CN110698174A - 一种轻质污泥陶粒、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质污泥陶粒、其制备方法及应用。将污泥、粘合剂、发泡剂和添加剂混合搅拌均匀，加水搅拌获得混合均匀的浆料；按重量百分比计，污泥50%～70%，粘合剂10%～30%，发泡剂5%～15%，添加剂5%～20%；所述添加剂由针铁矿和类水滑石复配而成；将浆料造粒成型，获得粒径范围在4～6mm的陶粒；将成型后的陶粒置于烘箱中烘干，得到陶粒胚体；将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中，先升温至280～300℃，保温30min～6h，再调温至300～700℃，保温30min～3h；得到轻质污泥陶粒。本发明选用污泥做陶粒骨架，以废治废、成本低廉，有利于环境可持续发展，对重金属Sb具有良好的吸附效果，大大提升了重金属锑的去除率，作为一种良好的功能性水处理填料，特别适用于印染厂尾水中含锑废水的处理。

Description

一种轻质污泥陶粒、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种污泥陶粒及其制备方法，尤其涉及一种用于废水处理的轻质多孔陶粒及其制备方法。
背景技术
自来水厂污泥是饮用水处理厂中混凝、絮凝等水处理工艺的副产物，大规模饮用水厂一般都采用铝盐（例如硫酸铝或聚合硫酸铝）作为混凝剂去除水源水中天然有机物、浊度、色度，因此外排的污泥主要是腐殖质、浊度沉淀物、水解氢氧化铝混合物等。按原水来源，分为石灰软化污泥（地下水处理）和化学絮凝污泥（地表水处理）。其含水率、密度和比阻等性质随原水性质和处理工艺不同而差异较大，多采用填埋、土地利用和水处理剂再生回收的方式处理处置。
陶粒具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，是一种应用广泛的水处理填料。传统陶粒主要是由天然矿物合成，如页岩、硅藻土、粘土等，对矿物的需求量大。近年来陶粒技术发展中，多采用工业生产废弃物作为原料，如赤泥、钢渣、煤矸石、粉煤灰等，但其大多数对污染物去除效果不好且选择性差，因此寻求一种廉价、易得的陶粒生产原料受到了越来越广泛地关注。
利用污泥制备污泥陶粒，在解决污泥处理问题的同时，又可以获得陶粒原料。但是，现有技术中，制备污泥陶粒时，通常都加入较多量的其它成份，例如，中国发明专利申请CN105732075A公开了一种污泥陶粒的制备方法，其物料配比为：污泥比例为30～40%，页岩土比例为35～45%，粘土比例为5～10%，煤渣3～8%，膨化剂1～2%，三氧化二铝1～2%，添加剂1～2%。中国发明专利申请CN105948811A公开了一种轻质多孔的污泥陶粒及其制备方法，所述的污泥陶粒包括以下重量份计的原料：锯末10-25份、粉煤灰20-30份、硅灰5-10分、污泥30-40份、生石灰10-15份、红泥岩20-30份、石膏1-5份和菱镁矿5-10份。这类方案污泥消耗比例低，需要消耗较多量的其它原料。
中国发明专利申请CN108585934A公开了一种铝污泥陶粒制备方法，，利用铝污泥、鸡蛋壳、粉煤灰、玻璃粉混合造粒得到生陶粒，然后干燥、预热、烧结、冷却，即得，按质量份计，所述铝污泥、鸡蛋壳、粉煤灰、玻璃粉的比例为50～80％，5～20％，10～20％，5～15％。该方案可以较大量地消耗污泥，但是，一方面，仍需要消耗较多量的粉煤灰，另一方面，其产品堆积密度较高，吸水率仅为23.65%，没有给出在污水处理中应用的数据。
印染行业耗水量大，排污情况严重，产生的印染废水中包含大量重金属锑，对我国水环境造成巨大威胁，印染废水中重金属锑的去除也是目前国内外研究的一大难点。采用现有技术中的污泥陶粒进行处理对重金属锑的去除率不高，因此，如何制备出可以有效去除重金属锑的污泥陶粒，是本发明需要解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种轻质污泥陶粒及其制备方法，在主要消耗污泥的前提下，使污泥陶粒具有较低的堆积密度、较高的吸水率，并且有效去除废水中的重金属锑。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种轻质污泥陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1) 将污泥、粘合剂、发泡剂和添加剂混合搅拌均匀，加水搅拌获得混合均匀的浆料；
按重量百分比计，污泥50%～70%，粘合剂10%～30%，发泡剂5%～15%，添加剂5%～20%；
所述添加剂由针铁矿和类水滑石复配而成；
(2) 将步骤(1)获得的浆料造粒成型，获得粒径范围在4～6mm的陶粒；
(3) 将成型后的陶粒置于烘箱中烘干，得到陶粒胚体；
