CN114291986A - 一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，包括如下步骤：(1)将净水厂污泥自然风干后煅烧制得污泥块；(2)将污泥块经机械粉碎和机械震荡筛分，制得铝基锁磷剂；(3)将铝基锁磷剂、水泥、沸石和水按比例加入搅拌机混匀后静置制得底料；(4)将底料加入模框中进行压制；(5)压制成型后静置脱模得到覆盖板；(6)覆盖板成品在自然露天条件下静置即可工程应用。本发明制备的活性覆盖板不仅能同步控制底泥氮磷释放，而且具有耐冲刷、透水能力好、保水性高等优点，解决了颗粒状覆盖材料覆盖不均匀和洪水冲刷流失等问题；本发明制备的活性覆盖板能够回收促进了资源的循环利用，同时工艺简单、操作方便、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于市政给水污泥资源化处理技术领域技术领域，具体涉及一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法。
背景技术
随着我国社会的进步和工业的发展，城市河道水体生态环境逐年恶化，特别是河道水体富营养化问题尤为突出。水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河湖、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。随着政府加大人力物力投入治理水环境，我国在截污和限排等方面取得了一定成效，使外源氮磷得到控制。内源(底泥)作为氮磷的汇和源，底泥释放氮磷成了水体中氮磷的主要来源。可见，在外源氮磷得到有效控制的前提下，控制水体中底泥氮磷释放是控制水体富营养化的有效措施之一。
目前，控制底泥氮磷释放的主要措施有清淤和覆盖。覆盖法因具有对底泥扰动小、工程造价较低、对环境潜在危害较小、不改变水体性质、适用于多种无机和有机底泥等优点而倍受世界各地学者关注，尤其在美国、欧洲、日本发展迅速，得到了广泛的实际工程应用。在实际应用中，由于城市河道行洪排涝时河水流速与冲刷强度较大，覆盖材料出现了悬浮、流失等现象，致使传统覆盖层变薄而逐渐失效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，通过对净水厂或自来水厂的污泥进行煅烧、粉碎和筛分制得铝基锁磷剂，将其与水泥、沸石混合并压制成型后制备的活性覆盖板覆盖在河道底泥上，不仅能同步控制底泥氮磷释放，而且具有耐冲刷、透水能力好、保水性高等优点，解决了颗粒状覆盖材料覆盖不均匀和洪水冲刷流失等问题。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将收集到的来源于净水厂或自来水厂的污泥自然风干，经煅烧制得污泥块；
(2)将污泥块经机械粉碎和机械震荡筛分，制得粒径为1-3mm的铝基锁磷剂；
(3)将铝基锁磷剂、水泥、沸石、水按比例加入搅拌机搅拌均匀，静置使骨料和粘结剂充分混合；
(4)将上述搅拌好的底料加入模框中进行压制；
(5)待压制成型后静置，然后脱模得到覆盖板；
(6)覆盖板成品在自然露天条件下经静置即可工程应用。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中污泥成分包括铁铝化合物、氮化物、有机质，其中铁元素质量分数为1-5％，铝元素质量分数为9-15％。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(1)中煅烧温度为380-450℃，煅烧时间为2.5-4.5h。所述步骤(1)优选的煅烧温度为400℃，煅烧时间为3h。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(2)中机械粉碎是使用粉碎机将污泥块粉碎成不同粒径的颗粒，机械震荡筛分使用16目和50目不锈钢筛选出粒径为1-3mm的颗粒。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(3)中铝基锁磷剂、水泥、沸石的质量比是40-42份：16-20份：40-42份，水与铝基锁磷剂、水泥、沸石三者总的质量比为0.22-0.25。