申请日2017.02.28
公开(公告)日2017.07.07
IPC分类号C04B35/00; C04B35/622; C04B38/00; A01G31/00; C05G1/00
摘要
一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法。其涉及城市污水处理厂剩余污泥的综合利用和无土栽培基料以及营养液的制备。步骤为：1、污泥中加入硅藻土和双氧水，冷冻，用含有纳米钛酸钙的混合酸溶液高速喷射将冷冻的污泥料粉碎融化，然后固液分离，得到固体A和液体A;2、将固体A用碱液浸泡，得到固体B和液体B;3、将液体A与液体B混合，并调pH值，沉淀分离，得到固体C和液体C;4、液体C经钛酸钙处理后得到固体D和营养液;5、将各步得到的固体混合成球、干燥煅烧，得到具有吸附重金属功能的多孔陶粒。本发明利用污泥时，无需添加粘合剂，无废物产生，无二次污染，制备的营养液和陶粒基料成本低，具有良好的经济效益和环境效益。
权利要求书
1.一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，包括如下步骤：
步骤1：取新鲜的剩余污泥，调整含水率80-90%，加入污泥质量的10-40%的硅藻土，按污泥质量和双氧水体积的比为1 kg:0.01-0.2L加入质量浓度为30%的双氧水溶液，搅拌混合均匀，于﹣20-﹣8℃冷冻12h，取出，得到冷冻固体污泥料，再按新鲜污泥质量和酸溶液体积比为1kg:1L取混合酸溶液，加入新鲜污泥质量的0.1%-5%的纳米钛酸钙粉体，搅拌混合，分散均匀，制成纳米钛酸钙-混合酸的悬浊料液，加热至60-90℃，用高压喷枪，将混合酸悬浊料液以50-100m/s的喷射速度，喷入冷冻固体污泥料中，使冷冻污泥料粉碎融化，搅拌均匀，固液分离，得到固体A和液体A;
步骤2：将步骤一得到的固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾调pH值8-9，加热微沸5-10min，滴加氢氧化钾溶液，使浸泡液的pH值保持在8-9，冷却到室温，固液分离，得到固体B和液体B;
步骤3：将步骤2得到的液体B与步骤1得到的液体A混合，加入含钙和镁的化合物，搅拌均匀，反应完全，再加入氢氧化钾和氨水调整溶液的pH值6-8，室温下，静置12h，固液分离，得到固体C和液体C;
步骤4：将步骤3得到的液体C中，按1-10g/L的量加入纳米钛酸钙，紫外光辐照下，搅拌20-60min，固液分离，得到固体D和营养液;
步骤5：将步骤2得到的固体B和步骤3得到的固体C以及步骤4得到的固体D烘干，混合球磨0.5-8h，加水，制成小球，105℃烘干，于烧成温度为950-1250℃煅烧，即可得到多孔陶粒，可用作具备吸附重金属功能的无土栽培的基料。
2.根据权利要求1所述的一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤1中加入的混合酸溶液为硝酸、硫酸和磷酸的混合溶液，其含量为硝酸、硫酸和磷酸的浓度分别为1-2 mol/L、0.1-0.5 mol/L和1-1.5mol/L;
步骤3中的加入含钙和镁的化合物为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、白云石、方解石和石灰石以及碳酸镁、氧化镁和氢氧化镁中的一种或几种，加入量为钙和镁的摩尔数与污泥千克数比为1.5-2.5:0.8-1.5:5。
3.根据权利要求1所述的一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤3中调液体B和A的混合液的pH值的过程中，加入氢氧化钾时，氢氧化钾的摩尔数与液体A和B的混合液的体积升数之比控制在0.8-1.2:1范围内。
4.根据权利要求1所述的一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤4中使用的紫外光波长为254nm，辐照强度不低于100 μW/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤5中制成的小球，成球压力0-10MPa，球粒直径为2-30mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，其特征在于：
步骤5煅烧升温程序为：以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30min，再以5℃/min的速度继续升温到烧成温度, 并保温10-20 min。
说明书
一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法
技术领域
本发明属于环境技术和农业领域，涉及一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法。
背景技术
城市污水处理厂在生化法处理废水的同时，会产生大量的剩余污泥，这些污泥富含有机物，还含有寄生虫卵、病原微生物等致病生物和重金属，如不妥善处理，易造成二次污染。