(4) 将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中，先升温至280～300℃，保温30min～6h，再调温至300～700℃，保温30min～3h；得到轻质污泥陶粒。
优选的技术方案，按重量百分比，所述针铁矿的含量计为5%～15%，所述类水滑石的含量为5%～15%。
上述技术方案中，所述针铁矿的制备方法为，将Fe(NO3)3·9H2O溶解于水中，浓度为0.06～0.2g/mL，在不断搅拌下缓慢滴加2.5mol/L的NaOH至溶液pH值到11.9，在60℃恒温箱中静置48h，5000r/min离心15min后的沉淀物用蒸馏水反复清洗至pH近中性，60℃下烘干磨细，用100目的标准筛进行筛分得到质地均匀的针铁矿粉末。
所述类水滑石为烟气脱硫废渣制备获得的粉末。所述类水滑石元素组成Mg15.16%、Al 16.98%、Si 15.68%、Ca 1.67%、Fe 1.77%，n(Mg):n(Al)≈3:1，基本符合Mg-Al水滑石（Mg6Al2(OH)16CO3·4H2O）的元素组成。
所述的发泡剂为碳酸钙；所述的粘合剂为凹凸棒石和水玻璃。
其中，凹凸棒石主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中SiO2质量分数约为60.5%，Al2O3质量分数约为10.1%，粒度为350目；水玻璃模数为1。
本发明中的污泥为净水污泥，采用自来水厂经压滤、自然干化的污泥，其含水量在55%～80%之间，主要成分为SiO2、Al2O3、MgO、CaO，其中SiO2质量分数约为42.8%，Al2O3质量分数约为41.6%。
对净水污泥进行预处理：经烘箱105℃烘干后，磨碎，用100目的标准筛进行筛分，作为制备浆料的原料。
本发明同时请求保护采用上述制备方法获得的轻质污泥陶粒，污泥陶粒的堆积密度为400～750kg/m3，24h吸水率为40～60%。比表面积4.02～5.23g/m2，筒压强度均大于3.0MPa。
本发明还请求保护上述轻质污泥陶粒在印染厂尾水中含锑废水处理的应用。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明选用污泥做陶粒骨架，以废治废、成本低廉，有利于环境可持续发展。
2、本发明加入了由针铁矿和类水滑石复配而成的添加剂，对重金属Sb具有良好的吸附效果，大大提升了重金属锑的去除率，作为一种良好的功能性水处理填料，特别适用于印染厂尾水中含锑废水的处理。
3、由于经过高温煅烧而成陶粒表面粗糙具有大比表面积并且质轻、强度高、可长期承受高负荷。
附图说明
图1为48h不同方法制备的污泥陶粒对重金属锑的去除影响曲线图；
图2为实施例1中污泥陶粒表面sem图；
图3为实施例2中污泥陶粒表面sem图；
图4为实施例3中污泥陶粒表面sem图；
图5为实施例4中污泥陶粒表面sem图；
图6为对比例中污泥陶粒表面sem图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：
制备一种轻质陶粒，包括以下步骤：
（1）备料：以自来水厂污泥为主要原料、凹凸棒石和水玻璃为粘合剂、碳酸钙为发泡剂，针铁矿和类水滑石为添加剂；各原料质量百分比为：污泥60%、凹凸棒石15%、水玻璃5%、碳酸钙5%、针铁矿10%、类水滑石5%；
（2）混匀：将各组分原料混合搅拌至均匀，然后加入适量水，获得混合均匀的浆料；
（3）造粒：将浆料造粒成型，获得粒径范围在4-6mm左右的陶粒；并将成型后的陶粒置于烘箱中105℃烘干；
（4）烧结：将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中先升温至300℃，保温30min，再升温至700℃，保温3h。
所述陶粒制备的原材料粒径均≥100目，且成球前均匀混合。
所述污泥选用自来水厂污泥，实验采用某自来水厂经压滤，自然干化后的污泥，烘箱105℃烘干后，磨碎，用100目的标准筛进行筛分。
采用本实施例制备的污泥陶粒进行含锑废水的吸附动力学实验。方法为：在150mL锥形瓶中加入100mL Sb离子浓度为0.1mg/L的模拟水样，调节pH值为7，然后加入所述多孔陶粒于水样中，陶粒重量︰废水体积=0.2g/L，在室温（25℃）条件下在恒温振荡器进行震荡搅拌，振荡器震荡速度为150rpm，分别在0、0.5、1、2、5、8、12、24h、48h移取上清液，过0.45μm滤膜，得到待测样品，用岛津ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪检测Sb剩余量。Sb离子48h去除率达56%。
实施例2：
制备轻质陶粒，包括以下步骤：
（1）备料：以自来水厂污泥为主要原料、凹凸棒石和水玻璃为粘合剂、碳酸钙为发泡剂，针铁矿和类水滑石为添加剂；各原料质量百分比为：污泥60%、凹凸棒石15%、水玻璃5%、碳酸钙5%、针铁矿10%、类水滑石5%；
