CN102225858A - 一种脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂及其应用。其特征在于：铝基胶凝固化剂由普通硅酸盐水泥∶合成铝酸钙12CaO·7Al2O3∶促凝-早强剂无水CaSO4∶三乙醇胺∶NaAlO2＝50％～85％∶10％～40％∶2.5％～5％∶0.5％～1％∶2％～4％组成。按铝基胶凝固化剂∶脱水污泥＝5～30∶100的质量比混合，放在搅拌器中搅拌均匀后，在室温下静止固化，所得固化产物可直接填埋，或作填埋场覆盖土，或施压成型制作低强度建筑材料等。本发明制备铝基胶凝固化剂的材料来源广泛、价格低廉；使用铝基胶凝固化剂将脱水污泥固化处理时不会产生二次污染，并能高效抑制恶臭气体的产生，具有较高的环境和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂，进一步涉及利用该铝基胶凝固化剂对城市污水厂脱水污泥进行固化稳定化处理的方法，所得的固化污泥可进行卫生填埋或作为填埋场覆盖土等，便于污泥的高效处理和资源化利用，属于环境工程技术领域。
背景技术
目前，绝大多数城市污水处理厂采用生化工艺处理污水，在此过程中常会产生大量的生化污泥，污泥通常体积庞大、有机组分复杂、变异性大、含水率高。各种常规方法如填埋、堆肥、焚烧和土地利用等均无法实现污泥的高效、安全处理处置。尽管污泥固化稳定化作为填埋预处理技术在我国得到了一定程度的认可，但污泥高有机质特性严重影响了固化剂的正常水化，导致其投量大、增容明显、费用高，因此缺乏较高的经济和环境效益。
中国专利文献《一种城市污泥的固化稳定化方法》(公开号CN 101891367A，公开日2010年6月30日)所涉及的固化剂包括40％～115％(以污泥质量为基准)的石材废弃物、5％～15％的硅酸盐水泥。固化剂与污泥均匀混合后可直接卫生填埋，但固化剂用量较大，后续资源化利用程度不大，不符合经济高效、环境友好的环保理念。
中国专利文献《淤泥、污泥固化剂》(公开号CN 101638311A，公开日2009年7月10日)开发以煤矸石、膨润土、硅灰石、火山灰、粉煤灰等为主料，聚丙烯酰胺、三乙醇胺、石英粉、气相二氧化硅、氧化铁、水玻璃等为辅料的淤泥/污泥固化剂，固化剂由95％的主料和5％的辅料组成，固化剂投加量为泥重的5％～10％，但固化块完全凝固需要一个月左右，且该固化剂组分过于复杂，工程应用难度大。
中国专利文献《一种污泥固化剂以及应用》(公开号CN 101265070A，公开日2008年4月17日)公开一种污水厂污泥和河道污泥的固化剂，其主要由30％～60％的硫铝酸盐水泥、20％～40％的石膏、8％～20％的石灰以及1％～5％的促凝剂组成。
中国专利文献《污水厂产生的脱水污泥进行固化/稳定化处理用》(公开号CN 101172749A，公开日2007年10月12日)涉及一种污水厂污泥固化/稳定化处理用固化剂，该固化剂以水泥、石灰和粉煤灰作为主要固化材料，以膨润土为辅助材料对污泥进行固化/稳定化处理。但固化块中污泥组分在30％-80％，而固化材料和膨润土添加量几乎高达15％～30％和5％～40％，固化剂投加量较大，处理成本较高。
中国专利文献《一种污泥固化填埋处置方法》(公开号CN 101007696A，公开日2007年1月22日)公开了一种以水泥、粘土或亚粘土为固化材料的污泥固化填埋处置方法，污泥、水泥和粘土或亚粘土的质量配比为100∶15～80∶20～160，其固化污泥主要用于卫生填埋，且处理成本较高，增容比大，不符合可持续发展的要求。
中国专利文献《污泥脱水和稳定化处理方法》(公开号CN 1693242A，公开日2005年11月9日)通过对污泥加热干燥和添加碱性粉状物料两步工艺，对污泥进行脱水和稳定化处理，经处理的污泥其硬度、粘度及粘结特性等方面都有明显改善，污泥脱水性能得到明显改善。但其不足之处在于，稳定化剂加入量较大，处理成本较高。
