CN114409224B - 给水厂污泥的调质改性剂、污泥材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种给水厂污泥的调质改性剂、污泥材料及其制备方法和应用。给水厂污泥的调质改性剂包括以下重量份数的组分：再生微粉：100份；凹凸棒土：8～36份；凹凸棒土的细度为180～360目；偶联剂：3～9份；憎水剂：3～7份；吸水性树脂：2～6份；氧化剂：1.5～4.0份。本发明通过特定组分的相互配合，制得的调质改性剂在对给水厂污泥进行调质改性后得到改性污泥，能够作为种植土和无机结合料，分别具有较高的发芽率和抗压强度，实现了给水厂污泥的资源化处理，在解决了环境污染的同时也得到了可具有多种用途的材料，具有显著的进步意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种给水厂污泥的调质改性剂、污泥材料及其制备方法和应用。
背景技术
城市给排水设施在城市现代化进程的发展中起着举足轻重的作用，它是保护人类生存环境，提高人民物质生活水平的重要前提，是衡量现代化城市水平的重要标志之一。由于污水厂污泥有机质含量高，目前国内外主要采用能源回收的方式加以利用，资源化利用技术相对成熟。相比之下，给水厂污泥有机质含量低，能源回收价值不高，目前主要以填埋处理为主，不仅占用土地、污染环境还会产生大量逸散性温室气体，亟待开展给水厂污泥资源化利用技术的研究。
给水厂污泥含水率高且呈黏稠状，大大限制了给水厂污泥进一步资源化利用，降低污泥含水率和黏度，以改善污泥性状是开展污泥资源化利用关键的预处理环节。污泥的常规干化技术包括：晾晒、烘干及掺加化学药剂等。其中，晾晒虽成本较低，但存在占用大量土地、受天气影响大且对环境影响大等局限性。烘干法虽干化速度快，但存在处理能力有限且成本较高等不足。此外，向污泥中加入生石灰，利用生石灰吸水、放热的双重作用降低污泥含水率并改善污泥性状是最常见的化学方法，具有工艺简单便于规模化应用等优点，但同时也存在生石灰掺量高、扬尘大等不足，且改性污泥碱性高又限制了改性污泥进一步的资源化利用。
针对给水厂污泥含水率高且呈黏稠状而限制其资源化利用，需对污泥进行必要的调质改性预处理，与此同时，为满足改性污泥后续多路径资源化利用的需要，亟待开发低碱/无碱型污泥高效调质改性剂，以提高给水厂污泥资源化利用水平。
发明内容
本发明为了克服现有技术中调质改性剂碱性高和资源化利用不高等缺陷，而提供了一种给水厂污泥的调质改性剂、污泥材料及其制备方法和应用。本发明的调质改性剂对给水厂污泥进行调质改性，不显著影响污泥的pH值，实现污泥的减塑分散，提高改性污泥的泥质资源属性。本发明的污泥材料具有粒状、匀质且含水率适宜的优点，能有效提高种子的发芽率，提高固化强度，以便进一步开展资源化利用。
本发明主要是通过以下技术方案解决上述技术问题的。
本发明提供了一种给水厂污泥的调质改性剂，其包括以下重量份数的组分：
再生微粉：100份；
凹凸棒土：8～36份；所述凹凸棒土的细度为180～360目；
偶联剂：3～9份；
憎水剂：3～7份；
吸水性树脂：2～6份；
氧化剂：1.5～4.0份。
本发明通过上述六种特定含量以及组分的相互配合，能够吸附污泥中一部分自由水、降低污泥亲水性并调节污泥的颗粒级配，对原黏稠状污泥实现减塑效果，并且使其均匀分散，提高后续对污泥的改性效果。制得的调质改性剂在对给水厂污泥进行调质改性后得到的改性污泥，能够作为种植土和无机结合料，分别具有较高的发芽率和抗压强度，实现了给水厂污泥的资源化处理，在解决了环境污染的同时也得到了可具有多种用途的材料，具有显著的进步意义。
发明人在研发过程中经历过了多次失败的试验才得到了上述特定的组分配方，例如研发过程中做过不添加再生微粉或者不添加吸水性树脂等实验，制得的污泥调质改性剂均无法实现对给水厂污泥的均匀分散和改性效果，无论是作为种植土还是作为无机结合料均无法达到能够使用的效果。
本发明中，所述再生微粉的等级较佳地为I级或II级，所述I级或II级是指技术指标满足《混凝土和砂浆用再生微粉》JG/T 573-2020规定的I级或II级。
本发明中，所述凹凸棒土的份数较佳地为10～30份，例如18份或26份。
本发明中，发明人在实验中发现当所述凹凸棒土的细度不在180～360目数范围内时，所述调质改性剂会降低对给水厂污泥颗粒级配的调节作用，同时会对体系自由水的转变产生显著影响；并且，当小于180目时，不仅会降低吸水效果，而且会降低改性污泥材料的力学性能。