（2）混匀：将各组分原料混合搅拌至均匀，然后加入适量水，获得混合均匀的浆料；
（3）造粒：将浆料造粒成型，获得粒径范围在4-6mm左右的陶粒；并将成型后的陶粒置于烘箱中105℃烘干；
（4）烧结：将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中先升温至300℃，保温30min，再升温至700℃，保温3h。
所述陶粒制备的原材料粒径均≥100目，且成球前均匀混合。
所述污泥选用自来水厂污泥，实验采用某自来水厂经压滤，自然干化后的污泥，用2mol/L的HCl溶液浸泡 24h，过滤后放入烘箱中于250℃下活化 26h，取出冷却至室温，得到酸改性污泥，磨碎，用100目的标准筛进行筛分。
所述含锑废水的吸附动力学实验方法为：在150mL锥形瓶中加入100mLSb离子浓度为0.1mg/L的模拟水样，调节pH值为7，然后加入所述多孔陶粒于水样中，陶粒重量：废水体积=0.2g/L，在室温（25℃）条件下在恒温振荡器进行震荡搅拌，振荡器震荡速度为150rpm，分别在0、0.5、1、2、5、8、12、24h、48h移取上清液，过0.45μm滤膜，得到待测样品，用岛津ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪检测Sb剩余量。Sb离子48h去除率达64%。
实施例3：
制备轻质陶粒，包括以下步骤：
（1）备料：以自来水厂污泥为主要原料、凹凸棒石和水玻璃为粘合剂、碳酸钙为发泡剂，针铁矿和类水滑石为添加剂；各原料质量百分比为：污泥60%、凹凸棒石15%、水玻璃5%、碳酸钙5%、针铁矿10%、类水滑石5%；
（2）混匀：将各组分原料混合搅拌至均匀，然后加入适量水，获得混合均匀的浆料；
（3）造粒：将浆料造粒成型，获得粒径范围在4-6mm左右的陶粒；并将成型后的陶粒置于烘箱中105℃烘干；
（4）烧结：将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中先升温至300℃，保温30min，再升温至700℃，保温3h。
所述陶粒制备的原材料粒径均≥100目，且成球前均匀混合。
所述污泥选用自来水厂污泥，实验采用某自来水厂经压滤，自然干化后的污泥，用2mol/L的NaOH溶液浸泡 24h，过滤后放入烘箱中于250℃下活化 26h，取出冷却至室温，得到酸改性污泥，磨碎，用100目的标准筛进行筛分。
所述含锑废水的吸附动力学实验方法为：在150mL锥形瓶中加入100mLSb离子浓度为0.1mg/L的模拟水样，调节pH值为7，然后加入所述多孔陶粒于水样中，陶粒重量：废水体积=0.2g/L，在室温（25℃）条件下在恒温振荡器进行震荡搅拌，振荡器震荡速度为150rpm，分别在0、0.5、1、2、5、8、12、24h、48h移取上清液，过0.45μm滤膜，得到待测样品，用岛津ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪检测Sb剩余量。Sb离子48h去除率达59%。
实施例4：
制备轻质陶粒，包括以下步骤：
（1）备料：以自来水厂污泥为主要原料、凹凸棒石和水玻璃为粘合剂、碳酸钙为发泡剂，针铁矿和类水滑石为添加剂；各原料质量百分比为：污泥55%、凹凸棒石15%、水玻璃5%、碳酸钙15%、针铁矿5%、类水滑石5%；
（2）混匀：将各组分原料混合搅拌至均匀，然后加入适量水，获得混合均匀的浆料；
（3）造粒：将浆料造粒成型，获得粒径范围在5mm左右的陶粒；并将成型后的陶粒置于烘箱中105℃烘干；
（4）烧结：将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中升温至300℃，保温6h。
所述陶粒制备的原材料粒径均≥100目，且成球前均匀混合。
所述污泥选用自来水厂污泥，实验采用某自来水厂经压滤，自然干化后的污泥，用2mol/L的NaOH溶液浸泡 24h，过滤后放入烘箱中于250℃下活化 26h，取出冷却至室温，得到酸改性污泥，磨碎，用100目的标准筛进行筛分。
所述含锑废水的吸附动力学实验方法为：在150mL锥形瓶中加入100mLSb离子浓度为0.1mg/L的模拟水样，调节pH值为7，然后加入所述多孔陶粒于水样中，陶粒重量：废水体积=0.2g/L，在室温（25℃）条件下在恒温振荡器进行震荡搅拌，振荡器震荡速度为150rpm，分别在0、0.5、1、2、5、8、12、24h、48h移取上清液，过0.45μm滤膜，得到待测样品，用岛津ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪检测Sb剩余量。Sb离子48h去除率达69%。
对比例：对比例中不加入添加剂。
制备轻质陶粒，包括以下步骤：
（1）备料：以自来水厂污泥为主要原料、凹凸棒石和水玻璃为粘合剂、碳酸钙为发泡剂；各原料质量百分比为：污泥70%、凹凸棒石15%、水玻璃5%、碳酸钙10%；
