CN110483093B - 钢铁厂综合废水污泥基保水材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢铁厂综合废水污泥基保水材料及其制备方法，该方法包括如下步骤：1)经干化工艺，将污泥含水率降低至10％～15％；2)向干化后的污泥中加入熔剂辅料和造孔剂并混合均匀，其中污泥占65％～85％，熔剂辅料占10～30％，造孔剂占2％～5％；3)干燥预热，使物料含水率降低到2％以下，温度升高到240～350℃；4)进行烧结，烧结时间为10～20min，温度为800～1150℃；5)冷却，破碎，筛分，所得粒径小于16mm的物料即为本发明所提供的钢铁厂综合废水污泥基保水材料。本发明保水材料所采用的制备原料绝大部分为废水污泥，污泥掺量高，成本低；产品孔隙率高，功能性好，无污染，附加值高，可广泛应用，具有良好的技术经济性。

Description

钢铁厂综合废水污泥基保水材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种保水材料，特别是指一种钢铁厂综合废水污泥基保水材料及其制备方法。
背景技术
钢铁厂综合废水水站在污水处理回用及排放过程中产生大量废水污泥，缺乏有效资源化利用手段，对周边环境造成污染。
海绵城市，国际上称为“低影响开发雨水系统构建”，是新一代城市雨洪管理概念，它是指城市能够像海绵一样，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用，实现雨水在城市中自由迁移。在海绵城市的建设过程中，种植土层透水与保水性矛盾突出。一方面，种植土需要有一定的渗透速率，以满足海绵城市雨水下渗排水需求，另一方面，种植土过高的渗透率造成土体水分、营养流失影响植物存活和生长，浇水、补肥量大，维护困难。
无机保水材料是一种具有较大孔隙率和吸水性能的陶质材料，在保水材料干燥，外界湿润时可从外界吸收大量水分，而在外界干燥时又能将吸收的水分释放。在雨水花园等设施中，无机保水材料可铺设在植物根系周围，从而实现在下雨时保水保肥，在干燥时向植物提供水和养分的功能。
水处理污泥作为保水材料已有大量研究。比如，罗艳丽等人研究了城市污泥做保水剂的功能，通过土培实验，在砂土、壤土和粘土中加入不同质量的污泥，研究污泥对不同质地土壤的保水效果，结果表明污泥可显著提高土体持水能力。陈晓蓉等研究了污泥保水功能及放置方式的保水效果，获得了污泥具有较强保水性实验结论。这些研究主要针对将污泥直接混入土体内做保水材料使用，但是由于污泥本身颗粒细，直接应用虽然具有保水效果，但同时降低了土体渗透速率，难以满足海绵城市雨水花园等排水要求。
马小鹏等人提供了一种海绵性绿色无机蓄水材料及其制备方法(申请号CN201610323603.4)，以钼尾矿、关中黄土为主要原料，制造工艺包括混合、烧结、破碎等过程。蹇守卫等人提供了一种高性能蓄水材料的制备方法(申请号CN201610323603.4)，利用黏土质原料、生物质原料、高温液相促进剂，高温发泡剂，塑性增强剂等原料制备，实现河道淤泥的资源化利用。但是，由于原料成分和性质区别，这些方法不能实现对钢铁厂综合废水污泥的大量利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具良好保水性与透水性的钢铁厂综合废水污泥基保水材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所提供的钢铁厂综合废水污泥基保水材料的制备方法，包括如下步骤：
1)以钢铁厂综合废水污泥为原料，经干化工艺，将含水率降低至10％～15％(本发明中的百分数，凡未特别指出，均为重量百分数)；
2)向干化后的污泥中加入熔剂辅料和造孔剂并混合均匀，其中污泥占混合后物料总重的65％～85％，熔剂辅料占混合后物料总重的10～30％，造孔剂占混合后物料总重的2％～5％；
3)对混合后物料进行干燥预热，使物料含水率降低到2％以下，并使物料温度升高到240～350℃；
