CN114591069B - 一种污泥陶粒及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污泥陶瓷材料领域，具体涉及一种污泥陶粒及其制备方法和应用。本发明提供了一种污泥陶粒的制备方法，包括以下步骤：将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土；将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒；将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒。本发明的污泥陶粒对污染物的吸附量高，净水效果好，对砷和磷的吸附容量分别达到85mg/g和45mg/g。

Description

一种污泥陶粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于污泥陶瓷材料领域，具体涉及一种污泥陶粒及其制备方法和应用。
背景技术
污泥产生于污水厂处理过程，对人体和环境都会产生很大的危害。随着污泥产生量越来越大，其含水率高、体积大、力学性质差等问题，给堆放和运输带来困难，且污泥中含有大量的有毒物质，如果不能妥善地处理处置，将会带来严重的环境问题。目前成熟的污泥处理方法有：卫生填埋、土地利用、干化和焚烧等，但这几种方法各有缺点，因此研究一种新的污泥处理方法具有重大的意义。
目前的陶粒主要是粘土陶粒，粘土大部分来源于耕地，烧制陶粒会大量破坏耕地，不利于社会可持续发展。以污泥制成陶粒，变废为宝，将大大减少耕地土壤的用量，也将大大减轻日益严峻的污泥处理问题。目前，已有用污泥制备陶粒的技术，如申请号为201611064123.7的中国专利公开了一种活化给水厂污泥基陶粒强化其吸磷效果的方法，申请号为201511023099.8的中国专利公开了一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法。但目前制备的污泥陶粒均存在对污染物的吸附量低，净水效果差的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有问题，提供一种污泥陶粒及其制备方法和应用。本发明的污泥陶粒对污染物的吸附量高，净水效果好。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种污泥陶粒的制备方法，包括以下步骤：
将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土；
将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒；
将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒。
优选的，所述混合干料包括以下质量分数的组分：脱水污泥30～80％、纸纤维5～10％、粘土15～60％；所述水为所述混合干料质量的30～40％。
优选的，所述混合进行镧改性为：将所述未改性污泥陶粒置于镧离子溶液中浸泡后，将得到的镧改性污泥陶粒湿料进行烧制，所述烧制的温度为400～600℃，时间为3～4h。
优选的，所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液的用量比为0.5～1g:1mL；所述镧离子溶液的浓度为0.012mol/L至饱和浓度。
优选的，所述脱水污泥为干污水污泥和/或干自来水污泥。
优选的，所述脱水污泥为干污水污泥和干自来水污泥的混合物时，所述混合物中干污水污泥的质量分数为40～60％。
优选的，所述干污水污泥由污水厂污泥脱水得到，所述干自来水污泥由自来水厂污泥脱水得到；所述脱水的温度均为105℃。
优选的，所述煅烧包括依次进行第一煅烧和第二煅烧，所述第一煅烧的温度为450℃，保温时间为1h；所述第二煅烧的温度为850～1150℃，保温时间为1h。
本发明还提供了上述的制备方法得到的污泥陶粒和上述的制备方法得到的污泥陶粒在净水中的应用。
本发明提供了一种污泥陶粒的制备方法，包括以下步骤：将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土；将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒；将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的脱水污泥含有有机成分如碳水化合物、蛋白质、脂肪，再加上纸纤维的添加，煅烧后形成丰富的孔结构，对污染物的吸附量比其他廉价有机物(如木屑、米糠等)为造孔剂制备的陶瓷材料更高。利用未改性污泥陶粒丰富的孔结构，通过镧改性，镧离子负载在污泥陶粒的表面，对污染物的吸附改为化学吸附，提高了对污染物的吸附量，净水效果好。实施例的结果显示，利用污泥陶粒去除水中的砷和磷，砷和磷分别与镧反应生成砷酸镧和磷酸镧，对砷和磷的吸附容量分别达到85mg/g和45mg/g。