（2）混匀：将各组分原料混合搅拌至均匀，然后加入适量水，获得混合均匀的浆料；
（3）造粒：将浆料造粒成型，获得粒径范围在4-6mm左右的陶粒；并将成型后的陶粒置于烘箱中105℃烘干；
（4）烧结：将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中升温至300℃，保温30min，然后升温至700℃，保温3h。
所述陶粒制备的原材料粒径均≥100目，且成球前均匀混合。
所述污泥选用自来水厂污泥，实验采用某自来水厂经压滤，自然干化后的污泥，用2mol/L的NaOH溶液浸泡 24h，过滤后放入烘箱中于250℃下活化 26h，取出冷却至室温，得到酸改性污泥，磨碎，用100目的标准筛进行筛分。
所述含锑废水的吸附动力学实验方法为：在150mL锥形瓶中加入100mLSb离子浓度为0.1mg/L的模拟水样，调节pH值为7，然后加入所述多孔陶粒于水样中，陶粒重量：废水体积=0.2g/L，在室温（25℃）条件下在恒温振荡器进行震荡搅拌，振荡器震荡速度为150rpm，分别在0、0.5、1、2、5、8、12、24h、48h移取上清液，过0.45μm滤膜，得到待测样品，用岛津ICPE-9000电感耦合等离子体发射光谱仪检测Sb剩余量。Sb离子48h去除率为23%。
上述实施例和对比例的具体配比如表1所示：
表1污泥陶粒原材料配比
Figure 853405DEST_PATH_IMAGE002
实施例和对比例的的效果对比如表2所示。
表2
Figure 36125DEST_PATH_IMAGE004
从表2可以看出，采用本发明的方法对重金属锑的去除率具有显著提高。因此，本发明的轻质污泥陶粒适用于印染废水的处理。

Claims (10)

1.一种轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 将污泥、粘合剂、发泡剂和添加剂混合搅拌均匀，加水搅拌获得混合均匀的浆料；
按重量百分比计，污泥50%～70%，粘合剂10%～30%，发泡剂5%～15%，添加剂5%～20%；
所述添加剂由针铁矿和类水滑石复配而成；
(2) 将步骤(1)获得的浆料造粒成型，获得粒径范围在4～6mm的陶粒；
(3) 将成型后的陶粒置于烘箱中烘干，得到陶粒胚体；
(4) 将干燥的陶粒胚体置于马弗炉中，先升温至280～300℃，保温30min～6h，再调温至300～700℃，保温30min～3h；得到轻质污泥陶粒。
2.根据权利要求1所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：按重量百分比，所述针铁矿的含量计为5%～15%，所述类水滑石的含量为5%～15%。
3.根据权利要求1或2所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述针铁矿的制备方法为，将Fe(NO3)3·9H2O溶解于水中，浓度为0.06～0.2g/mL，在不断搅拌下缓慢滴加2.5mol/L的NaOH至溶液pH值到11.9，在60℃恒温箱中静置48h，5000r/min离心15min后的沉淀物用蒸馏水反复清洗至pH近中性，60℃下烘干磨细，用100目的标准筛进行筛分得到质地均匀的针铁矿粉末。
4.根据权利要求1或2所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述类水滑石为烟气脱硫废渣制备获得的粉末。
5.根据权利要求1所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述的发泡剂为碳酸钙；所述的粘合剂为凹凸棒石和水玻璃。
6.根据权利要求5所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述凹凸棒石主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3，其中SiO2质量分数约为60.5%，Al2O3质量分数约为10.1%，粒度为350目；水玻璃模数为1。
7.根据权利要求1所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述的污泥为净水污泥，采用自来水厂经压滤、自然干化的污泥，其含水量在55%～80%之间，主要成分为SiO2、Al2O3、MgO、CaO，其中SiO2质量分数约为42.8%，Al2O3质量分数约为41.6%。
8.根据权利要求1所述的轻质污泥陶粒的制备方法，其特征在于：所述净水污泥经烘箱105℃烘干后，磨碎，用100目的标准筛进行筛分，作为制备浆料的原料。
9.采用权利要求1至8中任一制备方法获得的轻质污泥陶粒。
10.权利要求9所述轻质污泥陶粒在印染厂尾水中含锑废水处理的应用。
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