4)对干燥预热后物料进行烧结，烧结时间为10～20min，烧结温度为800～1150℃；
5)将烧结后的物料冷却至200℃以下，冷却时可以回收余热用于干化工艺或者发电；物料再送入破碎机进行破碎，随后进行筛分，将粒径大于16mm的物料返回破碎机，粒径小于16mm的自然级配作为保水材料产品。
优选地，所述步骤1)中，干化工艺采用自然干燥和/或强制干燥。
优选地，所述步骤1)中，钢铁厂综合废水污泥按干基重量百分比计包括如下化学成分：21％≤Fe2O3≤45％，5％≤CaO≤15％，MgO≤5％，15％≤SiO2≤30％，5％≤Al2O3≤20％，K2O≤2％，Na2O≤2％，余量为结晶水、有机物及其它不可避免的成分。
优选地，所述步骤2)中，熔剂辅料包括生石灰、消化石灰中的一种或两种的混合物。
优选地，所述步骤2)中，造孔剂为淀粉、碳酸氢铵、尿素、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)中的一种或几种的混合物。
优选地，所述步骤2)中，混合时间为30～60s。
优选地，所述步骤3)中，采用链篦机进行干燥预热，其步骤为：3.1)通过布料器将混合后物料散布在链篦机的进料口，料层厚度为50～70cm；3.2)通过链篦机进行干燥预热，链篦机入口温度为130～170℃，出口温度为240～350℃，链篦机内加热时间为2～4min。链篦机工艺稳定性好，不易发生堵料，预热能力强，不易发生预热不均匀等情况，工作效率高。
优选的，所述步骤4)中，烧结温度为850～1050℃。
优选地，所述步骤5)中，冷却所采用的工艺设备包括环形炉或竖炉；所述破碎机包括颚式破碎机、圆锥破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机、对锟破碎机或立轴破碎机中的一种或几种的组合(这里的组合是指先后经过不同破碎机进行破碎)。
优选地，所述步骤5)中，保水材料产品的粒度特征是小于1mm颗粒质量不大于10％。
本发明还提供了经由上述方法制备得到的钢铁厂综合废水污泥基保水材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明中综合废水污泥掺量达到65～85％，可大量消纳难利用的废水污泥，解决钢铁厂综合废水污泥资源化利用问题，降低企业环境风险；
2)本发明提供的保水材料产品蓄水能力达到70％以上，比干化污泥具有更好的保水效果，同时产品颗粒大，直接应用于海绵城市雨水花园种植土层，可改善种植土渗透率，即保证了雨水下渗又为植物生长提供了水分；
3)本发明针对钢铁厂综合废水污泥本身成分特性，添加石灰类物质作为熔剂辅料，一方面，石灰的加入使得混合物熔点降低，易于形成液相，有利于烧结，另一方面，补充了污泥中石灰等碱性物质不足，在高温烧结过程中石灰与污泥中的Fe2O3、SiO2等成分反应生成铁酸钙、硅酸钙等物质形成黏结相，提高产物强度；
4)本发明保水材料制备原料绝大部分为废水污泥，污泥掺量高，成本低；产品孔隙率高，功能性好，无污染，附加值高，可广泛应用，具有良好的技术经济性。
附图说明
图1为本发明所提供的污泥基保水材料的制备流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所提供的钢铁厂综合废水污泥基保水材料的制备方法，其工艺流程为：干化→混料→干燥预热(含布料)→烧结→冷却→破碎→筛分。具体步骤详见实施例。
实施例1
制备原料：A.某钢铁厂综合废水污泥，其化学成分按干基重量百分比计包括：Fe2O335.7％，CaO 10.1％，MgO 4.2％，SiO224.6％，Al2O312.6％，K2O 1.1％，Na2O 1.3％，余量为结晶水、有机物及其它不可避免的成分；B.熔剂辅料：采用生石灰，其中CaO 95.6％；C.造孔剂：采用工业纯的尿素。
以上述原料制备污泥基保水材料的具体步骤如下：
1)钢铁厂综合废水污泥通过自然晾干，将含水率降低至15％；