本发明中，所述凹凸棒土的细度较佳地200～340目，例如为220目或320目。
本发明中，所述偶联剂较佳地为硅烷偶联剂，例如乙烯基三乙氧基硅烷。所述硅烷偶联剂较佳地为硅烷偶联剂乙醇溶液。所述硅烷偶联剂在所述硅烷偶联剂乙醇溶液中的质量浓度较佳地为10％，所述质量浓度是指所述硅烷偶联剂占所述硅烷偶联剂乙醇溶液的质量比。
本发明中，所述偶联剂的份数较佳地为4～9份，例如5或7份。
本发明中，所述憎水剂较佳地为硬脂酸盐，更佳地为硬脂酸锌、硬脂酸钙和硬脂酸钠中的一种或多种。当憎水剂为硬脂酸锌和硬脂酸钙时，所述硬脂酸锌和硬脂酸钙的重量比较佳地为1:1。
本发明中，所述憎水剂的份数较佳地为4～6份，例如4或5份。
本发明中，所述吸水性树脂较佳地为高分子吸水性树脂。所述高分子吸水性树脂较佳地为以低交联型聚丙烯酸盐为主要化学成分的高分子吸水性树脂。
本发明中，所述吸水性树脂的份数较佳地为3～5份，例如3份或4份。
本发明中，所述吸水性树脂的细度较佳地为120～260目，例如120目、180目、200目或260目。
本发明中，所述氧化剂较佳地为高铁酸盐，例如高铁酸钾。
本发明中，所述氧化剂的份数较佳地为2～3.5份，例如2.6份或3.2份。
本发明中，上述优选的偶联剂的种类和份数、吸水性树脂的种类、份数和目数、氧化剂的种类和份数为发明人在研发过程中所作的优选案例，即下文中具体实施例均为较佳实施例，相比于本领域内其他的原料种类制得的调制改性剂，能够作为种植土或者无机结合料时，能够实现更高的发芽率或抗压强度。
在本发明一具体实施方案中，所述调质改性剂包括以下重量份数的组分：I级再生微粉100份；细度为180目的凹凸棒土8份；质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液3份；硬脂酸锌3份；细度为260目的吸水性树脂6份；高铁酸钾1.5份。
在本发明一具体实施方案中，所述调质改性剂包括以下重量份数的组分：Ⅱ级再生微粉100份；细度为320目的凹凸棒土26份；质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液7份；硬脂酸钠7份；细度为200目的吸水性树脂4份；高铁酸钾2.6份。
在本发明一具体实施方案中，所述调质改性剂包括以下重量份数的组分：I级再生微粉100份；细度为220目的凹凸棒土36份；质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液5份；硬脂酸钙5份；细度为120目的吸水性树脂2份；高铁酸钾4.0份。
在本发明一具体实施方案中，所述调质改性剂包括以下重量份数的组分：Ⅱ级再生微粉100份；细度为360目的凹凸棒土18份；质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液9份；硬脂酸锌与硬脂酸钙的混合物4份；细度为180目的吸水性树脂3份；高铁酸钾3.2份。
本发明还提供了一种所述调质改性剂的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将混合物1和所述憎水剂进行第一次混合，得混合物2；
(2)将所述混合物2与“所述吸水性树脂和所述氧化剂”进行第二次混合后即得；
所述混合物1为所述再生微粉、所述凹凸棒土和所述偶联剂。
本发明中，所述混合物1的制备方法可为本领域常规，一般是将所述再生微粉、所述凹凸棒土和所述偶联剂混合均匀即可。所述混合的时间可为本领域常规，较佳地为4～7min。本发明中，所述混合较佳地通过粉磨实现。
本发明中，所述第一次混合的时间可为本领域常规，较佳地为3～6min。
本发明中，所述第一次混合可为本领域常规，较佳地通过粉磨实现。所述粉磨可采用本领域常规的设备，较佳地为球磨机。
本发明中，所述第二次混合的时间可为本领域常规，较佳地为2～4min。
本发明中，所述第二次混合可为本领域常规，较佳地通过粉磨实现。所述粉磨可采用本领域常规的设备，较佳地为球磨机。
本发明中，较佳地，在所述第二次混合后，还包括在干燥环境下密封存储。
本发明还提供了一种所述调质改性剂，其采用所述的制备方法制得。
本发明还提供了一种所述调质改性剂在改性给水厂污泥中的应用。
本发明还提供了一种污泥材料，其包括给水厂污泥和所述的调质改性剂。
本发明中，所述的给水厂污泥一般为经脱水处理后得到的污泥。其中，所述脱水处理例如为离心脱水或板框压滤脱水。
本发明中，所述给水厂污泥一般包括有机质、矿物质和水。
