CN109867450A - 一种污泥焚烧灰渣胶结体及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污泥焚烧灰渣处理技术领域，具体公开了一种污泥焚烧灰渣胶结体，包含污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰、工业废渣和激发剂。本发明还公开了所述的污泥焚烧灰渣胶结体的制备以及将其用作路基材料的应用。本发明方法焚烧灰渣胶结体中重金属浸出含量较低，此外也具有一定的抗压强度，可以满足作为路基材料利用的要求，实现了污泥焚烧灰渣的无害化和资源化。

Description

一种污泥焚烧灰渣胶结体及其制备和应用
技术领域
本发明属于污泥焚烧灰渣处理领域，具体涉及一种污泥焚烧灰渣的处理及高价值利用方法。
背景技术
污泥不稳定、易腐败、有恶臭性气味，且除了含有难降解的有机物和氮、磷等营养物质外，还存在重金属、致病菌和寄生虫等生物污染源，是一项较难处理的半固态污染物。
剩余污泥的处理过程要遵循减量化、无害化和资源化原则。与污泥堆肥、卫生填埋等处理方法相比，污泥焚烧处理技术具有技术成熟、处理量大、减容性好、无害化彻底、热能可回收等优点。但剩余污泥在焚烧过程中，挥发态的重金属(包括Hg、Cd、Pb、Cr等)及二恶英类污染物、氯化物、硫化物等会在焚烧飞灰和底渣中富集。
目前污泥焚烧飞灰和底渣的处理方法主要有安全填埋、水泥固化/药剂固化- 卫生填埋、高温处理-资源化、金属提取-资源化等几类。其中，安全填埋占用土地资源，场地建设投入高，处理费用昂贵；水泥固化所需材料费和运行费用较低，操作简单，但是飞灰和底渣中的可溶性盐等物质易造成固化破裂，渗透性增加，结构强度降低，且氯含量的增加会大大促进重金属的溶出；药剂固定稳定法具有处理过程简便、少增容或不增容等优点，但对二恶英、溶解盐的稳定作用不明显，药剂费用高、长期稳定性尚不明确，且化学药剂具有一定的选择性，很难找到一种广泛性的化学药剂；高温熔融/烧结处理可得到高质量的建筑材料，减容效果好、熔渣性质稳定、无重金属溶出，但能耗高，仍存在飞灰的二次污染问题；金属提取法可在降低飞灰和底渣毒性的同时还可以回收有价金属，但其无害化不彻底，只适合作为其它处理措施的前处理，而该技术只适用于存在金属有回收价值的飞灰。
因此，目前仍需开发一种适当的污泥焚烧灰渣处理技术，以实现污泥焚烧灰渣的稳定化、无害化和资源化处理。
发明内容
为了解决污泥焚烧灰渣中污染物含量高和浸出毒性高而造成的难处理问题，本发明提供了一种污泥焚烧灰渣胶结体，旨在有效地钝化灰渣中的重金属，并且实现污泥焚烧灰渣的利用。
本发明第二目的在于，提供一种污泥焚烧灰渣胶结体的制备方法，也即是污泥焚烧灰渣的处理且高价值应用方法，旨在有效地固定灰渣中的污染物，并且实现了污泥焚烧灰渣的材料化利用。
本发明第三目的在于，提供一种污泥焚烧灰渣胶结体的应用方法。
一种污泥焚烧灰渣胶结体，包含污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰、工业废渣和激发剂。
本发明研究发现，所述的污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰、工业废渣和激发剂成分具有协同效果，可以有效固定污泥焚烧灰渣中的重金属成分，此外，还协同赋予污泥焚烧灰渣胶结体良好的强度。