2)将干化后的污泥、生石灰和尿素混合，其中，污泥占混合后总重的75％；生石灰占混合后总重的20％，；尿素占混合后总重的5％，通过搅拌机强制混合均匀，搅拌时间约为40s；
3)通过布料器将混合物散布在链篦式机进料口，料层厚度约60cm；
4)物料通过链篦机预热干燥，链篦机入口温度为150℃，出口温度为250℃，加热时间为2～3min，物料离开链篦机时含水率在2％以下；
5)混合物干燥后进入加热炉，烧结时间约15min，烧结温度为900～1050℃；
6)将烧结后的物料通过环形炉冷却至200℃以下，冷却时回收余热并提供给干化工艺；再将物料经颚式破碎机和圆锥破碎机组合破碎后进入振动筛筛分，大于16mm物料返回破碎工序，小于16mm的自然级配即为本实施例所制备的钢铁厂综合废水污泥基保水材料，包装出售。
实施例2
制备原料：A.某钢铁厂综合废水污泥，其化学成分按干基重量百分比计包括：Fe2O340.2％，CaO 7.6％，MgO 2.4％，SiO228.1％，Al2O313.8％，K2O 1.9％，Na2O 1.4％，余量为结晶水、有机物及其它不可避免的成分；B.熔剂辅料：采用消化石灰，其中CaO 72.3％；C.造孔剂：采用工业纯的淀粉。
以上述原料制备污泥基保水材料的具体步骤如下：
1)钢铁厂综合废水污泥通过烘干工艺，将含水率降低至12％；
2)将干化后的污泥、消化石灰和淀粉混合，其中，污泥占混合后总重的70％；消化石灰占混合后总重的25％，淀粉占混合后总重的5％，通过搅拌机强制混合均匀，混合时间为约50s；
3)通过布料器将混合物散布在链篦式机进料口，料层厚度约65cm；
4)物料通过链篦机预热干燥，链篦机入口温度为150℃，出口温度为250℃，加热时间为2～3min，物料离开链篦机时含水率在2％以下；
5)混合物干燥后进入加热炉，烧结时间约18min，烧结温度为850～1000℃；
6)将烧结后的物料通过环形炉冷却至200℃以下，冷却时回收余热用于余热发电；再将物料经颚式破碎机和冲击式破碎机组合破碎后进入振动筛筛分，大于16mm物料返回破碎机，小于16mm的自然级配即为本实施例所制备的钢铁厂综合废水污泥基保水材料，包装出售。
实施例3
制备原料：A.某钢铁厂综合废水污泥，其化学成分按干基重量百分比计包括：Fe2O337.7％，CaO 13.2％，MgO 3.1％，SiO219.8％，Al2O317.8％，K2O 0.8％，Na2O 1.2％，余量为结晶水、有机物及其它不可避免的成分；B.熔剂辅料：采用生石灰和消化石灰按质量比1:1的混合物，其中CaO 83.7％；C.造孔剂：采用碳酸氢铵和PMMA按质量比1:1的混合物，均为工业纯。
以上述原料制备污泥基保水材料的具体步骤如下：
1)钢铁厂综合废水污泥通过烘干工艺，将含水率降低至10％；
2)将干化后的污泥、熔剂辅料和造孔剂混合，其中，污泥占混合后总重的80％；熔剂辅料占混合后总重的17％，；造孔剂占混合后总重的3％；通过搅拌机强制混合均匀，混合时间约为55s；
3)通过布料器将混合物散布在链篦式机进料口，料层厚度约70cm；
4)物料通过链篦机预热干燥，链篦机入口温度为150℃，出口温度为250℃，加热时间为2～3min，物料离开链篦机时含水率在2％以下；
5)混合物干燥后进入加热炉，烧结时间约18min，烧结温度为950～1000℃；
6)将烧结后的物料通过竖炉冷却至200℃以下，冷却时回收余热并提供给干化工艺；再将物料经颚式破碎机破碎后进入振动筛筛分，大于16mm物料返回破碎机，小于16mm的自然级配即为本实施例所制备的钢铁厂综合废水污泥基保水材料，包装出售。
测试例
实施例1～3所制得的钢铁厂综合废水污泥基保水材料外观为颗粒状，颗粒直径不大于16mm，并且小于1mm颗粒质量不大于10％。为对各实施例所制备的保水材料与原始污泥的保水透水性能进行对比，本测试例采用某海绵城市建设工程中使用的某种植土开展对比试验。测试方法是将一定份数的污泥基保水材料或综合废水污泥掺入种植土中，测量混合土渗透系数并开展土培试验考察土体持水能力。
