CN106966622B - 一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法。涉及粪便和污泥利用及功能混凝土制备。步骤如下：粪便中加双氧水和酸，加热反应，分离，得固A和液A；污泥中加硅藻土和液A，加热反应，分离，得固B和液B；调液B pH值，分离，得固C和液体肥；固A用碱处理，得固D和液D；将固D、B和C混合，球磨造粒，煅烧，得多孔球；多孔球浸于液D中，浓缩液D，分离多孔陶瓷球和液D；将多孔球炭化，得载炭多孔球；液D加钛酸钙、亚硫酸钠，加热，得料液E；多孔球:水泥:料液E按比例混合均匀，即得多功能混凝土。本发明利用畜禽粪便和污泥制备具有净化水和空气功能的混凝土，废物利用，无二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种建筑材料，特别是涉及一种利用草食性牲畜粪便和城市污水处理厂的剩余污泥制备具有吸附空气中甲醛和净化水质功能的生态混凝土材料的方法。
技术背景
随着经济的快速发展，环境问题越来越引起人们的重视，混凝土是现代建筑不可或缺的材料，近些年生态混凝土得到了人们的广泛重视。人们开发出了大量的环境友好型生态混凝土材料，对生态环境的保护和基础设施的建设起到了积极地作用（生态混凝土研究进展，李化建，孙恒虎，肖雪军，材料导报，2005,19（3）:17-24）。但是，目前的生态混凝土大多局限于透水和植物可生长性。随着环境污染和人们对环境质量要求的日益提高，需要一种具备净化水质和空气功能的环境友好的生态混凝土材料。蒋婷（基于生态混凝土的水污染修复技术研究，河北工程大学，硕士学位论文，2015年）通过减少胶凝材料用量和添加硫酸亚铁降低生态混凝土pH值的方法制备了具有净化水中氮磷和有机物功能的生态混凝土。而具有空气净化和水质净化双重功效的生态混凝土尚未见报道。
养殖场排放的畜禽粪便给环境造成了很大的压力，在现代的畜禽养殖产业中，为了提高肉蛋奶的产量和品质，以及防病治病需要，会在饲料里添加大量的富含微量元素的营养成分和各种添加剂，畜禽进食后，这些物质会有很大一部分会以原形的形式随粪尿排泄出来，所以，畜禽粪便中除了含有蛋白质、氨基酸和纤维素木质素外，还会含有大量的铜铁锌等重金属，以及抗生素和生长促进剂等有害物质。传统的堆肥法，不能有效去除这些有害物质，这些有害物质随粪肥进入土壤，会对农产品和环境造成严重的危害。所以，急需开发畜禽粪便利用和处理的新方法。
污泥的处理是水处理行业的一大难题。目前，各国常采用卫生填埋、焚烧和堆肥等方法处理。但是这些方法有的存在着环境安全隐患，有的成本高。污泥中含有大量的有机物和铜锌铁等金属元素，有机物以生物残体为主，富含蛋白质，其中的很多成分都是宝贵的资源。因而，积极探讨污泥的综合利用方法，变废为宝，是污泥处置的最好出路。佟洁（植生型生态混凝土材料制备及其净水性能研究，佟洁，大连理工大学，硕士学位论文，2014）开发了一种以沸石和剩余污泥为主要原料的植生性生态混凝土材料，研究其制备工艺和不同配合比的生态混凝土对水体pH和水质净化效果的影响。但是该方法是直接将污泥添加到混凝土原料中，由于污泥的成分非常复杂，会含有很多有害物质，不经处理，直接添加，制备的混凝土材料存在着严重的环境风险。
发明内容
本发明的目的，是提供一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法，本发明用粪便和污泥制造混凝土，解决了污泥和粪便的污染问题，有利于环境综合治理，而且工艺方法简单，无二次污染。
采用的技术方案是：
一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
（1）取新鲜的粪便，调整含水率80-85%，加入粪便质量10%-20%的质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸5-20min，再按照粪便质量的千克数与酸溶液体积的升数之比为1Kg:1L比例加入浓度为0.5-2mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸10-20min，固液分离，得到固体A和液体A；
（2）取与粪便等质量的含水率为80-90%的新鲜污泥，加入污泥质量的15-30%的硅藻土和步骤一得到液体A，搅拌均匀，加热保持微沸10-20min，固液分离，得到固体B和液体B；
（3）将步骤二中得到的液体B用氢氧化钾调整pH值为6-8，静置12h-24h，固液分离，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；
（4）向步骤一得到的固体A中加入水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为11-12之间，并加热至60-80℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠，使得液体的pH值保持在11-12范围内，固液分离，得到固体D和液体D；
（5）将步骤四得到的固体D与步骤二得到的固体B以及步骤三得到的固体C混合，105-150℃烘干，球磨2-8h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，950-1300℃煅烧10-20min，得到多孔陶瓷球；
（6）将步骤五得到的多孔陶瓷球浸泡于步骤四得到的液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为26-32时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；
（7）将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于400-500℃下炭化活化1-6h，得到载炭多孔陶瓷球；
（8）取步骤六剩余的液体D，加入其质量的0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应2-4h，得到料液E；
（9）按质量比为载炭多孔陶瓷球:水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制备混凝土材料或直接浇筑，保湿养护，得到具备吸附功能的生态混凝土材料。
