CN110526647B - 一种底泥干化固结剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种底泥干化固结剂及其制备方法，属于底泥干化处理技术领域。由20％～60％硅酸盐水泥，10％～30％改性粉煤灰，5％～15％生石灰，5％～15％氧化镁，0.4％～1.8％纯碱，1％～5％石膏粉，0.5％～2％微硅粉混合均匀得到，该底泥干化固结剂粒径为100目。改性粉煤灰是高钙粉煤灰在1～3mol/L的氢氧化钠溶液中碱激发2小时后得到的。本发明所述的底泥干化固结剂可以在2～5天的短时间内将含水率60％以上的底泥干化至含水率20％以下，且底泥中的重金属元素可以得到有效固化稳定化。本发明的优势在于固结剂原料来源广泛且掺量小，因此成本较低，有利于大规模推广，且原料组成对后续建材产品的品质提高有益，有助于实现真正的底泥高附加值利用。

Description

一种底泥干化固结剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种底泥干化固结剂及其制备方法，属于底泥干化处理技术领域。

背景技术

近年来，随着我国对生态文明建设和环保政策的不断重视，黑臭水体整治成为了目前最严峻的环保课题之一。清淤疏浚是黑臭水体整治工程中必不可少的一步。清淤疏浚的底泥通常是黏土、泥沙、有机质及各种矿物的混合物，经过长时间物理、化学及生物作用及水体传输而沉积于水体底部所形成，而水体中的大量污染物(重金属、难降解有机物等)和营养物(氮、磷等)会在底泥中不断积累，使之成为了一个潜在而又巨大的内污染源。因此底泥具有含水率高、塑性强、成分复杂、污染严重等特点，底泥的不恰当处理极易对环境造成二次污染，甚至进入食物链，危害人体健康。底泥的无害化、减量化、资源化处理处置已成为目前环保行业和各级政府部门的重要工作之一。

底泥的脱水减量化是底泥处理处置中最基本的一环，减量化效率将直接影响到后续无害化资源化工艺流程的设计。目前大多数底泥通过机械脱水(机器压滤)的方式实现减量化，而机械脱水后泥的含水率仍有60％以上，无法满足后续资源化技术(如建材化利用、道路工程利用等)对底泥含水率低于20％的要求，因此经机械脱水后的底泥须进一步干化处理后，方可后续利用。自然晾晒和热烘干是目前两类应用较广泛的干化技术，但都有一定的局限性，自然晾晒需大面积的晾晒场地，且干化效率易受天气环境的影响，效率较低，一般而言底泥含水率要从50％经自然晾晒降低到20％，至少需要10天以上。而热烘干技术虽然效率高，但需要热源介入，干化成本高，因而应用受限。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种底泥干化固结剂及其制备方法，该固结剂可直接用于清淤上来的泥浆或经机械脱水后需进一步降低含水率的底泥，在大幅降低底泥含水率的同时，还能有效固化其中的重金属，且脱水成本远低于热烘干技术，约为其1/3。特别需要指出的是，本发明所述的干化固结剂的加入有益于后续底泥建材化利用中再生产品强度和性能的提高。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种底泥干化固结剂，由20％～60％硅酸盐水泥，10％～30％改性粉煤灰，5％～15％生石灰，5％～15％氧化镁，0.4％～1.8％纯碱，1％～5％石膏粉，0.5％～2％微硅粉混合均匀得到，该底泥干化固结剂粒径为100目。

所述的硅酸盐水泥为425等级或以上的普通硅酸盐水泥。

所述的改性粉煤灰选用游离氧化钙含量大于10％、需水量不大于105％且烧失量不大于5.0％的高钙粉煤经碱激发得到。

所述的生石灰为氧化镁含量≤5％的粉状钙质生石灰，其中有效钙含量≥90％。

所述的氧化镁为活性氧化镁含量≥85％的脱硫级轻质氧化镁。

所述的微硅粉为二氧化硅含量≥90％的微硅粉。

一种底泥干化固结剂的制备方法，包括如下步骤：

A,改性粉煤灰的制备：将游离氧化钙含量大于10％、需水量不大于105％且烧失量不大于5.0％的高钙粉煤灰浸泡在浓度为1～3mol/L的氢氧化钠溶液中2小时，得到具有很好的吸附能力和阳离子交换能力的改性粉煤灰，然后干燥，备用；

