CN102659294A - 利用磷石膏、粉煤灰和电石渣固化城镇污水处理厂污泥 - Google Patents
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Abstract
本发明是以一般工业固体废物磷石膏、粉煤灰和电石渣为原料配制成固化剂，对城镇污水处理厂脱水污泥进行固化处理，固化后的污泥满足《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋用泥质》（GBT23485-2009）中要求的横向剪切强度>25kN/m2和含水率<45%的填埋指标，固化污泥浸出液污染物浓度满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889-2008）中的要求，可在生活垃圾填埋场填埋处置，也可用作填埋场覆盖土或其他建筑基础填充工程。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用磷石膏、粉煤灰和电石渣固化城镇污水处理厂污泥的方法。
背景技术
随着我国城市化的进展，城镇生活污水量越来越大，污水处理产生的污泥也相应增加。有数据显示，截至2010年，我国城镇污水处理厂产生的的脱水污泥（含水率80%左右）量达到5000万吨。脱水污泥是污水处理过程中产生的沉淀物，由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成，其中含有大量的微生物、病原菌、重金属等物质，对环境危害较大。
城镇污水处理厂污泥的主要特点是含水率高、体积较大、容易腐败且臭味很大，污泥的颗粒细、比重小。污泥的特性会随原水水质、污水处理工艺和季节产生一定的变化。污泥组分总体上可分为四种状态：水溶态、胶体、生物絮凝态以及颗粒态，其中生物絮凝态占污泥总量的69%左右。
目前，世界各国针对污泥主要是以下几种处置方法：（1）农业利用：主要是作为肥料施用于农田、牧场等；（2）林业利用：主要是用于林地、花园、高尔夫球场、公园等土地上；（3）填埋：一些国家采用单独填埋，也有一些国家将污泥和生活垃圾混合填埋；（4）投海处置：欧盟于1998年已明令禁止这种处置方式；（5）制造建材、生化纤维板、陶粒等；（6）焚烧：将污泥干化后在生活垃圾焚烧厂或水泥窑内焚烧处理。污泥填埋因其成本低、处置量大，目前仍是当今全球运用最多的污泥处置技术。
我国《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889-2008)中规定，生活污水处理厂污泥经处理后含水率小于60%，才能进入填埋场填埋处置。《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋用泥质》（GBT 23485-2009）中规定的污泥混合填埋指标为横向剪切强度>25kN/m2和含水率<45%。而目前在污水处理厂内经带式脱水机脱水后的污泥含水率一般在70%~80%之间，无法达到填埋的要求，因此，还需要进一步的处理，而污泥固化是方法之一。
固化包含着两层含义：固化和稳定化。固化是指添加固化剂于废弃物中，使其变为不可流动性或形成固体的过程，而不管废弃物与固化剂间是否产生化学结合；稳定化是指将有害污染物转变成低溶解性、低毒性及低移动性的物质，以减少有害物污染潜力的技术。在习惯中为叙述方便往往将这两个过程统称为固化，在本专利叙述中，固化概念即包含了固化与稳定化两层含义。
目前污泥的固化技术主要有：水泥固化和粉煤灰-石灰固化两种技术。水泥固化以水泥为主要固化剂，对污泥进行固化处理。粉煤灰-石灰固化是利用石灰的吸水作用和二者反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶对污泥进行固化。该两种技术均能达到固化效果，但缺点是需要消耗建筑材料水泥或石灰，成本较高。
磷石膏是磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣，其主要成分为石膏（CaSO4·2H2O），含磷化合物等多种其他杂质。生产1吨磷酸（以100%P2O5计）副产磷石膏约5吨。由于我国目前对磷肥的需求量越来越大，因而在生产过程中产生的磷石膏的量也越来越大。2010年，全行业副产磷石膏约5000万吨/年，这些磷石膏的堆积不仅占用了大量的土地，而且易造成环境污染，越来越受到环保部门的关注。
电石渣是电石水解制取乙炔的副产物，主要成分是Ca(OH)2, 还含有CaCO3、SiO2、硫化物、镁和铁等金属的氧化物、氢氧化物等以及少量有机物。电石渣排放量约为电石产量的75%～85%。当前国内对于电石渣的利用率较低，处置方式以填埋或堆存为主。
粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山灰质的混合材料。它是燃煤发电厂将煤磨成 100um 以下的煤粉，用预热的空气喷入炉膛呈悬浮状态燃烧，高温烟气中的灰分，经集尘装置捕集得到一种微粉状固体废物。粉煤灰常作为水泥生产的添加剂，是一种资源化利用率较高的一般工业固体废物。
发明内容
本发明是利用一般工业固体废物磷石膏、粉煤灰和电石渣为原料配制成固化剂，对污泥进行固化处理。其机理如下：
粉煤灰中可溶性的SiO2和Al2O3在有水存在的情况下与电石渣中的Ca(OH)2发生化学反应生成水化硅酸钙（CSH）凝胶和水化铝酸钙（CAH）凝胶：