所述的污泥焚烧灰渣为剩余污泥经过协同焚烧(水泥窑炉/循环流化床炉/煤粉炉/机械炉排炉)处置后获得。其属于二类工业固体废物，污泥焚烧灰渣中的 SiO2、Al2O3、Fe3O4等无定形态矿质组分具有回收利用价值，但其中常含有重金属，例如，汞、镉、铅、铬和砷的浸出浓度分别为0.065-0.88mg/L、0.22-0.36mg/L、 0.31-0.54mg/L、5.8-7.9mg/L和0.21-0.53mg/L。因此，如何在有效固化重金属的前提下还实现有价资源的高效利用是现有技术的主要研究课题。
本发明在所述的胶结体的前驱体中加入秸秆焚烧灰与工业废渣和激发剂协同处理污泥焚烧灰渣，通过组分协同，有效地提高了钝化灰渣中重金属能力和胶结体力学性能参数，研究发现，本发明方法处理后的污泥焚烧灰渣胶结体中汞 (Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和砷(As)五种重金属的浸出浓度均达到GB16889-2008的要求，且胶结体的7天无侧限抗压强度也达到3Mpa，可以满足作为路基材料利用的要求。
研究发现，采用所述成分的工业废渣、激发剂和添加秸秆焚烧灰是保证后续重金属钝化效果和胶结体力学性能的关键。
作为优选，所述的工业废渣包括矿渣与钢渣、磷渣、粉煤灰液态渣、沸腾炉渣、煤矸石和其它工业废渣中的至少一种；进一步优选为其中的4种及以上。采用多元复配的工业废渣具有更优的效果。
进一步优选：所述的工业废渣包括磷渣、矿渣、沸腾炉渣和粉煤灰。研究发现，优选的四元复配的工业废渣具有更优的效果，可以进一步辅助其他组分，改善胶结体的金属固化以及强度性能。
更进一步优选，所述的工业废渣为重量比为1-30：1-20：1-10：1-5的磷渣、矿渣、沸腾炉渣和粉煤灰；最优选的比例为1～5:5～15:1～5:1～5。本发明人研究发现，在所述的四元复配的工业废渣的基础上，进一步将各元成分的比例控制在所要求的范围内，可以进一步提升协同效果。
所述的激发剂为Na2SO3、氨基三乙醇、木质磺酸钠、木质磺酸、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钠、十二水硫酸铝钾、硫酸钙、CH3COONa、C3H8O3和Na2SO4中的至少一种；优选为其中的五种及以上。研究发现，五种及以上的成分复配可以进一步提升重金属固化效果，还可提升胶结体强度。
进一步优选：所述的激发剂包括氨基三乙醇、木质磺酸钠、氢氧化钠、十二水硫酸铝钾和硫酸钙。研究发现，该五元复配的激发剂具有协同效果，可以进一步辅助其他组分，改善胶结体的金属固化以及强度性能。
更进一步优选，所述的激发剂包括质量比为1-3：1-5：1-10：1-3：1-30的氨基三乙醇、木质磺酸钠、氢氧化钠、十二水硫酸铝钾和硫酸钙；该比例进一步优选为1-3：1-5：9-10：1-3：10-15。研究意外发现，在所述的五元复配的激发剂的基础上，进一步将各元成分的比例控制在所要求的范围内，可以进一步提升协同效果。
农作物秸秆焚烧灰，其主要成分是无定型状态的SiO2，且具有丰富的大尺度孔隙，这些因素导致其比表面积较大，火山灰活性非常强，可以协同于其他成分，提升胶结体的重金属钝化以及力学性能。
研究发现，可通过控制农作物秸秆焚烧灰的秸秆种类以及焚烧的温度调控农作物秸秆焚烧灰的无定型状态的SiO2含量以及火山灰活性有影响，进而进一步提升胶结体的金属钝化以及力学性能。
作为优选，所述的秸秆焚烧灰包括稻秸秆、稻壳、玉米秆、麦秸秆和其它农作物秸秆中的至少一种经过焚烧获得；优选为稻秸秆的焚烧灰。研究意外发现，稻秸秆的焚烧灰和其他成分的协同效果更优，更利于提升胶结体的重金属固化以及强度。
作为优选，秸秆焚烧温度为450℃-1000℃；优选为500℃-800℃；更进一步优选为550℃-700℃；更进一步优选为600℃-700℃。在优选范围下，可进一步提高秸秆灰的火山灰活性，有助于进一步提升钝化重金属效果和胶结体力学性能。