B,原料粉磨：将硅酸盐水泥、改性粉煤灰、生石灰、氧化镁、纯碱、石膏粉和微硅粉分别粉磨，过100目筛；

C,按质量百分比量取硅酸盐水泥：改性粉煤灰：生石灰：氧化镁：纯碱：石膏粉：微硅粉＝(20％～60％)：(10％～30％)：(5％～15％)：(5％～15％)：(0.4％～1.8％)：(1％～5％)：(0.5％～2％)，上述组分的重量百分比之和为100％，充分搅拌，均匀混合后得到底泥干化固结剂。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明的底泥干化固结剂可以在2～5天短时间内，将经机械脱水后、含水率约60％以上的底泥干化至20％以下，干化效率是自然晾晒的两倍以上。并且，市面上现有的固结剂主要是对底泥进行改性固化以增加强度，未从根本上降低底泥的含水率和改变底泥的塑性，而本发明所述的干化固结剂不仅能够高效降低底泥含水率，而且能有效固化底泥中的重金属元素，有助于后续资源化利用。

2、本发明的底泥干化固结剂的干化作用是各类原材料协同作用完成的：硅酸盐水泥与底泥中的水发生水化反应；改性粉煤灰与底泥中的重金属发生物理/化学吸附；生石灰与底泥中的水发生放热反应，促进水泥的水化反应和氧化镁与水反应；氧化镁与底泥中的水(加热时)发生反应；纯碱加速水泥的水化反应；石膏粉在水作用下微膨胀；微硅粉提高固化体的抗压、抗折和耐磨性能。

3、本发明的底泥干化固结剂能够有效固化稳定化底泥中的重金属，主要有两方面的作用：一，通过水泥、石膏等胶凝材料发生的水化反应，将部分重金属离子包裹于胶体中实现固化，同时也会有部分重金属离子会参与到水化反应中，从而进入硅酸盐产物的骨架中；二，粉煤灰经碱激发改性的工艺与现有高温焙烧等改性方法相比，改性过程简单，更易工业化，而且碱激发改性后的粉煤灰具有很好的吸附性能和阳离子交换性能，能够与底泥中的重金属发生物理或化学吸附，从而实现底泥的无害化。

4、本发明的底泥干化固结剂的突出优势在于固化与吸附双重作用相结合，一步实现底泥重金属的无害化，避免二次污染，而且本发明底泥干化固结剂掺量小(3w.t.％～8w.t.％)且成本较低，有利于大范围推广，另外，原料来源广泛，使用不受地区限制；对于泥质无要求，可以广泛应用于江河湖库底泥和建筑泥浆。

5、本发明的底泥干化固结剂创新点在于固结剂的原料组成对后续建材化处理处置和道路工程应用有益，能够有效提高建材产品的强度、质量和作为路基填土的强度，实现底泥的高附加值利用。

附图说明

图1为使用与未使用本发明的干化固结剂的干化底泥所制得的砖块抗压强度对比示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进一步描述。

本发明的干化固结剂的原料：硅酸盐水泥为425等级或以上的普通硅酸盐水泥；改性粉煤灰选用游离氧化钙含量大于10％、需水量不大于105％且烧矢量不大于5.0％的高钙粉煤经碱激发得到；生石灰为氧化镁含量≤5％的粉状钙质生石灰，其中有效钙含量≥90％。氧化镁为活性氧化镁含量≥85％的脱硫级轻质氧化镁；微硅粉为二氧化硅含量≥90％的微硅粉。其余原料为市售商品。具体的配方会根据底泥的实际情况和后续利用方式不同进行调整。