污泥的处理一直是水处理行业的难题，目前，对于剩余污泥的处理方法主要有堆肥后土地利用、卫生填埋和焚烧等方法。这些方法都存在着环境安全隐患：堆肥法污泥中的有害物质不能彻底去除，这些有害物质进入环境生态系统，危害人类健康;填埋法需要大量的土地，同时也存在着安全隐患;焚烧法能耗高，易产生二噁英等有害废气。污泥中含有大量的有机物，这些有机物以生物残体为主，富含蛋白质和铜锌铁等金属元素，其中的很多成分都是宝贵的资源。因而，积极探讨污泥的综合利用方法，变废为宝，是污泥处置的最好出路。相玉琳采用射线和化学法提取了污泥中的蛋白质用于制备蛋白质发泡液(相玉琳，60CoC-ray/H2O2法与化学法对污泥蛋白发泡液性能的改善研究，天津大学，硕士论文，2011年);李亚东采用水解污泥制备泡沫混凝土(用污泥水解蛋白质生产泡沫混凝土的方法，发明专利， CN 100441545C);还有将污泥作为一种成分添加烧制建筑用砖，制水泥和制备活性炭等(李鸿江等，污泥资源化利用技术，冶金工业出版社，2010年)。这些方法因为各种限制因素的存在，尚无法大规模推广。
无土栽培是现代化植物种植的一种重要生产形式。利用无土栽培技术，既可以克服土壤条件和耕地资源的制约，又可以满足作物生长对于温度、光照、水、肥料、气等因素的需要。目前无土栽培领域所用的营养液一般采用化工原料直接配制，使得成本高，同时还会带进大量的有害成分，污泥中含有大量的有益微量元素和蛋白质，但是同时还含有有害重金属和激素等有害物质，不能直接利用。传统无土栽培基质中膨胀陶粒以其稳定性好、使用过程中无污染，清洁，便于清洗和重复利用等优点，而备受重视。
利用污泥制备无土栽培多孔陶粒是近些年研究最多的方法，蒋文兰(污泥轻质通孔陶粒，申请号：201610477752 .6)将污泥作为一种成分，添加高粘凹凸棒石粘土、生石灰、活性白土、粉状凹凸棒发泡剂空心微珠、轻质氧化镁、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和硫酸亚铁等组分煅烧成型制备多孔陶粒，用于无土栽培;梁新强等(一种用作盆栽土壤填充物的污泥陶粒的制备方法及其用途，申请号 201610261054 .2)将污泥烘干与黏土混合煅烧后再将表面覆盖生物炭粉末，制备盆栽土壤填充物，得到缓慢释放生物炭的污泥陶粒，等等。这些方法制备陶粒，都是采用添加粘土或高岭土制备，这需要消耗大量的粘土等矿物;同时，污泥中的有用元素和组分，如氮磷钾氨基酸等，在煅烧过程中均破坏掉，没有得到利用。另一方面，在无土栽培过程中，在施加营养液和水等环节，都会引入一些有害的重金属。这些重金属会在作物上富集，进入食物链，危害人们健康。而目前的无土栽培用多孔陶粒均无吸附重金属功能。
发明内容
一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，是将污泥中含有的大量有用组份，如氮、磷、钾、氨基酸、蛋白质以及铜锌铁等金属元素，转化和提取出来，作为无土栽培的营养液;剩余无机组份和部分有机质造粒，煅烧，制备具有吸附重金属功能的多孔陶粒，用于无土栽培填充料。
采用的技术方案
一种利用污泥制备无土栽培用陶粒和营养液的方法，包括如下步骤：
步骤1：取新鲜的剩余污泥，调整含水率80-90%，加入污泥质量的10-40%的硅藻土，按污泥质量和双氧水体积的比为1 kg:0.01-0.2L加入质量浓度为30%的双氧水溶液，搅拌混合均匀，于﹣20-﹣8℃冷冻12h，取出，得到冷冻固体污泥料，再按新鲜污泥质量和酸溶液体积比为1kg:1L取混合酸溶液，加入新鲜污泥质量的0.1%-5%的纳米钛酸钙粉体，搅拌混合，分散均匀，制成纳米钛酸钙-混合酸的悬浊料液，加热至60-90℃，用高压喷枪，将混合酸悬浊料液以50-100m/s的喷射速度，喷入冷冻固体污泥料中，使冷冻污泥料粉碎融化，搅拌均匀，固液分离，得到固体A和液体A;
步骤2：将步骤一得到的固体A与等质量的水混合，搅拌均匀，用氢氧化钾调pH值8-9，加热微沸5-10min，滴加氢氧化钾溶液，使浸泡液的pH值保持在8-9，冷却到室温，固液分离，得到固体B和液体B;
步骤3：将步骤2得到的液体B与步骤1得到的液体A混合，加入含钙和镁的化合物，搅拌均匀，反应完全，再加入氢氧化钾和氨水调整溶液的pH值6-8，室温下，静置12h，固液分离，得到固体C和液体C;
步骤4：将步骤3得到的液体C中，按1-10g/L的量加入纳米钛酸钙，紫外光辐照下，搅拌20-60min，固液分离，得到固体D和营养液;
步骤5：将步骤2得到的固体B和步骤3得到的固体C以及步骤4得到的固体D烘干，混合球磨0.5-8h，加水，制成小球，105℃烘干，于烧成温度为950-1250℃煅烧，即可得到多孔陶粒，可用作具备吸附重金属功能的无土栽培的基料。
步骤1中加入的混合酸溶液为硝酸、硫酸和磷酸的混合溶液，其含量为硝酸、硫酸和磷酸的浓度分别为1-2 mol/L、0.1-0.5 mol/L和1-1.5mol/L;
步骤3中的加入含钙和镁的化合物为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、白云石、方解石和石灰石以及碳酸镁、氧化镁和氢氧化镁中的一种或几种，加入量为钙、镁摩尔数与污泥千克数比为1.5-2.5:0.8-1.5:5。
步骤3中调液体B和A混合液的pH值时，加入氢氧化钾时，氢氧化钾的摩尔数与液体A和B混合液的体积升数之比控制在0.8-1.2:1范围内。
步骤4中使用的紫外光波长为254nm，辐照强度不低于100 μW/cm2。
步骤5中制成的小球，成球压力0-10MPa，球粒直径为2-30mm。
步骤5煅烧升温程序为：以3℃/min的升温速度升到300 ℃, 并在此温度下保温30min。再以5℃/min的速度继续升温到烧成温度, 并保温10-20 min。
优点
无害化综合利用污泥，解决了污泥污染问题，无需添加粘合剂，充分利用污泥各组分，制备具有吸附重金属功能的无土栽培用陶粒和营养液，废物利用，变废为宝，无二次污染，制备的营养液和陶粒基料成本低，具有良好的经济效益和环境效益。