其中，所述有机质的含量较佳地为10％～35％，例如11.8％或23.9％。所述有机质的含量是参照《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T 221中规定的重量法测得。
其中，所述水的含量较佳地为55％～80％，例如58.6％或77.2％。所述水的含量是指水的质量与所述给水厂污泥的总质量的百分比。
其中，所述给水厂污泥的pH值较佳地为7～8，例如7.33或7.83。
本发明中，所述调质改性剂的质量与所述给水厂污泥的质量的比值较佳地大于0.1，例如0.2或0.45。
本发明中，所述污泥材料的制备方法可为本领域常规，一般为将所述给水厂污泥和所述调质改性剂混合即可。所述的混合较佳地为依次经拌和、闷料和翻拌。
本发明还提供了一种所述污泥材料作为种植土或无机结合料的应用。
本发明中，当所述污泥材料作为无机结合料时，较佳地还需添加硅酸盐水泥，所述的硅酸盐水泥例如为PO42.5。其中，所述硅酸盐水泥的质量与所述给水厂污泥的质量的百分比较佳地为12％～20％，例如15％。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明的调质改性剂对所述给水厂污泥中水分迁移、颗粒级配调整、表面化学改性和有机质氧化分解等作用之间的相互配合，不显著影响污泥的pH值，实现污泥的减塑分散，使黏稠状污泥经调质改性后呈粒状、匀质且含水率适宜的改性污泥，提高了污泥的泥质资源属性。
(2)经本发明的调质改性剂得到的污泥材料具有粒状、匀质且含水率适宜的优点，能有效提高了种子的发芽率，提高固化强度，便于多路径资源化利用需求，应用范围广。
(3)本发明产品制备工艺简便，效率高，适用于给水厂污泥的集中处理，推广应用潜力大。
附图说明
图1为实施例1污泥调质改性前和改性后的性状改变图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
按重量比为I级再生微粉100份，细度为180目的凹凸棒土8份，质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液3份，硬脂酸锌3份，细度为260目的吸水性树脂6份，高铁酸钾1.5份称取各原材料。
先将再生微粉、凹凸棒土和乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液按上述比例加入球磨机中粉磨4min。
随后加入硬脂酸锌继续粉磨3min，最后加入吸水性树脂和高铁酸钾粉磨4min，得本实施例1的产品S-1。
实施例2
按重量比为Ⅱ级再生微粉100份，细度为320目的凹凸棒土26份，质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液7份，硬脂酸钠7份，细度为200目的吸水性树脂4份，高铁酸钾2.6份称取各原材料。
先将再生微粉、凹凸棒土和乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液按上述比例加入球磨机中粉磨6min。
随后加入硬脂酸钠继续粉磨4min，最后加入吸水性树脂和高铁酸钾粉磨2min，即得本实施例2的产品S-2。
实施例3
按重量比为I级再生微粉100份，细度为220目的凹凸棒土36份，质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液5份，硬脂酸钙5份，细度为120目的吸水性树脂2份，高铁酸钾4.0份称取各原材料。
先将再生微粉、凹凸棒土和乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液按上述比例加入球磨机中粉磨7min。
随后加入硬脂酸钙继续粉磨6min，最后加入吸水性树脂和高铁酸钾粉磨3min，即得本实施例3的产品S-3。
实施例4
按重量比为Ⅱ级再生微粉100份，细度为360目的凹凸棒土18份，质量浓度10％的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液9份，硬脂酸锌与硬脂酸钙按1:1重量比组成的混合物4份，细度为180目的吸水性树脂3份，高铁酸钾3.2份称取各原材料。
先将再生微粉、凹凸棒土和乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液按上述比例加入球磨机中粉磨6min。