mCa(OH)2 + SiO2 + (n-1)H2O → mCaO·SiO2·nH2O
mCa(OH)2 + Al2O3 + (n-1)H2O → mCaO·Al2O3·nH2O
该步反应称为碱激发。
水化铝酸钙（CAH）强度较低，在有石膏存在时，可进一步与之反应生成三硫型水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·3H2O），通常称为钙矾石，简称E盐，即：
mCaO·Al2O3·nH2O + CaSO4·2H2O → mCaO·Al2O3·3CaSO4·(n-2)H2O
当石膏量不足时，生成单硫型水化硫铝酸钙，简称M盐，即：（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O）。该步反应称为硫酸盐激发。
粉煤灰中SiO2含量一般在33.9~59.7%之间，Al2O3的含量在16.5~35.1%之间，CaO的含量在0.8~10.4%之间，与水泥60%的CaO含量相比，粉煤灰“先天性缺钙”, 而Ca2+又是形成胶凝性水化物的必要条件, 所以，在粉煤灰的所有的激发方法中, 首先必须提供充足的Ca2+。
电石渣的主要成分为Ca(OH)2，其CaO的含量在65~69%之间，Al2O3的含量在1.5~3.5%之间，在本专利中为粉煤灰的碱激发提供Ca2+，形成水化硅酸钙（CSH）凝胶和水化铝酸钙（CAH）凝胶。
磷石膏的主要成分为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），含量>65%，在本研究中用作粉煤灰硫酸盐激发过程的激发剂，同时，也作为填充剂为固化污泥提供一定的机械强度。
固化剂之间的配比设置主要考虑两个因素：（1）固化剂的成本控制；（2）粉煤灰活性激化所需的电石渣和石膏的量。硅酸盐水泥熟料中各主要成分的比例为：CaO占62~67%；SiO2占20~24%；Al2O3占4~7%；Fe2O3占2~6%，其CaO与SiO2+Al2O3的比例为2.3左右。当采用污泥70%、磷石膏12%、粉煤灰6%、电石渣12%的配比时，固化剂配方中CaO与SiO2+Al2O3的比例为2.0左右，与水泥熟料的配比基本一致，正交试验显示该配比的固化效果最佳。但由于粉煤灰要花钱购买，而磷石膏和电石渣通常可免费获得，为降低成本，也可在污泥70%、磷石膏10~12%、粉煤灰4~6%、电石渣8~12%的比例范围进行适当调整，未达到最佳配比的固化剂通常需要较长的养护时间或强度有一定程度下降。按本专利配方固化后的污泥满足《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋用泥质》（GBT 23485-2009）中要求的横向剪切强度>25kN/m2和含水率<45%的填埋指标。
此外，固化剂中电石渣和磷石膏还有其他一些作用。电石渣的另外两个作用为：（1）抑菌；（2）除臭，电石渣中的Ca(OH)2可以非常有效地吸附污泥中的臭味物质，这在夏季尤为重要。磷石膏的另外一个作用是其中残留的少量磷酸盐可以对污泥中的微量重金属，如：铅等起到固化作用，降低其浸出率。按照本专利配方固化的城镇污水处理厂污泥重金属浸出率满足《生活垃圾填埋场污染控制标准》GB 16889-2008中的要求。
与水泥或粉煤灰-石灰固化方法相比，本方法的主要优点有三点：一是固化剂的配制均为一般工业固体废物，在对污泥进行固化的同时，也解决了一部分磷石膏和电石渣的环境污染问题；二是与粉煤灰-石灰法相比，本方法增加了硫酸盐激发步骤，使得固化污泥强度得到提高；三是成本低，主要是由于磷石膏和电石渣的使用使得固化剂原料成本大幅度下降。
附图说明
图1利用磷石膏、粉煤灰和电石渣固化城镇污水处理厂污泥工艺流程示意图。
具体实施方式
（1）来自污水处理厂的污泥直接泵入污泥料仓1临时储存，而磷石膏2、粉煤灰3和电石渣4如果已经堆放时间较长，会出现板结结块现象，此时要先进行破碎5，然后再放入各自的料仓7、8、9中；
（2）将四种物料按最佳配比：污泥70%、磷石膏12%、粉煤灰6%、电石渣12%（必要时也可在上文所述范围内调整）进行搅拌混合10；
（3）将混合好的物料按20~50cm厚度摊铺到搭有雨棚的专门养护区11养护七天左右。养护时间随各地气温和季节有较大变化，南方夏季太阳光下2天左右即可完成养护，而中原地区冬季可能需要2~3周。养护后的固化污泥可用做建筑基础填充工程。
（4）当固化污泥最后进行填埋处置或用于垃圾填埋场内每日覆土时，不必在养护棚内进行养护，可直接将混合后物料摊铺在垃圾表面露天养护，当强度达到《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋用泥质》（GBT 23485-2009）中的要求后，即可在上面覆盖新的生活垃圾。
Claims (1)
1.一种利用磷石膏、粉煤灰和电石渣固化城镇污水处理厂污泥的方法，其特征在于：所述方法以一般工业固体废物磷石膏、粉煤灰和电石渣为原料配成固化剂，对城镇污水处理厂的脱水污泥进行固化处理，污泥与固化剂的配比为：污泥70%、磷石膏10~12%、粉煤灰4~6%、电石渣8~12%。
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