上述的畜禽粪便包括牛、羊、鹿和马草食性动物的粪便。
所述步骤五中煅烧方法为：以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min，再以6℃/min的速度继续升温到烧成温度，并保温10-20 min，炉内冷却到室温。
所述步骤九中加入的水泥为标号42.5号及以上普通水泥。
本发明优点在于，综合利用畜禽粪便和污泥的同时，制备了一种具有净化空气和水质双重功能的生态环保型混凝土材料，过程无二次污染，废物各个组分均得到利用，节能环保，具有很高的经济效益和社会及环境效益。
附图说明
附图1为本方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实例对本发明所述的方法和技术加以说明。本发明实施例中所用纳米钛酸钙粉体均为本实验室按文献（张东,侯平. 纳米钛酸钙粉体的制备及其对水中铅和镉的吸附行为[J]. 化学学报, 2009,(12): 1336-1342）方法合成。
实施例1：多功能生态混凝土1的制备
取新鲜的牛粪，调整含水率82%，称取2Kg，加入300g质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸15min，再加入2L的浓度为1mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸15min，过滤，得到固体A和液体A；将液体A添加到2Kg含水率为85%的新鲜污泥中，再加入500g的硅藻土，搅拌均匀，加热保持微沸20min，过滤，得到固体B和液体B；用氢氧化钾调整液体B的pH值为7，静置12h，过滤，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；向固体A中加水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为11，并加热至80℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠溶液，使得液体的pH值保持在11，过滤，得到固体D和液体D；将固体D与固体B以及固体C混合，125℃烘干，球磨6h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，置于高温炉内，以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min。再以6℃/min的速度继续升温到1000℃，并保温20 min，炉内冷却到室温，得到多孔陶瓷球；将多孔陶瓷球浸泡于液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为30时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于450℃下炭化活化3h，得到载炭多孔陶瓷球；剩余的液体D中加入其质量0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热到90℃，冷凝回流反应4h，得到料液E；按质量比为载炭多孔陶瓷球:42.5号硅酸盐水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制成规格为150*150*50mm的混凝土块，室温保湿养护28d，得到多功能的生态混凝土材料1。
实施例2：多功能生态混凝土2的制备
取新鲜的牛粪，调整含水率80%，称取2Kg，加入400g质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸20min，再加入2L的浓度为2 mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸10min，过滤，得到固体A和液体A；将液体A添加到2Kg含水率为80%的新鲜污泥中，再加入300g的硅藻土，搅拌均匀，加热保持微沸10min，过滤，得到固体B和液体B；用氢氧化钾调整液体B的pH值为8，静置14h，抽滤，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；向固体A中加水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调pH值为12，并加热至60℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠溶液，使得液体的pH值保持在12，过滤，得到固体D和液体D；将固体D与固体B以及固体C混合，105℃烘干，球磨2h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，置于高温炉内，以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min。再以6℃/min的速度继续升温到950℃，并保温20 min，炉内冷却到室温，得到多孔陶瓷球；将多孔陶瓷球浸泡于液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为26时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于400℃下炭化活化6h，得到载炭多孔陶瓷球；剩余的液体D中加入其质量0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应2h，得到料液E；按质量比为载炭多孔陶瓷球:42.5号硫铝酸盐水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制成规格为150*150*50mm的混凝土块，室温保湿养护28d，得到多功能的生态混凝土材料2。
实施例3：多功能生态混凝土3的制备