本发明所使用的原材料包括污泥、粘土、纸纤维和水，组成成分简单，使得制作成本大大降低，减少陶粒成本，大大提高了污泥陶粒的经济效益。通过使用污泥作原料代替部分粘土烧制陶粒，还减少了粘土用量，保护耕地，真正体现了固体废物处理的无害化、减量化、资源化原则，环境效益显著。
进一步地，本发明分别掺杂污水污泥、自来水污泥或两者混合物，污泥添加量高，达30～80wt％，有利于污泥的资源化利用，减少污泥处置成本，同时通过高温烧制，有效固定污泥中的重金属，实现污泥的无害化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1得到的污泥陶粒的吸附等温线；
图2为本发明实施例1得到的污泥陶粒的吸附动力学曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种污泥陶粒的制备方法，包括以下步骤：
将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土；
将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒；
将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒。
在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。
本发明将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土。
在本发明中，所述脱水污泥优选为干污水污泥和/或干自来水污泥。
在本发明中，所述干污水污泥优选由污水厂污泥脱水得到，所述干自来水污泥优选由自来水厂污泥脱水得到，本发明对污水厂污泥和自来水厂污泥的来源没有特殊的限制，以污水厂和自来水厂的任意污泥即可。
在本发明中，所述脱水的温度均优选为105℃，本发明对所述脱水的时间没有特殊的限定，能够使所述脱水污泥的含水量小于10％即可。
在本发明中，所述脱水污泥为干污水污泥和干自来水污泥的混合物时，所述混合物中干污水污泥的质量分数优选为40～60％，更优选为50％。
在本发明中，所述脱水后优选还包括将得到的脱水污泥进行磨碎，得到脱水污泥颗粒。本发明对所述磨碎的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述脱水污泥颗粒优选为过150～200目筛。
得到脱水污泥后，本发明将所述脱水污泥或脱水污泥颗粒、纸纤维、粘土和水混合，得到混合湿料。
在本发明中，所述粘土优选为红粘土或高岭土。
在本发明中，所述粘土的粒径优选为小于400目。
在本发明中，所述纸纤维优选为回收的纸制品，粉碎至出现纤维状。本发明的纸纤维作为造孔剂可以提高污泥陶粒的孔隙量，进而提高污泥陶粒对污染物的吸附量。
在本发明中，所述混合干料优选为包括以下质量分数的组分：脱水污泥30～80％、纸纤维5～10％、粘土15～60％；所述混合干料更优选为包括以下质量分数的组分：脱水污泥45～60％、纸纤维5～10％、粘土30～45％。在本发明中，所述水优选为混合干料质量的30～40％。本发明对所述混合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式将混合湿料混合均匀即可。
得到混合湿料后，本发明将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒。
在本发明的实施例中，所述成型在模具中进行，本发明对所述模具没有特殊的限制，本领域技术人员可以根据需要选择合适的模具。具体的，在实施例中，本发明根据模具大小，把固定质量的混合料放入模具进行压制，本发明对压制成型的压力无特别要求，能成型、脱模时不碎即可。
所述成型后，本发明将得到的成型体干燥，得到干坯，本发明对所述干燥的温度和时间没有限制，采用本领域技术人员常用的方式即可。具体的，在实施例中，本发明可以在自然条件下晾干。
所述干燥后，本发明将所述干坯煅烧，得到未改性污泥陶粒。在本发明中，所述煅烧优选包括依次进行第一煅烧和第二煅烧，所述第一煅烧的温度优选为450℃，保温时间为1h；从室温升温到第一煅烧温度的升温速率优选为1～3℃/min。在本发明中，所述第二煅烧的温度优选为850～1150℃，保温时间为1h，从所述第一煅烧的温度升温到第二煅烧的温度的升温速率优选为1～3℃/min。所述煅烧可将污泥中的有机物去除，从而形成孔隙用来吸附重金属等污染物。
在本发明中，所述第二煅烧后优选自然冷却至室温，得到所述未改性污泥陶粒。
得到未改性污泥陶粒后，本发明将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒。
在本发明中，所述混合进行镧改性为：将所述未改性污泥陶粒置于镧离子溶液中浸泡后，将得到的镧改性污泥陶粒湿料进行烧制。