以上发明尽管各具特色，但应用于污泥固化/稳定化处理时仍存在下面的三大不足与缺点：一.固化剂加入量较大，污泥的增容量较大，严重影响污泥的卫生填埋和后续资源化利用；二.固化剂水化速率较慢，凝结时间过长，不利于污泥的规模化处理。三.固化污泥严重偏碱，恶臭释放严重，容易产生二次污染。
发明内容
本发明目的在于提供一种污泥铝基胶凝固化剂，本发明的另外一个目的是公开将该固化剂用于对城市污水厂脱水污泥进行固化稳定化处理的方法，特别是该固化剂应用于含水率在80％左右的城市污水厂污泥的固化/稳定化，具有凝结速度快、早期强度高等优点，固化污泥可在短时间内达到卫生填埋的土力学指标要求，重金属、有机污染物亦可实现高效固定。
为了达到上述目的，本发明研发了以普通硅酸盐水泥和合成铝酸钙为主料、早强剂配料的高效快凝胶凝固化剂。铝酸钙和早强剂具有屏蔽有机质干扰、加速硅酸盐水泥水化的作用，诱导针状钙矾石、碳酸钙等水化产物的快速形成，从而使固化污泥具有较高的机械强度，为污泥的卫生填埋和资源化利用提供条件。
本发明的铝基凝胶固化剂，由如下组分组成：
本发明主要组分中的合成铝酸钙12CaO·7Al2O3为自行生产制备，首先分别将工业级原料Al(OH)3和CaCO3在SX2-10-12型马弗炉中于900～1000℃煅烧2～3小时，煅烧结束后于室温冷却，磨细过0.08mm筛，筛下物分别为高活性Al2O3和CaO；然后以Al2O3∶CaO＝7∶12的摩尔比将两者混合均匀，接着量取自来水∶Al2O3和CaO＝1～3∶1质量比，将它们混合均匀后置于水热反应釜中，在常压、100±5℃的反应条件下水热合成1～2小时；最后将水热合成产物烘干后，在SX2-10-12型马弗炉中于1000～1200℃继续煅烧2～4小时，待加热结束后自然降至室温，形成的熟料即为合成铝酸钙12CaO·7Al2O3。
其余原料均为市售产品或工业级药剂，先将普通硅酸盐水泥、合成铝酸钙12CaO·7Al2O3、以及早强-助凝剂无水CaSO4、NaAlO2和三乙醇胺按配比混合均匀，即形成一种早强、快凝稳定化的铝基胶凝固化剂。
本发明的使用方法为，将所得胶凝固化剂添加到含水率为80％左右的城市污水厂脱水污泥后，于混合搅拌器中搅拌至均匀后，并于室温下静止养护。
本发明的优点和效果：
1.由于本发明研发的合成铝酸钙12CaO·7Al2O3具有速凝、早强、屏蔽有机质的特性，因此对含有机质较高的城市污水厂生物污泥具有较理想的固化/稳定化效果，固化污泥可在短时间内达到安全卫生填埋要求，实现固化污泥养护时间的大幅削减。
2.由于本发明的固化剂主要由普通硅酸盐水泥、铝酸钙12CaO·7Al2O3等无机原料复配而成，且固化剂投加量少，仅为污泥重量的5～30％，固化污泥增容比小、操作工艺简单、处理费用低廉，因此具有较高的环境和经济效益。
3.由于本发明的固化剂是以低碱铝、钙、硅原料为主，因此固化污泥具有低碱高强特性，可实现NH3等恶臭气体释放量的大幅削减，环境效益显著。
4.本发明的固化剂主要原料廉价易得，能够实现城市污水厂污泥的大规模固化/稳定化处理，为污泥卫生填埋提供条件。
5.该铝基凝胶固化剂制备工艺简单、城市污水厂污泥固化/稳定化处理添加量少，不易产生二次污染，因此具有较高的环境和经济效益。
具体实施方式
实施例1
首先采用水热合成的方法制备合成铝酸钙12CaO·7Al2O3，具体合成工艺如下：先分别将工业级原料Al(OH)3和CaCO3在SX2-10-12型马弗炉中于900～1000℃煅烧2～3小时，煅烧结束后于室温下冷却到室温、磨细，过0.08mm筛，筛下物为高活性的Al2O3和CaO；再以Al2O3∶CaO＝7∶12的摩尔比将两者混均匀，并同自来水以水固比＝1～3∶1的质量比均匀混合，液固混合物于水热反应釜中在100±5℃、常压条件下水热合成1～2小时；最后将水热合成产物烘干后，在SX2-10-12型马弗炉中于1000～1200℃继续煅烧2～4小时，待加热结束后自然降至室温，形成的熟料即为合成铝酸钙12CaO·7Al2O3。