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(3)中搅拌时间为2-3min混匀。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(3)中静置时间为5min，使骨料和粘结剂充分混合，其中骨料为铝基锁磷剂和沸石，粘结剂为水泥。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(4)中压制时间为60-80s，压制压力为1.0-1.5MPa。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(5)中静置时间为12-16h。
在本发明一较佳实施例中，所述步骤(6)中静置温度20-25℃，静置时间12-16d。
优选的，所述步骤(6)中静置14d后即可工程应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其制备的覆盖板具有孔隙率大、耐冲刷等优点。
2、本发明制备的活性覆盖板盖在污染底泥上，一方面通过活性覆盖板自身将底泥与上覆水分隔开，从而抑制底泥向上覆水中释放氮磷；另一方面活性覆盖板中的沸石通过化学吸附作用与离子交换作用吸收水体中的氨氮，活性覆盖板中的铝基锁磷剂促进了底泥中易释放形态磷迁移到铝基锁磷剂中,并转化较为稳定的形态磷。因此，本发明制备的活性覆盖板不仅同步有效控制底泥氮磷释放，而且能削减上覆水体中的氮磷，能够有效控制水体富营养化，且自身不向水体释放氮磷。
3、本发明制备的活性覆盖板能够回收促进了资源的循环利用。
4、本发明制备的活性覆盖板可以根据河道现场情况制作成正方形、长方形等形状，现场施工程序简单且覆盖均匀。
5、本发明制备工艺简单、操作方便、成本低廉。
附图说明
图1为实施例3底泥活性覆盖板控制氮磷释放效果研究的有机玻璃试验装置图，1-活性覆盖板，2-底泥。
图2为实施例3中实验组及对照组活性覆盖板覆盖系统上覆水中NH4+-N浓度变化图。
图3为实施例3中实验组及对照组活性覆盖板覆盖系统上覆水中TP浓度变化图。
图4为实施例3中实验组及对照组活性覆盖板覆盖底泥有效维持水体中DO浓度图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。
一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将收集到的来源于净水厂或自来水厂的污泥自然风干，经煅烧制得污泥块；
(2)将污泥块经机械粉碎和机械震荡筛分，制得粒径为1-3mm的铝基锁磷剂；
(3)将铝基锁磷剂、水泥、沸石、水按比例加入搅拌机搅拌均匀，静置使骨料和粘结剂充分混合；
(4)将上述搅拌好的底料加入模框中进行压制；
(5)待压制成型后经静置后脱模得到覆盖板；
(6)覆盖板成品在自然露天条件下经静置即可工程应用。
所述步骤(1)中污泥成分包括铁铝化合物、氮化物、有机质，其中铁元素质量分数为1-5％，铝元素质量分数为9-15％。
所述步骤(1)中煅烧温度为380-450℃，煅烧时间为2.5-4.5h。
所述步骤(1)优选的，所述步骤(1)中煅烧温度为400℃，煅烧时间为3h。
所述步骤(2)中机械粉碎是使用粉碎机将污泥块粉碎成不同粒径的颗粒，机械震荡筛分使用16目和50目不锈钢筛选出直径为1-3mm的颗粒。
所述步骤(3)中铝基锁磷剂、水泥、沸石的质量比是40-42份：16-20份：40-42份，水与铝基锁磷剂、水泥和沸石三者总的质量比为0.22-0.25。
所述步骤(3)中搅拌时间为2-3min混匀。
所述步骤(3)中静置时间为5min，使骨料和粘结剂充分混合，其中骨料为铝基锁磷剂和沸石，粘结剂为水泥。
所述步骤(4)中压制时间为60-80s，压制压力为1.0-1.5MPa。
所述步骤(5)中静置时间为12-16h。
所述步骤(6)中静置温度20-25℃，静置时间12-16d。
优选的，所述步骤(6)中静置14d后即可工程应用。
实施例1