在本发明中，所述镧改性前，优选将未改性污泥陶粒磨碎，过30目筛，将筛下部分进行镧改性。本发明对所述磨碎的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述镧离子溶液优选为磷酸镧溶液，优选为在室温下的水溶液，所述镧离子溶液的浓度优选为0.012mol/L至饱和浓度。所述镧改性使镧离子负载在污泥陶粒表面，经过镧改性后，污泥陶粒对污染物的吸附为化学吸附，提高了污泥陶粒对污染物的吸附能力。
在本发明中，所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液的用量比优选为0.5～1g:1mL，更优选为1g:1mL。
在本发明中，所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合浸泡的时间优选为20～40min，更优选为30min。
本发明对所述烧制的设备没有特殊的限制，采用本领技术人员熟知的烧制设备即可，如可以采用马弗炉。在本发明中，所述烧制的温度优选为400～600℃，时间优选为3～4h；所述烧制的温度更优选为400℃，时间更优选为3h。在本发明中，从室温升温至所述烧制温度的时间优选为20～40min，更优选为30min。
在本发明中，所述烧制后优选自然降温至室温。
在本发明中，所述污泥陶粒降至室温后，优选用去离子水清洗三遍，于105℃烘干，本发明对烘干的时间没有特殊的要求，采用本领域技术人员常用的方式即可。
本发明还提供了上述的制备方法得到的污泥陶粒或者上述的制备方法得到的污泥陶粒在净水中的应用。
在本发明中，所述污泥陶粒优选为球形，粒径优选为0.4～0.6毫米。
本发明的脱水污泥含有有机成分，再加上纸纤维的添加，提高了污泥陶粒的孔隙量，煅烧后形成丰富的孔结构，对污染物的吸附量比其他廉价有机物(如木屑、米糠等)为造孔剂制备的陶瓷材料更高。利用未改性污泥陶粒丰富的孔结构，通过镧改性，镧离子负载在污泥陶粒的表面，对污染物的吸附为化学吸附，提高了对污染物的吸附量，净水效果好，利用污泥陶粒去除水中的砷和磷，对砷和磷的吸附容量分别达到85mg/g和45mg/g。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的污泥陶粒及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将自来水厂污泥于105℃烘干、磨碎后，过200目筛，得到干自来水污泥，本实施例的脱水污泥仅含有干自来水污泥；将红粘土，过400目筛，即为粘土；将回收的废弃快递纸箱，撕去胶纸，粉碎至出现纤维状，过200目筛，得到纸纤维。
将原料按以下重量份比例混合成混合干料：脱水污泥:粘土:纸纤维＝4.5:5.5:0.8，然后加入混合干料30wt％的水进行充分混合，得到混合湿料。
将混合湿料放入模具进行压制成型，自然晾干，然后进行煅烧，以3℃/min的升温速率从室温升温至第一煅烧的温度450℃，保持时间1h；再以3℃/min的升温速率升温至第二煅烧的温度1000℃后，保持时间1h；然后自然冷却至室温，得到未改性污泥陶粒。
将未改性污泥陶粒磨碎过30目筛后，加入镧离子饱和溶液中浸泡30分钟，未改性污泥陶粒与镧离子饱和溶液的用量比为1g:1mL，马弗炉20分钟从室温升至400℃，维持3h烧制，自然降温至室温后，去离子水清洗三遍，105℃烘箱烘干，得到污泥陶粒。
实施例2
本实施例与上述实施例1的区别仅在于第二煅烧的温度不同，本实施例第二煅烧温度为1050℃。
实施例3
本实施例与上述实施例1的区别仅在于第二煅烧的温度不同，本实施例第二煅烧温度为1100℃。
实施例4
本实施例与上述实施例1的区别仅在于第二煅烧的温度不同，本实施例第二煅烧温度为1150℃。
实施例5
将自来水厂污泥和污水厂污泥于105℃烘干、磨碎后，过200目筛，分别得到干自来水污泥和干污水污泥，将干自来水污泥和干污水污泥按1:1混合即为本实施例的脱水污泥；将红粘土，过400目筛，即为粘土；将回收的废弃快递纸箱，撕去胶纸，粉碎至出现纤维状，过200目筛，得到纸纤维。
将原料按以下重量份比例混合成混合干料：脱水污泥:粘土:纸纤维＝7.6:1.9:0.5，然后加入混合干料30wt％的水进行充分混合，得到混合湿料。
以下实验过程本实施例与上述实施例1相同。
对比例1
本对比例与上述实施例1的区别仅在于未进行镧改性。
应用例1
将实施例1～4制备得到的污泥陶粒，以500mg/L的比例加入到饮用水中，震荡24小时后，测试水中各种重金属离子的含量，测试结果如下表1所示。
表1不同煅烧温度制备的污泥陶粒过滤出水重金属含量(mg/L)
Figure BDA0003590925310000071
a未检出
b城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的选择控制项目
C城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的基本控制项目