其次将铝基凝胶固化剂各组分按以下质量比例量取，普通硅酸盐水泥75％，合成铝酸钙12CaO·7Al2O3 20％，无水CaSO4 2.5％，NaAlO2 2.0％，再添加0.5％的三乙醇胺，充分均匀混合后获得铝基胶凝固化剂。
然后按铝基胶凝固化剂∶脱水污泥＝10∶100的质量比混合后，并于搅拌器中继续搅拌至均匀为止。将所得固化污泥于室温下静止养护，3～4天后，固化污泥抗压强度超过50kPa，达到污泥卫生填埋入场要求。如进行翻抛养护，固化污泥可在2天内满足卫生填埋的入场要求，实现污泥安全填埋。
实施例2
本发明的铝基胶凝固化剂的合成铝酸钙12CaO·7Al2O3的制备与实例1相同。
本发明的铝基胶凝固化剂的组分按普通硅酸盐水泥65％，铝酸钙12CaO·7Al2O3 30％，无水CaSO4 3％，NaAlO2 1.5％，三乙醇胺为0.5％的质量比量取外，其余的与实例1相同。将所得固化污泥于室温下静止养护4天后，固化污泥抗压强度可达到60kPa，满足污泥卫生填埋入场要求，养护8～10天后，其抗压强度可高达到0.10MPa。
实施例3
本发明的铝基胶凝固化剂的主要组分合成铝酸钙12CaO·7Al2O3的制备与实例1相同。
本发明的铝基胶凝固化剂的各组分按普通硅酸盐水泥60％，铝酸钙12CaO·7Al2O3 33％，无水CaSO4 3.5％，NaAlO2 2.5％，三乙醇胺为1％的质量比量取外，其余的与实例1相同。将所得固化污泥于室温下静止养护4～5天后，固化污泥抗压强度超过50kPa，达到污泥卫生填埋入场要求，养护7～10天后，其抗压强度可达到0.13MPa，养护时间为28天时，其抗压强度可达0.18MPa。
实施例4
本发明的铝基胶凝固化剂的主要组分合成铝酸钙12CaO·7Al2O3的制备与实例1相同。
本发明的铝基胶凝固化剂的组分按普通硅酸盐水泥45％，铝酸钙12CaO·7Al2O3 45％，无水CaSO4 5％，NaAlO2 4％，三乙醇胺1％的质量比量取，然后按铝基胶凝混合材料∶脱水污泥＝30∶100的质量比混合后外，其余的与实例1相同。
将所得固化污泥施压成型后，于室温下静止养护3～4天后，固化污泥抗压强度超过3.0MPa，养护28天后，其强度可达8.9MPa，达到低强度材料(controledlow strength materials，CLSM)的强度要求，可作为低强度材料应用。
Claims (3)
1.一种脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂，其特征在于：由以下组分的质量百分比组成，
2.根据权利要求1所述的一种脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂，其特征在于：合成铝酸钙12CaO·7Al2O3的合成工艺是：首先分别将工业级原料Al(OH)3和CaCO3在SX2-10-12型马弗炉中于900～1000℃煅烧2～3小时，煅烧结束后于室温冷却，磨细后过0.08mm筛，筛下物为高活性Al2O3和CaO；然后以Al2O3∶CaO＝7∶12的摩尔比将两者混均匀，接着量取自来水∶Al2O3和CaO＝1～3∶1质量比，将它们混合均匀后置于水热反应釜中，在常压和100℃±5℃的反应条件下水热合成1～2小时；最后将水热合成产物烘干后，在SX2-10-12型马弗炉中于1000～1200℃继续煅烧2～4小时，待加热结束后自然降至室温，形成的熟料即为合成铝酸钙12CaO·7Al2O3。
3.权利要求1的脱水污泥固化用的铝基胶凝固化剂的应用方法，其特征在于：铝基胶凝固化剂∶脱水污泥＝5～30∶100的质量比混合，于搅拌器中搅拌至均匀后，在室温下静止固化，所得固化产物可直接填埋、作填埋场覆盖土或施压成型制作低强度建筑材料等。
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