取厦门某净水厂的污泥(污泥成分包括铁铝化合物、氮化物、有机质等，其中铁元素质量分数为2.63％，铝元素质量分数为11.77％)自然风干后在400℃煅烧3h，再经粉碎机粉碎，然后分别用16目和50目不锈钢筛经机械震荡筛分选出粒径为1-3mm的颗粒，该颗粒即为铝基锁磷剂。
取上述铝基锁磷剂、水泥和沸石总质量为100g，其中铝基锁磷剂、水泥和沸石的配比有如下7种：
(1)水泥16g，沸石42g，铝基锁磷剂42g；
(2)水泥18g，沸石41g，铝基锁磷剂41g；
(3)水泥20g，沸石为40g，铝基锁磷剂40g；
(4)水泥23g，沸石为38.5g，铝基锁磷剂38.5g；
(5)水泥26g，沸石37g，铝基锁磷剂37g；
(6)水泥29g，沸石35.5g，铝基锁磷剂35.5g；
(7)水泥32g，沸石34g，铝基锁磷剂34g。
将以上七种不同配比的铝基锁磷剂、水泥和沸石分别与23g水一起加入搅拌机搅拌
2.5min混匀，静置5min使骨料(铝基锁磷剂和沸石)和粘结剂(水泥)充分混合，得到混合好的底料，将此底料加入尺寸为30cm×25cm模框中进行压制，压制时间为70s，压制压力为1.25MPa，压制好以后静置14h脱模得到覆盖板，再将覆盖板置于自然露天25℃条件下14h即可工程应用。
实施例2
本实施例研究不同质量配比的铝基锁磷剂、水泥和沸石制作的底泥活性覆盖板的孔隙率、抗冲刷系数的变化范围。
(一)本实施例中孔隙率试验操作方式和计算方法具体如下：
(1)操作方式
①用量具测量覆盖板的边长，每条边测量一次，取相对边的平均值，精确至0.1cm，计算覆盖板的体积(V)；
②将覆盖板置于温度为100℃±5℃的烘箱内烘干，每隔24h将覆盖板取出称重一次，直至两次连续称量之差小于0.1％，视为干燥覆盖板质量(M2)；
③将覆盖板冷却至室温后竖直放入水槽中，注入温度为20℃±10℃的蒸馏水，将覆盖板浸没，使水面高出覆盖板20cm；
④在水中浸泡2天直至覆盖板在水中的质量不再发生变化，用手提式电子秤测量覆盖板在水中的质量(M1)，测量过程中，覆盖板不要露出水面，也不要触碰桶底和桶壁，以保证所测得的数据准确性。
(2)计算方法
孔隙率的计算公式为：P＝(1-(M2-M1)/V)*100％
式中P为孔隙率，单位为克每平方厘米(g/cm2)；V为试件的体积，单位为立方厘米(cm3)；M1为试件在水中的质量，单位为克(g)；M2为试件烘干质量，单位为克(g)。
(二)本实施例中抗冲刷系数操作方式和计算方法具体如下：
(1)操作方式
①称量覆盖板的重量，记为M0；
②将覆盖板放入水中，第二天每隔一个小时拿出来进行称重，直到重量不再变化；
③将已吸水饱和的覆盖板放入水流流速为1cm/s的有机玻璃冲刷水槽中冲刷，3天后从水中取出，擦去覆盖板表面的残渣，烘干后进行称重，记为M1；其中有机玻璃水槽长×宽×高＝60cm×30cm×20cm，水面高15cm，采用潜水泵使水体循环流动。
(2)计算方法
自定义抗冲刷系数，P＝M1/M0
式中M0为覆盖板冲刷前质量，单位为克(g)；M1为覆盖板冲刷后质量，单位为克(g)。
(三)实验结果
标准温度时(15℃)覆盖板的孔隙率及在1cm/s的流速下连续冲刷3天后覆盖板抗冲刷系数如表1所示，由表1可知孔隙率范围为0.23-0.41g/cm2、抗冲刷系数为94.74％-99.94％。
表1不同配料比例活性覆盖板孔隙率、抗冲刷系数实验研究结果
实施例3
本实施例研究活性覆盖板控制底泥氮磷的释放效果。
试验中所用底泥取自华侨大学厦门校区白鹭湖表层底泥，所用活性覆盖板为实施例1中配比(2)制得的覆盖板，配比(2)中铝基锁磷剂41g、水泥18g、沸石41g。
(1)试验方案
试验分为实验组和对照组，实验组的底泥上覆盖活性覆盖板，对照组的底泥上无覆盖板；每组各三个平行样，分别在6个尺寸为15cm×110cm×35cm的透明方形有机玻璃缸中进行；每个有机玻璃缸中底泥厚度约为5cm；底泥上覆30cm自来水，自来水是利用虹吸原理通过塑料软管缓缓沿缸壁加入缸中的。图1为底泥活性覆盖板控制氮磷释放效果研究的有机玻璃试验装置图。
试验于2021年9月13日开始进行，10月24号结束，历时42天；实验装置放置在室内阴凉处(25℃左右)，定期在水面下5cm处测定水样的pH值、DO、氨氮浓度和总磷浓度；测定结束后使用自来水将上覆水补齐至原刻度线。