由表1中数据可以看出，各项金属元素指标均符合饮用水标准和城镇污水排放标准，说明本发明的污泥陶粒不会溶出金属元素，达到了污泥无害化的效果。
应用例2
将实施例1、实施例5制备得到的污泥陶粒和对比例1制备得到的未改性污泥陶粒，以500mg/L的比例投加到砷和磷浓度均为50mg/L的溶液中，以100r/min的速度震荡5min，然后分别测试溶液中砷和磷的浓度。
经测试，投加实施例1的污泥陶粒的溶液中砷的浓度为7.5mg/L，磷的浓度为27.5mg/L，计算得出污泥陶粒对砷的吸附量为85mg/g，对磷的吸附量为45mg/g。而申请号为201611064123.7的中国专利公开的一种活化给水厂污泥基陶粒强化其吸磷效果的方法，对磷的吸附量仅为961mg/kg，即0.961mg/g，可以看出，本发明的污泥陶粒对磷的吸附量有了明显提高。
经测试，投加实施例5的污泥陶粒的溶液中砷的浓度为20.58mg/L，磷的浓度为33.15mg/L，计算得出污泥陶粒对砷的吸附量为58.84mg/g，对磷的吸附量为33.7mg/g。
经测试，投加对比例1的未改性污泥陶粒的溶液中砷的浓度为43.663mg/L，磷的浓度为45.642mg/L，计算得出污泥陶粒对砷的吸附量为12.674mg/g，对磷的吸附量为8.716mg/g。
测试例1
实施例1得到的污泥陶粒的吸附等温线
初始溶液磷浓度设置为10、20、30、40、50、80、100、150、200mg/L共9个梯度，模拟磷废水溶液均取40mL，往不同磷浓度梯度的离心管中均加入20mg实施例1制备得到的污泥陶粒，塞紧瓶盖后，放入气浴恒温摇床，设置298.15K、240r/min，振荡24h，振荡结束后，用针管抽取溶液过0.45μm滤膜，进行测试。
测试结果如图1所示，初始浓度对于污泥陶粒吸附磷的影响，随着浓度的增加，污泥陶粒的吸附量逐渐上升，在初始浓度为200mg/L时，吸附量达到37mg/g。
测试例2
实施例1得到的污泥陶粒的吸附动力学曲线
称取20mg实施例1制备得到的污泥陶粒，加入40mL浓度均为50mg/L的模拟磷废水溶液，振荡条件设置为298.15K、240r/min，分别在0.25h、0.5h、1h、4h、18h、24h时取对应时间标记的溶液，用针管抽取溶液过0.45μm滤膜，进行测试。
测试结果如图2所示，吸附时间对吸附量的影响，污泥陶粒的吸附量随着时间的增加而增加。吸附初期，溶液浓度高，污泥陶粒表面活性位点多，所以吸附效率较快，随着时间增加，吸附作用开始后，污泥陶粒表面吸附位点开始被占据，至60min以后，吸附过程进入平缓阶段。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种污泥陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将混合干料和水混合，得到混合湿料，所述混合干料包括脱水污泥、纸纤维和粘土；
将所述混合湿料依次进行成型、干燥和煅烧，得到未改性污泥陶粒；
将所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液混合进行镧改性，得到所述污泥陶粒；
所述煅烧包括依次进行第一煅烧和第二煅烧，所述第一煅烧的温度为450℃，保温时间为1h；所述第二煅烧的温度为850～1150℃，保温时间为1h；
所述混合进行镧改性为：将所述未改性污泥陶粒置于镧离子溶液中浸泡后，将得到的镧改性污泥陶粒湿料进行烧制，所述烧制的温度为400～600℃，时间为3～4h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合干料包括以下质量分数的组分：脱水污泥30～80％、纸纤维5～10％、粘土15～60％；
所述水为所述混合干料质量的30～40％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述未改性污泥陶粒与镧离子溶液的用量比为0.5～1g:1mL，所述镧离子溶液的浓度为0.012mol/L至饱和浓度。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述脱水污泥为干污水污泥和/或干自来水污泥。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述脱水污泥为干污水污泥和干自来水污泥的混合物时，所述混合物中干污水污泥的质量分数为40～60％。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述干污水污泥由污水厂污泥脱水得到，所述干自来水污泥由自来水厂污泥脱水得到；所述脱水的温度均为105℃。
7.权利要求1～6任一项所述的制备方法得到的污泥陶粒，所述污泥陶粒的原料包括污泥和纸纤维，所述污泥陶粒的表面负载有镧离子。
8.权利要求7所述的污泥陶粒在净水中的应用。
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