随后加入硬脂酸锌与硬脂酸钙的混合物继续粉磨6min，最后加入吸水性树脂和高铁酸钾粉磨2min，即得本实施例4的产品S-4。
效果实施例1
图1为实施例1污泥调质改性前和改性后的性状改变图，如图1所示，在加入实施例1的调质改性剂前，给水厂污泥呈粘稠团聚状，经调质改性后，给水厂污泥实现了匀质松散状效果。
选取上海某两处给水厂污泥开展实施效果测试，两种污泥记为W1及W2。其中，W1为离心脱水产生的污泥，含水率为77.2％，pH为7.33，有机质含量为23.9％；W2为板框压滤脱水产生的污泥，含水率为58.6％，pH为7.83，有机质含量为11.8％。选取生石灰为对比样，测试本实施例1-4的调质改性剂对污泥调质改性的效果：
(1)改性污泥用作种植土
向污泥W1中分别掺加生石灰及实施例1-4的产品，掺量均为45wt.％，经拌和、闷料及翻拌处理后得到5组改性污泥，再分别向5组改性污泥中均匀撒入同批次的100粒种子(狗牙根草籽)，覆膜后观察种子发芽情况，结果如表1所示。
向污泥W2中分别掺加生石灰及实施例1-4的产品，掺量均为20wt.％，经拌和、闷料及翻拌处理后得到5组改性污泥，再分别向5组改性污泥中均匀撒入同批次的100粒种子(狗牙根草籽)，覆膜后观察种子发芽情况，结果如表1所示。
表1生石灰与实施例1-4的调质改性剂对改性污泥用作种植土的影响
由表1可知，利用生石灰对污泥进行调质改性，改性后污泥呈强碱性，无法满足植物的生长需要，限制了改性污泥作为种植土的利用。而利用本实施例1-4进行改性后的污泥，pH值与原污泥差异不大，而污泥中的有机质、水分和良好的通气性，为种子发芽提供了必要条件，种子发芽率大于85％，为改性污泥进一步改良作为种植土提供了基础条件。
(2)改性污泥用作工程填料
向污泥W1中分别掺加生石灰及实施例1-4的产品，掺量均为45wt.％，经拌和、闷料及翻拌处理后得到5组改性污泥，再分别向5组改性污泥中掺入15wt.％(wt.％是指PO42.5水泥的质量与给水厂污泥总质量的比值)的PO42.5水泥进行固化增强，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009中规定的方法成型无侧限抗压强度试件，并测试试件7d强度，结果如表2所示。
向污泥W2中分别掺加生石灰及实施例1-4的产品，掺量均为20wt.％，经拌和、闷料及翻拌处理后得到5组改性污泥，再向5组改性污泥中掺入15wt.％(wt.％是指PO42.5水泥的质量与给水厂污泥总质量的比值)的PO42.5水泥进行固化增强，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009中规定的方法成型无侧限抗压强度试件，并测试试件7d强度，结果如表2所示。
表2生石灰与实施例1-4的调质改性剂对改性污泥用作工程填料的影响
由表2可知，将生石灰改性后污泥再用水泥进行固化增强，固化污泥7d无侧限抗压强度低，固化增强效果差。而将本发明产品调质改性后污泥再利用水泥固化增强，其7d无侧限抗压强度得到显著提升，以W1为原泥，本发明产品调质改性后经水泥固化增强，固化污泥强度为对照组的2.0～2.8倍，以W2为原泥，本发明产品调质改性后经水泥固化增强，固化污泥强度为生石灰组的2.2～2.8倍，生石灰组即为表2中在污泥中加入生石灰的改性污泥。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于种植土的污泥材料，其特征在于，包括给水厂污泥和调质改性剂；
其中，所述调质改性剂由以下重量份数的组分组成：再生微粉：100份；凹凸棒土：8~36份；所述凹凸棒土的细度为180~360目；偶联剂：3~9份；憎水剂：3~7份；吸水性树脂：2~6份；氧化剂：1.5~4.0份，所述氧化剂为高铁酸钾；
其中，所述给水厂污泥为经脱水处理后的污泥，所述给水厂污泥包括有机质、矿物质和水；所述有机质的含量为10%~35%，所述有机质的含量是参照《城市污水处理厂污泥检验方法》CJ/T 221中规定的重量法测得；所述水的含量为55%~80%，所述水的含量是指水的质量与所述给水厂污泥的总质量的百分比；
所述调质改性剂的质量与所述给水厂污泥的质量的比值大于0.1且小于等于 0.2；
所述偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液，乙烯基三乙氧基硅烷在所述乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液中的质量浓度为10%；