试验样品：样品1为空白组，采用100质量份的种植土；样品2为对照组，在85质量份的种植土中加入了15质量份的干燥后的综合废水污泥，混合均匀；样品3～5在85质量份的种植土中分别加入15质量份的本发明实施例1～3所制备的钢铁厂综合废水污泥基保水材料。
采用环刀法测量各样品土壤渗透系数结果如表1。
表1对种植土渗透系数的影响
Figure BDA0002198961630000081
由表1可见，与原始种植土相比，掺入废水污泥后，土体渗透系数有所降低，而掺入保水材料后土体渗透系数有所提高。土壤渗透系数主要由土壤颗粒组成决定，综合废水污泥粒度细，降低了种植土平均粒度，使得土体容易堵塞，渗透能力下降，而本发明所提供的保水材料通过烧结和破碎，细颗粒少，提高了种植土平均粒度，因此土壤渗透能力大大高于原始污泥原料。
土培实验中，将样品放置在纸杯中，加水使土体饱和，将纸杯架上悬空放置24h，待土壤中重力水流失，称重，测量土壤初始含水率。在纸杯放入恒温培养箱中，取若干时间节点对样品含水率进行检测，结果如表2。
表2对种植土持水能力的影响
Figure BDA0002198961630000091
由表2可见，与原始种植土相比，掺入废水污泥和保水材料均能改善种植土持水能力，但本发明保水材料性能更佳，特别是长期保水效果明显优于掺入废水污泥的样品。

Claims (7)

1.一种钢铁厂综合废水污泥基保水材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)以钢铁厂综合废水污泥为原料，经干化工艺，将含水率降低至10％～15％；所述钢铁厂综合废水污泥按干基重量百分比计包括如下化学成分：21％≤Fe2O3≤45％，5％≤CaO≤15％，MgO≤5％，15％≤SiO2≤30％，5％≤Al2O3≤20％，K2O≤2％，Na2O≤2％；
2)向干化后的污泥中加入熔剂辅料和造孔剂并混合均匀，其中污泥占混合后物料总重的65％～85％，熔剂辅料占混合后物料总重的10～30％，造孔剂占混合后物料总重的2％～5％；所述熔剂辅料包括生石灰、消化石灰中的一种或两种的混合物；
3)对混合后物料进行干燥预热，使物料含水率降低到2％以下，并使物料温度升高到240～350℃；
4)对干燥预热后物料进行烧结，烧结时间为10～20min，烧结温度为800～1150℃；
5)将烧结后的物料冷却至200℃以下，再送入破碎机进行破碎，随后进行筛分，将粒径大于16mm的物料返回破碎机，粒径小于16mm的自然级配作为保水材料产品；所述保水材料产品的粒度特征是小于1mm的颗粒质量不大于10％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，造孔剂为淀粉、碳酸氢铵、尿素、PMMA中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，混合时间为30～60s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用链篦机进行干燥预热，其步骤为：3.1)通过布料器将混合后物料散布在链篦机的进料口，料层厚度为50～70cm；3.2)通过链篦机进行干燥预热，链篦机入口温度为130～170℃，出口温度为240～350℃，链篦机内加热时间为2～4min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，烧结温度为850～1050℃。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，冷却所采用的冷却设备包括环形炉或竖炉；所述破碎机包括颚式破碎机、圆锥破碎机、锤式破碎机、反击式破碎机、对锟破碎机或立轴破碎机中的一种或几种的组合。
7.一种采用如权利要求1～6中任一项所述的制备方法制得的钢铁厂综合废水污泥基保水材料。
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