定结果

表2、污泥固化体浸出液28天重金属溶出情况

小结：从表1、表2可以看出，经本发明复合材料处理后的污泥能够快速固化，其固化体强度不仅比水泥系固化剂高，而且pH处于中性范围内；重金属浸出液浓度不只远低于填埋场标准，其中铅、镉、铬、砷还低于检出限；而经水泥系固化剂处理后的污泥重金属浸出液铬、砷均超标，不能达到填埋场要求。

实施例2

一种污泥快速脱水固化及改性的中性无机复合材料，取如下重量分数的组分：

水硬性固化材料100份，其组成为：半水石膏：65份，轻质氧化镁35份；

无机质吸水性灰质材料100份，造纸厂焚烧灰；

无机质辅助硬化材料30份，铸造厂硅砂，粒径80～120μm；

高分子凝集剂8份，聚丙烯酸钠；

改性功能剂5份，取200份的氯化钾、250份的氯化钙、20份的高锰酸钾、150份的硫酸镁、3份的硫酸镍、225份的亚硫酸钠、10份的木质素磺酸钠、2份苹果酸复合而成，取复合后的改性功能剂5份；

上述各组分复合形成污泥快速脱水、固化及改性的中性无机复合材料，含水率≤1％。

取国内某污水处理厂脱水污泥10kg，含水比400％，加入上述多功能复合材料5kg，混合搅拌均匀，并进行养护，按照土工试验标准制样、检测。比较例2采用某公司产石灰系固化剂，实验及检测方法同上。具体检测数据如下：

表3、污泥固化体强度和浸出液pH测定结果

表4、污泥固化体浸出液28天重金属溶出情况：

小结：从表3、表4可以看出，经本发明复合材料处理后的污泥强度远远高于石灰系固化剂，且pH处于中性范围内，石灰系固化剂pH处于强碱性范围内；重金属浸出液浓度不只远低于填埋场标准，其中砷还低于检出限；而经石灰系固化剂处理后的污泥重金属浸出液镉、铬、汞均超标，不能达到填埋场要求。

实施例3

一种污泥快速脱水、固化改性中性无机复合材料，取如下重量分数的组分：

水硬性固化材料100份，其组成为：半水石膏：58份，轻质氧化镁42份；

无机质吸水性灰质材料120份，造纸厂飞灰；

无机质辅助硬化材料40份，铸造厂硅粉，粒径100～150μm；

高分子凝集剂4份，羧甲基纤维素钠；

改性功能剂3份，其组成为290份的氯化钾、230份的氯化钙、25份的高锰酸钾、200份的硫酸镁、2份的硫酸镍、200份的亚硫酸钠、20份的丙烯醇聚氧乙烯醚、3份六聚偏磷酸钠复合而成，取复合后的改性功能剂3份。

上述各组分复合而成中性无机快速脱水、固化改性复合材料，含水率≤1％。

国内垃圾渗沥液处理脱水污泥10kg，含水比300％，加入上述粉末状中性无机复合材料4kg，混合搅拌均匀，并进行养护，按照土工试验标准制样、检测。比较例3采用某公司产复合固化剂，实验及检测方法同上，具体检测数据如下：

表5、污泥固化体强度和浸出液pH测定结果

表6、污泥固化体浸出液28天重金属溶出情况

小结：从表5、表6可以看出，经本发明复合材料处理后的污泥强度远远高于复合固化剂，且pH处于中性范围内，复合固化剂pH处于碱性范围内；重金属浸出液浓度不只远低于填埋场标准，其中铅、镉、砷还低于检出限；而经复合固化剂处理后的污泥重金属浸出液铬、砷均超标，不能达到填埋场要求。

实施例4

处理土植生试验：用实施例2中的处理土进行植生试验。试验采用三种植物种子，分别为狗牙草、结缕草、高羊茅草，在三个500cm²的花盆中，分别放入100粒上述种子，观察发芽率。详见表7：

表7  植生试验对照表

小结：从表7可以看出，经处理后的污泥与普通土进行植生试验比较，从三种草的发芽率可以看出，狗牙草、结缕草的发芽率略低于普通土，高羊茅草发芽率略高于普通土。通过本试验可说明经处理土对植物的生长发育影响不大，也可说明处理土不会对周边环境造成二次污染，与周围环境具有亲和性。

从上述各实施例及对比例中可以看出，经改良后的污泥(土)不仅具有较高的抗压强度，而且还能够有效的稳定其中的重金属等有害物质，防止其遇水渗出。固化体浸出液pH在中性范围内，能够为植物的生长提供一个良好的环境；从植生试验可以看出经本发明改良后的污泥土适合植物的生存条件，植物的发芽率较好，不会对周边植物、微生物等生态和环境系统造成潜在的危害。

Claims (10)

1.一种污泥脱水固化及改性的中性无机复合材料，包括如下重量份组成的粉状混合物：100份由半水石膏和氧化镁组成的水硬性固化材料，80～120份无机质吸水性灰质材料，20～40份无机质辅助硬化材料，1～10份高分子凝集剂，1～5份改性功能剂。

2.根据权利要求1所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的水硬性固化材料中，按重量比计，半水石膏∶氧化镁＝1∶0.7～1，氧化镁平均粒径50～100μm。

3.根据权利要求1所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的无机质吸水性灰质材料主要成分为二氧化硅和氧化铝，以及氧化镁和/或氧化钙。

4.根据权利要求3所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的无机质吸水性灰质材料为焚烧灰、粉煤灰或高炉矿渣。

5.根据权利要求1所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的无机质辅助硬化材料二氧化硅含量以重量计为70～80％，平均粒径15～150μm。

6.根据权利要求1所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的高分子凝集剂为羧甲基纤维素钠、壳聚糖、海藻酸钠、淀粉凝集剂、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠或聚二甲基二烯丙基氯化铵，平均粒径为60～200μm。

7.根据权利要求1所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的改性功能剂由氧化剂和/或还原剂，以及离子活性剂、螯合剂、表面活性剂复合而成。

8.根据权利要求7所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述改性功能剂按重量份数由以下各成分复合而成：200～300份的氯化钾、150～250份氯化钙、150～200份硫酸镁、20～25份高锰酸钾、150～250份硫酸钠或亚硫酸钠、1～5份硫酸镍、5～20份表面活性剂、1～5份螯合剂。

9.根据权利要求7或8所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述的表面活性剂为烷基磺酸盐、木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、季铵盐表面活性剂、聚氧乙烯型表面活性剂或丙烯醇聚氧乙烯醚。

10.根据权利要求7或8所述的中性无机复合材料，其特征在于：所述螯合剂为六聚偏磷酸钠、柠檬酸、苹果酸、双硫腙或DTPA中的一种或几种。