取新鲜的马粪，调整含水率85%，称取2Kg，加入200g质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸5min，再加入2L的浓度为0.5mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸20min，过滤，得到固体A和液体A；将液体A添加到2Kg含水率为90%的新鲜污泥中，再加入600g的硅藻土，搅拌均匀，加热保持微沸10min，过滤，得到固体B和液体B；用氢氧化钾调整液体B的pH值为6，静置18h，抽滤，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；向固体A中加水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为12，并加热至70℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠溶液，使得液体的pH值保持在12，过滤，得到固体D和液体D；将固体D与固体B以及固体C混合，150℃烘干，球磨8h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，置于高温炉内，以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20min。再以6℃/min的速度继续升温到1300℃，并保温10min，炉内冷却到室温，得到多孔陶瓷球；将多孔陶瓷球浸泡于液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为32时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于500℃下炭化活化2h，得到载炭多孔陶瓷球；剩余的液体D中加入其质量0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应3h，得到料液E；按质量比为载炭多孔陶瓷球:42.5号硅酸盐水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制成规格为150*150*50mm的混凝土块，室温保湿养护28d，得到多功能的生态混凝土材料3。
实施例4：多功能生态混凝土4的制备
取新鲜的羊粪，调整含水率82%，称取2Kg，加入300g质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸10 min，再加入2L的浓度为1mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸15min，过滤，得到固体A和液体A；将液体A添加到2Kg含水率为80%的新鲜污泥中，再加入400g的硅藻土，搅拌均匀，加热保持微沸10min，抽滤，得到固体B和液体B；用氢氧化钾调整液体B的pH值为6.5，静置24h，抽滤，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；向固体A中加水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为11.2，并加热至80℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠溶液，使得液体的pH值保持在11.2，过滤，得到固体D和液体D；将固体D与固体B以及固体C混合，105℃烘干，球磨8h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，置于高温炉内，以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min。再以6℃/min的速度继续升温到1200℃，并保温15 min，炉内冷却到室温，得到多孔陶瓷球；将多孔陶瓷球浸泡于液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为28时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于450℃下炭化活化1h，得到载炭多孔陶瓷球；剩余的液体D中加入其质量0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应4h，得到料液E；按质量比为载炭多孔陶瓷球: 42.5号硫铝酸盐水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制成规格为150*150*50mm的混凝土块，室温保湿养护28d，得到多功能的生态混凝土材料4。
实施例5：多功能生态混凝土5的制备
取新鲜的梅花鹿粪，调整含水率83%，称取2Kg，加入400g质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸10min，再加入2L的浓度为1mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸10min，过滤，得到固体A和液体A；将液体A添加到2Kg含水率为81%的新鲜污泥中，再加入400g的硅藻土，搅拌均匀，加热保持微沸10min，过滤，得到固体B和液体B；用氢氧化钾调整液体B的pH值为8，静置16h，过滤，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；向固体A中加入水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为11.6，并加热至70℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠溶液，使得液体的pH值保持在11.6，过滤，得到固体D和液体D；将固体D与固体B以及固体C混合，120℃烘干，球磨5h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，置于高温炉内，以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min。再以6℃/min的速度继续升温到1100℃，并保温20 min，炉内冷却到室温，得到多孔陶瓷球；将多孔陶瓷球浸泡于液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为32时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于450℃下炭化活化5h，得到载炭多孔陶瓷球；剩余的液体D中加入其质量0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应4h，得到料液E；按质量比为载炭多孔陶瓷球:42.5号硅酸盐水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，制成规格为150*150*50mm的混凝土块，室温保湿养护28d，得到多功能的生态混凝土材料5。