研究还发现，进一步控制成分的比例，可以进一步提升成分之间的协同效果，可以进一步提升胶结体的重金属钝化效果和力学性能。
作为优选，污泥焚烧灰渣的重量份为100份；秸秆焚烧灰的重量份为1～10 份；工业废渣的重量份为1～30份；激发剂的重量份为0.5～10份；
进一步优选，污泥焚烧灰渣的重量份为100份；秸秆焚烧灰的重量份为3～5 份；工业废渣的重量份为20～25份；活化剂激发剂的重量份为1～1.5份。本发明研究意外发现，控制在该优选的比例下，胶结体的重金属固化以及强度更优。
本发明还提供了一种所述污泥焚烧灰渣胶结体的制备方法，将各组分混合，浆化，将获得的浆液浇筑成型，制得所述的所述污泥焚烧灰渣胶结体。
本发明提供了一种污泥焚烧灰渣处理方法，将污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰、工业废渣和激发剂按比例混合均匀，随后加入一定量水，在搅拌机中混合均匀，之后成型固化得到所述的胶结体。本发明实现了污泥焚烧灰渣这一有毒固废的有效消减，不仅如此，还可实现联产具有应用价值的胶结体。
激发剂本发明预先将污泥焚烧灰渣、工业废渣和激发剂和秸秆焚烧灰混合均匀，该过程创新性的加入了秸秆焚烧灰(高火山灰活性物质)，如此有助于提升胶结体的力学性能，不仅如此，还能有效地固定灰渣中的重金属，避免了污泥焚烧灰渣处理的重金属污染问题。本发明方法有效的提高灰渣胶结体的力学性能和钝化灰渣中重金属，既解决了污泥焚烧灰渣处理问题，也能实现污泥焚烧灰渣的材料化利用。此外，本发明方法中添加的秸秆焚烧灰由农作物秸秆焚烧后获得，故而本发明也实现了污泥焚烧灰渣与农作物秸秆焚烧灰的双资源化利用。
本发明中，物料搅拌均和方法可采用现有手段，例如混凝土搅拌机、水泥砂浆搅拌机。
作为优选，按水灰比为0.2-0.6；进一步优选为0.35-0.5。
本发明一种优选的污泥焚烧灰渣处理方法(污泥焚烧灰渣胶结体的制备方法)，具体步骤如下：
(1)将稻壳送进焚烧炉中进行充分焚烧，待焚烧灰冷却至室温后粉碎过孔径80μm筛，得到秸秆灰，焚烧温度为550℃-700℃；
(2)将秸秆焚烧灰、工业废渣、激发剂和污泥焚烧灰渣加入搅拌机中进行搅拌均和，得到前驱体粉状物，污泥焚烧灰渣的重量份为100份；秸秆焚烧灰的重量份为3～5份；工业废渣的重量份为20～25份；激发剂的重量份为1～1.5份；
(3)向搅拌机中加入水，开动搅拌机进行拌和，得到胶结体前驱体(浆料)，水灰比为0.35-0.5；
(4)最后停止搅拌，取出浆料后随即将其浇筑入试模，之后进行震捣成型固化，得到污泥焚烧灰渣胶结体，其中汞、镉、铅、铬和砷5种重金属的浸出浓度均符合GB16889-2008的要求，7天无侧限抗压强度也均大于3MPa。
本发明还提供了一种所述污泥焚烧灰渣胶结体的应用，用作路基材料。
本发明中，所述成分配比的工业废渣、激发剂和添加的农作物秸秆焚烧灰具有协同钝化污泥焚烧灰渣中重金属的作用，进一步降低了污泥焚烧灰渣中重金属的浸出，不仅如此，污泥焚烧灰渣胶结体的力学性能也得到了提高，可满足作为路基材料利用的要求。
本申请与现有技术相比，至少具有以下明显优点和效果：
(1)污泥焚烧灰渣经处理后其中5种重金属的浸出浓度均满足 GB16889-2008的要求，可进行填埋处理；
(2)污泥焚烧灰渣经处理后的胶结体7天无侧限抗压强度可达到3Mpa，可满足作为路基材料利用的要求，实现了污泥焚烧灰渣的无害化和资源化处理。
附图说明
图1为本发明实施例1-3和对比例1-3胶结体中重金属的浸出含量。