(2)试验结果与分析
试验过程中，随着实验天数增加，实验组水样的pH值基本稳定在7.5-8.5之间，实验组和对照组的氨氮浓度、总磷浓度和DO浓度(溶氧浓度)变化曲线分别如图2、3、4所示。
图2试验结果表明，与未覆盖活性覆盖板的对照组相比，实验组使用本发明所制得的活性覆盖板能够有效控制底泥氨氮释放，实验组的氨氮浓度峰值仅为对照组峰值的29.65％；与对照组相比，加了活性覆盖板的实验组不仅能有效削减底泥上覆水体中的氨氮，还能延缓底泥向上覆水释放氨氮的速度；方差分析表明，实验组与对照组之间削减氨氮效果有明显差异(P<0.05)。
图3试验结果表明，与未加活性覆盖板的对照组相比，实验组使用本发明所制得的活性覆盖板覆盖底泥对总磷削减率为69.6％-99.2％，均值为92.7％，说明活性覆盖板能够有效控制底泥中总磷释放；方差分析表明，实验组与对照组之间削减总磷效果有明显差异(P<0.05)。
图4试验结果表明，与未加活性覆盖板的对照组相比，实验组使用本发明所制得的活性覆盖板覆盖底泥能有效维持水体中DO浓度。方差分析表明，实验组与对照组之间维持溶解氧浓度效果有明显差异(P<0.05)。
综上所述，可知用以铝基锁磷剂、水泥和沸石为主要原料制作的活性覆盖板能够有效控制底泥氮磷释放，并维持水中DO浓度。
上述实施例仅是本发明的优化实施方法，用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。应当指出，对于任何熟习此项技艺的人士在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改，这些修改也应视为本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将来源于净水厂或自来水厂的污泥自然风干后经煅烧制得污泥块；
(2)将污泥块经机械粉碎和机械震荡筛分，制得粒径为1-3mm的铝基锁磷剂；
(3)将铝基锁磷剂、水泥、沸石、水按比例加入搅拌机，搅拌均匀后静置制得底料；
(4)将上述制得的底料加入模框中进行压制；
(5)压制成型后静置，然后脱模得到覆盖板；
(6)覆盖板成品在自然露天条件下静置即可工程应用。
2.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中污泥成分包括铁铝化合物、氮化物、有机质，其中铁元素质量分数为1-5％，铝元素质量分数为9-15％。
3.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中煅烧温度为380-450℃，煅烧时间为2.5-4.5h。
4.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中煅烧温度为400℃，煅烧时间为3h。
5.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中机械震荡筛分使用的是16目和50目不锈钢筛。
6.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中铝基锁磷剂、水泥、沸石的质量比是40-42份：16-20份：40-42份，水与铝基锁磷剂、水泥和沸石三者质量比为0.22-0.25。
7.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中搅拌时间为2-3min。
8.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中压制时间为60-80s，压制压力为1.0-1.5MPa。
9.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中静置时间为12-16h。
10.根据权利要求1所述的一种同步控制底泥氮磷释的活性覆盖板制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中静置温度20-25℃，静置时间12-16d。
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