实施例1

一种底泥干化固结剂，由如下方法制备得到：

A,将上面选用的高钙粉煤灰浸泡在2.5mol/L的氢氧化钠溶液中2小时，然后充分干燥后备用；

B,将硅酸盐水泥、改性粉煤灰、生石灰、氧化镁、纯碱、石膏粉和微硅粉分别粉磨，过100目筛；

C,按质量百分比称取硅酸盐水泥50％，改性粉煤灰20％，生石灰15％，氧化镁8％，纯碱2％，石膏粉3％，微硅粉2％，混合均匀后得到干化固结剂。

将制得的底泥干化固结剂用于上海某自然河道清淤底泥。所述底泥的初始含水率约为65％，干化固结剂的质量掺比为5％(即固结剂占所需干化底泥总质量的5％)，底泥与固结剂充分搅拌混合后摊铺于常温通风室内，摊铺厚度10cm，作为实验组，同时做一组未加干化固结剂的对照组，也经同样搅拌时间后摊铺同样高度，除加固化剂步骤外其余条件全部相同。

含水率测定方法为：分别在泥块表面、5cm厚度处的泥块内部、底部的泥块内部三个取样点取的底泥样品混合，在105℃灼烧样品至恒重，通过计算质量变化得到含水率数据。含水率数据见表1：

表1底泥含水率检测数据汇总表

从表1可见，使用本发明的干化固结剂将含水率60％以上的底泥干化至含水率在20％以下，只需要5天的短时间，而同样条件下未加固结剂的底泥含水率仍在50％以上，也证明了干化固结剂的作用。

实施例2

一种底泥干化固结剂，由如下方法制备得到：

A,将高钙粉煤灰浸泡在1mol/L的氢氧化钠溶液中2小时，然后充分干燥后备用；

B,将硅酸盐水泥、改性粉煤灰、生石灰、氧化镁、纯碱、石膏粉和微硅粉分别粉磨，过100目筛；

C,按质量百分比量取硅酸盐水泥38％，改性粉煤灰30％，生石灰10.5％，氧化镁15％，纯碱0.5％，石膏粉5％，微硅粉1％，混合均匀后得到干化固结剂。

将实施例2制得的干化固结剂用于上海某建筑工地施工过程中所产生的建筑泥浆，所述泥浆的含水率约为50％，固结剂的质量掺比为3％(即固结剂占所需干化底泥总质量的3％)，泥浆与固结剂充分搅拌混合后摊铺于常温通风室内，摊铺厚度10cm，作为实验组。同时做一组未加干化固结剂的作为对照组，也经同样搅拌时间后摊铺同样高度，除加固化剂外，其余条件全部相同。

含水率测定方法与实施例1相同，具体含水率数据见表2：

表2泥浆含水率检测数据汇总表

从表2可见，使用本发明的干化固结剂将含水率60％以上的泥浆干化至含水率在20％以下，只需要4天的短时间，而同样条件下未加固结剂的底泥含水率降低不到10％，也证明了干化固结剂的作用。

实施例3

一种干化固结剂，由如下方法制备得到：

A,将高钙粉煤灰浸泡在3mol/L的氢氧化钠溶液中2小时，然后充分干燥后备用；

B,将硅酸盐水泥、改性粉煤灰、生石灰、氧化镁、纯碱、石膏粉和微硅粉分别粉磨至可过100目筛；

C,按质量百分比量取硅酸盐水泥60％，改性粉煤灰15％，生石灰15％，氧化镁5％，纯碱2％，石膏粉2％，微硅粉1％，混合均匀后得到干化固结剂。

将实施例3制得的干化固结剂用于苏州老城区某自然河道清淤底泥，所述底泥已经过板框压滤机脱水，脱水后含水率约为50％，固结剂的掺量比为5％(即固结剂占所需干化底泥总质量的5％)，底泥与固结剂充分搅拌混合后摊铺于常温通风室内，摊铺厚度10cm，作为实验组。同时做一组未加干化固结剂的作为对照组，也经同样搅拌时间后摊铺同样高度，除加固化剂外其余条件全部相同。