图2为本发明实施例1-3和对比例1-3胶结体的无侧限抗压强度。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例中所用污泥焚烧灰渣均来自武汉市某垃圾焚烧厂机械炉排炉焚烧线，其中汞、镉、铅、铬和砷5种重金属的含量分别为4.0-4.5mg/kg、3.0～3.5mg/kg、 120～130mg/kg、110～120mg/kg和35～40mg/kg。
实施例1
一种本发明的污泥焚烧灰渣处理方法，原料为：城市污泥、胶结剂和稻壳。具体步骤如下：
(1)将稻壳送进焚烧炉中进行充分焚烧，待焚烧灰冷却至室温后粉碎过孔径80μm筛，得到秸秆灰，焚烧温度为700℃；
(2)将秸秆焚烧灰、胶结剂(其中，工业废渣含质量比为1：9：3：2的磷渣、矿渣、沸腾炉渣和粉煤灰，激发剂为质量比为1：1：9：1：12的氨基三乙醇、木质磺酸钠、氢氧化钠、KAl(SO4)2·12H2O和CaSO4；工业废渣与激发剂的质量比为80：3)和污泥焚烧灰渣加入搅拌机中进行搅拌均和，得到前驱体粉状物，秸秆灰的用量为污泥焚烧灰渣重量的3％，胶结剂的用量为污泥焚烧灰渣重量的25％；
(3)向搅拌机中加入水，开动搅拌机进行拌和，得到胶结体前驱体(浆料)，水灰比为0.35；
(4)最后停止搅拌，取出浆料后随即将其浇筑入试模，之后进行震捣成型固化，得到污泥焚烧灰渣胶结体。
实施例2
一种本发明的污泥焚烧灰渣处理方法，原料为：城市污泥、胶结剂和稻壳。具体步骤如下：
(1)将稻壳送进焚烧炉中进行充分焚烧，待焚烧灰冷却至室温后粉碎过孔径80μm筛，得到秸秆灰，焚烧温度为600℃；
(2)将秸秆焚烧灰、胶结剂(其中，工业废渣含质量比为1：9：3：2的磷渣、矿渣、沸腾炉渣和粉煤灰，激发剂为质量比为1：2：10：1：10的氨基三乙醇、木质磺酸钠、氢氧化钠、KAl(SO4)2·12H2O和CaSO4；工业废渣与激发剂的质量比为80：5)和污泥焚烧灰渣加入搅拌机中进行搅拌均和，得到前驱体粉状物，秸秆灰的用量为污泥焚烧灰渣重量的3％，胶结剂的用量为污泥焚烧灰渣重量的30％；
(3)向搅拌机中加入水，开动搅拌机进行拌和，得到胶结体前驱体(浆料)，水灰比为0.4；
(4)最后停止搅拌，取出浆料后随即将其浇筑入试模，之后进行震捣成型固化，得到污泥焚烧灰渣胶结体。
实施例3
一种本发明的污泥焚烧灰渣处理方法，原料为：城市污泥、胶结剂和玉米秸秆。具体步骤如下：
(1)将玉米秸秆送进焚烧炉中进行充分焚烧，待焚烧灰冷却至室温后粉碎过孔径80μm筛，得到秸秆灰，焚烧温度为700℃；
(2)将秸秆焚烧灰、胶结剂(其中，工业废渣含质量比为3：10：2：6：4 的磷渣、钢渣、沸腾炉渣、粉煤灰和煤矸石，激发剂为质量比为1：1：7：5：7： 10的氨基三乙醇、木质磺酸、碳酸钠、氢氧化钾、KAl(SO4)2·12H2O和CaSO4；工业废渣与激发剂的质量比为90：3)和污泥焚烧灰渣加入搅拌机中进行搅拌均和，得到前驱体粉状物，秸秆灰的用量为污泥焚烧灰渣重量的5％，胶结剂的用量为污泥焚烧灰渣重量的30％；
(3)向搅拌机中加入水，开动搅拌机进行拌和，得到胶结体前驱体(浆料)，水灰比为0.4；
(4)最后停止搅拌，取出浆料后随即将其浇筑入试模，之后进行震捣成型固化，得到污泥焚烧灰渣胶结体。
对比例1
和实施例1相比，区别仅在于，步骤(2)中未添加稻壳焚烧灰，其余过程参数均保持不变。
对比例2
和实施例1相比，区别仅在于，步骤(2)中未使用激发剂，其余过程参数均保持不变。
对比例3
和实施例3相比，区别仅在于，步骤(2)中未添加玉米秸秆焚烧灰，其余过程参数均保持不变。