所述憎水剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙和硬脂酸钠中的一种或多种；
所述的调质改性剂的制备方法包括如下步骤：
（1）将混合物1和所述憎水剂进行第一次混合，得混合物2；所述第一次混合通过粉磨实现；所述第一次混合的时间为3~6min；
（2）将所述混合物2与“所述吸水性树脂和所述氧化剂”进行第二次混合后即得；所述第二次混合通过粉磨实现；所述第二次混合的时间为2~4min；
所述混合物1为所述再生微粉、所述凹凸棒土和所述偶联剂进行混合即可；所述混合通过粉磨实现；所述混合的时间为4~7min。
2.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述凹凸棒土的份数为10~30份；
和/或，所述凹凸棒土的细度为200~340目；
和/或，所述偶联剂的份数为4~9份；
和/或，所述憎水剂的份数为4~6份；
和/或，所述吸水性树脂的份数为3~5份；
和/或，所述吸水性树脂的细度为120~260目；
和/或，所述氧化剂的份数为2~3.5份。
3.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述凹凸棒土的份数为18份或26份；
和/或，所述凹凸棒土的细度为220目或320目；
和/或，所述偶联剂的份数为5份或7份；
和/或，所述憎水剂的份数为4份或5份；
和/或，所述吸水性树脂的份数为3份或4份；
和/或，所述吸水性树脂的细度为120目、180目、200目或260目；
和/或，所述氧化剂的份数为2.6份或3.2份。
4.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述再生微粉的等级为I级或II级；
和/或，当憎水剂为硬脂酸锌和硬脂酸钙时，所述硬脂酸锌和硬脂酸钙的重量比为1:1；
和/或，所述吸水性树脂为高分子吸水性树脂。
5.如权利要求4所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述高分子吸水性树脂为低交联型聚丙烯酸盐。
6.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述调质改性剂由以下重量份数的组分组成：I级再生微粉100份；细度为180目的凹凸棒土8份；质量浓度10%的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液3份；硬脂酸锌3份；细度为260目的吸水性树脂6份；高铁酸钾1.5份；
或，所述调质改性剂由以下重量份数的组分组成：Ⅱ级再生微粉100份；细度为320目的凹凸棒土26份；质量浓度10%的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液7份；硬脂酸钠7份；细度为200目的吸水性树脂4份；高铁酸钾2.6份；
或，所述调质改性剂由以下重量份数的组分组成：I级再生微粉100份；细度为220目的凹凸棒土36份；质量浓度10%的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液5份；硬脂酸钙5份；细度为120目的吸水性树脂2份；高铁酸钾4.0份；
或，所述调质改性剂由以下重量份数的组分组成：Ⅱ级再生微粉100份；细度为360目的凹凸棒土18份；质量浓度10%的乙烯基三乙氧基硅烷乙醇溶液9份；硬脂酸锌与硬脂酸钙的混合物4份；细度为180目的吸水性树脂3份；高铁酸钾3.2份。
7.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述脱水处理为离心脱水和/或板框压滤脱水；
和/或，所述有机质的含量为 11.8%或23.9%；
和/或，所述水的含量为 58.6%或77.2%，
和/或，所述给水厂污泥的pH值为7~8；
和/或，所述用于种植土的污泥材料的制备方法包括以下步骤：将所述给水厂污泥与所述调质改性剂混合即可。
8.如权利要求1所述的用于种植土的污泥材料，其特征在于，所述给水厂污泥的pH值为7.33或7.83。
9.一种如权利要求1~8任一项所述的用于种植土的污泥材料作为种植土的应用。
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