实施例6：多功能生态混凝土性能指标
采用体积法测定多功能生态混凝土试样块的孔隙率；采用常水头法测定多功能生态混凝土试样块的透水系数；参照 GB50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测定混凝土试样块的抗压强度；采用整块混凝土试块浸没在水中24h，然后测定浸泡水的pH值，见表1。
表1多功能生态混凝土性能指标
实施例7：多功能生态混凝土对水质的净化性能
采用配置的模拟生活污水，分别以葡萄糖、氯化铵和磷酸二氢钾为主要碳、氮和磷源，以铅离子作为重金属；量取5L总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)和铅（Pb）的浓度分别为2.5mg/L、0.5mg/L、75.3mg/L和100 mg/L的废水。分别取实施例1-5所得的生态混凝土各1块（150*150*150mm），清水浸泡去碱后，置于该废水样中，并以30r/min搅拌速度搅拌水样，室温下放置吸附7天，按照《水和废水监测分析方法》中规定的方法测定水中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)和铅（Pb）的含量，结果见表2
表2多功能生态混凝土对水质的净化性能（mg/L）
| TN | TP | COD<sub>Cr</sub> | Pb | |
| 生态混凝土1 | 1.229 | 0.269 | 34.9 | 0 |
| 生态混凝土2 | 1.138 | 0.201 | 32.6 | 0 |
| 生态混凝土3 | 1.975 | 0.291 | 40.3 | 28.7 |
| 生态混凝土4 | 1.187 | 0.274 | 42.5 | 2.5 |
| 生态混凝土5 | 1.262 | 0.282 | 40.1 | 19.3 |
| 空白 | 2.831 | 0.491 | 73.7 | 97.7 |
实施例8：多功能生态混凝土对空气中甲醛的净化能力
分别将实施例1-5制备的多功能生态混凝土块置于长×宽×高为1250mm×800mm×1000mm的全玻璃空气试验箱内，调整甲醛的初始浓度为0.5mg/m3，室内自然光条件下，放置72h，根据GB/T 18883-2002“室内空气质量标准”和GB/T18204.26-2000“空气质量-甲醛的测定-酚试剂分光光度法”，采样测定甲醛浓度，同时做空白试验，结果见表3。
表3 多功能生态混凝土块对空气中甲醛的净化性能
| 72h后浓度（mg/m<sup>3</sup>） | 去除率（%） | |
| 生态混凝土1 | 0.382 | 23.6 |
| 生态混凝土2 | 0.321 | 35.8 |
| 生态混凝土3 | 0.377 | 24.6 |
| 生态混凝土4 | 0.371 | 25.8 |
| 生态混凝土5 | 0.328 | 34.4 |
| 空白 | 0.489 | 2.2 |
以上数据表明，本发明方法制备的多功能生态混凝土具有较好的净化水质和空气中甲醛的能力。
Claims (3)
1.一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
（1）取新鲜的草食性牲畜粪便，调整含水率80-85%，加入粪便质量10%-20%的质量百分含量为30%的双氧水，搅拌均匀，加热微沸5-20min，再按照粪便质量的千克数与酸溶液体积的升数之比为1Kg:1L比例加入浓度为0.5-2mol/L的硝酸溶液，搅拌均匀，继续加热保持微沸10-20min，固液分离，得到固体A和液体A；
（2）取与粪便等质量的含水率为80-90%的新鲜污泥，加入污泥质量的15-30%的硅藻土和步骤（1）得到液体A，搅拌均匀，加热保持微沸10-20min，固液分离，得到固体B和液体B；
（3）将步骤（2）中得到的液体B用氢氧化钾调整pH值为6-8，静置12h-24h，固液分离，得到固体C和液体C，液体C可作为液体肥料；
（4）向步骤（1）得到的固体A中加入水至刚好浸没固体，搅拌均匀，用1mol/L的氢氧化钠溶液调液体的pH值为11-12之间，并加热至60-80℃，搅拌反应1h，补加氢氧化钠，使得液体的pH值保持在11-12范围内，固液分离，得到固体D和液体D；
（5）将步骤（4）得到的固体D与步骤（2）得到的固体B以及步骤（3）得到的固体C混合，105-150℃烘干，球磨2-8h，润湿，制成粒径为8-15mm的小球，105℃烘干，950-1300℃煅烧10-20min，得到多孔陶瓷球；
（6）将步骤（5）得到的多孔陶瓷球浸泡于步骤（4）得到的液体D中，加热浓缩至液体D的波美度为26-32时，分离出吸附饱和的多孔陶瓷球和剩余的液体D；
（7）将吸附饱和的多孔陶瓷球105℃烘干，于400-500℃下炭化活化1-6h，得到载炭多孔陶瓷球；
（8）取步骤（6）剩余的液体D，加入其质量的0.3%的纳米钛酸钙和10%的亚硫酸钠，加热90℃，冷凝回流反应2-4h，得到料液E；
（9）按质量比为载炭多孔陶瓷球:水泥:料液E为6:1:0.2比例取料，混合均匀，即得。
2.根据权利要求1所述的一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法，其特征在于所述的草食性牲畜粪便包括牛粪、羊粪、鹿粪和马粪。
3.根据权利要求1所述的一种利用草食性牲畜粪便和污泥制备多功能混凝土的方法，其特征在于步骤（5）中煅烧方法为：以2.5℃/min的升温速度升到360 ℃, 并在此温度下保温20 min，再以6℃/min的速度继续升温到烧成温度，并保温10-20 min，炉内冷却到室温。
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