参照国家标准(GB 5085.3-2007)对污泥焚烧灰渣胶结体中重金属浸出毒性进行测定以及参考国家标准(JGJ/T 70-2009)对胶结体的无侧限抗压强度进行测定。实施例1-3以及对比例1-3中胶结体中重金属的浸出含量和无侧限抗压强度分别如图1和图2所示，数据值见表1。
表1
综上分析，采用本发明所述的工业废渣和激发剂进行预处理，且在其中加入秸秆灰，可以有效提升污泥焚烧灰渣的胶结体中重金属的浸出量，不仅如此，还有助于胶结体抗压强度的提升。

Claims (10)

1.一种污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，包含污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰、工业废渣和激发剂。
2.如权利要求1所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，所述的污泥焚烧灰渣为剩余污泥经过协同焚烧处置后获得。
3.如权利要求1所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，所述的秸秆焚烧灰为稻秸秆、稻壳、玉米秆、麦秸秆和其它农作物秸秆中的至少一种秸秆经过焚烧获得。
4.如权利要求3所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，焚烧温度为450℃-1000℃；优选为500℃-800℃；更进一步优选为550℃-700℃。
5.如权利要求1所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，所述的工业废渣包括矿渣与钢渣、磷渣、粉煤灰液态渣、沸腾炉渣、煤矸石中的至少一种；优选为其中的四种及以上；
进一步优选包括磷渣、矿渣、沸腾炉渣和粉煤灰；且各复配成分的比例优选为1-30：1-20：1-10：1-5。
6.如权利要求1所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，所述的激发剂为Na2SO3、氨基三乙醇、木质磺酸钠、木质磺酸、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化钠、十二水硫酸铝钾、硫酸钙、CH3COONa、C3H8O3和Na2SO4中的至少一种；优选为其中的五种及以上；
优选地，所述的激发剂包括氨基三乙醇、木质磺酸钠、氢氧化钠、十二水硫酸铝钾和硫酸钙；重量比例优选为1-3：1-5：1-10：1-3：1-30。
7.如权利要求1～6任一项所述的污泥焚烧灰渣胶结体，其特征在于，污泥焚烧灰渣的重量份为100份；秸秆焚烧灰的重量份为1～10份；工业废渣的重量份为1～30份；激发剂的重量份为0.5～10份；
优选地，污泥焚烧灰渣的重量份为100份；秸秆焚烧灰的重量份为3～5份；工业废渣的重量份为20～25份；激发剂的重量份为1～1.5份。
8.一种权利要求1～7任一项所述污泥焚烧灰渣胶结体的制备方法，其特征在于，将各组分混合，浆化，将获得的浆液浇筑成型，制得所述的所述污泥焚烧灰渣胶结体。
9.如权利要求8所述污泥焚烧灰渣胶结体的制备方法，其特征在于，按水灰比为0.2-0.6浆化。
10.一种权利要求1～7任一项所述污泥焚烧灰渣胶结体，或权利要求8～9任一项所述制备方法制得的所述污泥焚烧灰渣胶结体的应用，其特征在于，用作路基材料。
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