含水率测定方法与实施例1相同，具体含水率数据见表3：

表3底泥含水率检测数据汇总表

从表3可见，使用本发明的干化固结剂将含水率50％以上的苏州老城区某自然河道清淤底泥干化至含水率在20％以下，只需要4天的短时间。将本实施例3制得的干化固结剂加入苏州老城区某自然河道清淤底泥，经120小时干化后得到的含水率为18.2％的干化底泥破碎，然后作为原料制作路面砖(作为实验组)。同时将相同的未加干化固结剂的底泥烘干到18％含水率左右后也破碎作为原料制备路面砖(作为对照组)，两组按表4所示配方分别称取各4组，共8组不同量的干化底泥，其他配料相同，将他们作为原料，将原料充分研磨搅拌后，在QY1200型液压砖机下压制成型得到路面砖生坯，样品形状为长200mm、宽100mm、厚60mm的长方体块状，成型压力20MPa；将成型好的生坯转移至水热反应釜中，压力釜中通入加热后的饱和蒸汽，蒸汽温度为160℃，通气反应时间为8h，处理完成后的样品无需养护即为成品。按照GB/T32987-2016《混凝土路面砖性能试验方法》进行抗压强度测试，抗压强度数据对比结果如图1所示。从图1中可以看到添加干化固结剂的底泥制成的产品强度整体高于未加干化固结剂的产品强度，这是因为干化固结剂原料中增加了有益于水化反应的水泥、碱激发后的粉煤灰和生石灰等，同时底泥原料具有更好的机械性能，有利于制砖。无论是否添加干化固结剂，随着底泥添加量变化的抗压强度变化趋势都是一致的，即底泥掺量越大，抗压强度越低。在70％的掺量时抗压强度也在30MPa以上，能够符合目前路面砖的强度要求。

表4底泥制砖配方表

实施例4

在上海某自然河道清淤底泥中加入实施例1制得的干化固结剂，进行干化前后的重金属浸出含量结果如表5(检测方法参考HJ 781-2016《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱》和HJ 702固体废物汞砷硒铋锑的测定微波消解原子荧光法)。

表5重金属浸出含量数据对比表

从表5可见，使用本发明的干化固结剂后的干化底泥的重金属汞、砷、锌、镍和铜含量，明显低于未使用本发明的干化固结剂前的底泥的重金属汞、砷、锌、镍和铜含量，本发明的干化固结剂有效固化了底泥中的重金属元素。

Claims (4)

1.一种降低底泥含水率的底泥干化固结剂，其特征在于，所述底泥干化固结剂用于底泥的建材化；所述底泥干化固结剂由38wt％～60wt％硅酸盐水泥、10wt％～30wt％改性粉煤灰、5wt％～15wt％生石灰、5wt％～15wt％氧化镁、0.4wt％～1.8wt％纯碱、1wt％～5wt％石膏粉和0.5wt％～2wt％微硅粉混合均匀得到；上述组分的质量百分比之和为100％；所述改性粉煤灰选用游离氧化钙含量大于10％、需水量不大于105％且烧矢量不大于5.0％的高钙粉煤灰经过碱激发得到的具有很好的吸附能力和阳离子交换能力的改性粉煤灰；生石灰为氧化镁含量≤5%的粉状钙质生石灰，其中有效钙含量≥90%；所述底泥干化固结剂的粒径为100目；

所述底泥干化固结剂在2-5天内将经机械脱水后、含水率60%以上的底泥干化至含水率20%以下且有效固化底泥中的重金属，其中底泥干化固结剂占所需干化底泥总质量的3 wt～8wt%。

2.根据权利要求1所述的底泥干化固结剂，其特征在于，所述氧化镁为活性氧化镁含量≥85％的脱硫级轻质氧化镁。

3.根据权利要求1所述的底泥干化固结剂，其特征在于，所述微硅粉为二氧化硅含量≥90％的微硅粉。

4.一种如权利要求1所述的底泥干化固结剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A，改性粉煤灰的制备：将游离氧化钙含量大于10％、需水量不大于105％且烧失量不大于5.0％的高钙粉煤灰在1～3mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡2小时后得到改性粉煤灰，然后干燥，备用；

B，原料粉磨：将硅酸盐水泥、改性粉煤灰、生石灰、氧化镁、纯碱、石膏粉和微硅粉分别粉磨，过100目筛；

C，底泥干化固结剂的制备：按质量百分比量取硅酸盐水泥：改性粉煤灰：生石灰：氧化镁：纯碱：石膏粉：微硅粉＝38％～60％：10％～30％：5％～15％：5％～15％：0.4～1.8％：1％～5％：0.5％～2％，上述组分的质量百分比之和为100％，然后充分搅拌，混合均匀后得到底泥干化固结剂。

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