申请日2018.07.19
公开(公告)日2018.11.23
IPC分类号C04B7/24; C04B7/153; C04B12/00
摘要
本发明属于资源与环境领域，提供了一种干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备地质聚合物及污泥中重金属的高效固定方法。本发明以污泥残渣为原料，以NaOH和硅酸钠的混合溶液为碱激发剂对干化污泥残渣进行高温预处理，用来降低污泥残渣的粒径，使其更有利于制备地质聚合物。本发明实现了地质聚合物对干化污泥残渣中重金属的高效固化(Cu、Zn、Ni、Pb和Cd固化率达95%以上)，可为城市污泥残渣的无害化与资源化利用提供技术参考。可实现制备高强度地质聚合物(抗压强度≥89Mpa)的干化污泥残渣添加量为≤20%。
权利要求书
1.一种干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备地质聚合物的方法，其特征在于，包括：
(1)以污泥残渣为原料，以NaOH和硅酸钠的混合溶液为碱激发剂对污泥残渣进行高温预处理;
(2)以粒化高炉矿渣为凝胶材料，以水玻璃为碱激发剂，以及步骤(1)高温预处理制得的干化污泥残渣进行混合，得到所制备的地质聚合物。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，以剩余污泥经105℃干化12h后所得的污泥残渣为原料。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述步骤(1)以NaOH和硅酸钠的混合溶液为碱激发剂对干化污泥残渣进行高温预处理，所述碱激发剂与污泥残渣的质量比优选为1:3。
4.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，所述高温预处理采用焙烧温度为900℃，保温时间为3.5h，用来降低污泥残渣的粒径。
5.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，以粒化高炉矿渣为凝胶材料，以水玻璃为碱激发剂，按照(1)硅酸盐含量(%)、(2)水玻璃模数(SiO2/Na2O，mol/mol)以及(3)干化污泥残渣添加量(%)进行混合，硅酸盐含量、水玻璃模数以及干化污泥残渣添加量分别为82.5%,1.3和20%。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将矿渣和预处理后的污泥残渣按所述配比加入搅拌釜中，加入碱激发剂，活化5min，然后将搅拌釜放置在水泥胶砂搅拌机上，先慢速搅拌2min，搅拌过程中缓慢加入去离子水，再快速搅拌3min;将搅拌后的浆体倒入30mm*30mm*30mm的钢制立方体模具中，将模具放于水泥胶砂振实台上振动50次，刮平表面，在室温下放置1d，拆掉模具，将地聚物试样放入水泥标准养护箱，在25℃，湿度100%条件下进行养护28d。
7.一种污泥中重金属的高效固定方法，其特征在于，包括：通过前述地质聚合物的制备，实现了污泥重金属的高效固定。
说明书
干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备地质聚合物及污泥中重金属的高效固定方法
技术领域
本发明属于资源与环境领域，提供了一种干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备地质聚合物及污泥中重金属的高效固定方法。
背景技术
城市污水处理产生的剩余污泥被视为宝贵的资源，其资源化利用是当前的研究热点。然而，污泥中一般富含Zn、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb等有毒有害重金属，这些重金属的浸出将会对自然环境产生严重危害。因此，在进行剩余污泥资源化利用之前，必须对污泥中所含有的重金属进行固化，以降低环境污染风险。迄今，常用的重金属固定化方法包括：水泥固化法、石灰固化法、塑形包胶固化法、熔融固化法及地聚物固化法等。
(1)水泥固化法
水泥固化重金属是应用最广泛的固化技术之一，将含重金属固体废弃物与水泥混合形成具有一定强度的凝固体，包裹重金属并降低浸出风险。该技术处理成本低，已相对成熟，无需前处理，具有很强的经济性。
(2)石灰固化法
石灰固化重金属是将石灰、水泥窑灰和矿渣等具有火山灰效应的粉体作为基材对重金属进行固化处理的方法，所用物料价格便宜，操作相对简单，无需特殊的设备与技术，处理费用低。
(3)塑形包胶固化技术
塑形包胶法固化重金属是利用加热和冷却时能反复软化和硬化的有机塑料(如沥青、聚乙烯等)与干燥或脱水处理后的含重金属固体废物在较高温度下混合，实现重金属固化的方法。利用该方法得到的固化体中重金属的浸出风险较低，对水溶液也具有良好的阻隔性，是一种极具吸引力的较高安全性的固化技术。
(4)熔融固化法
熔融固化是将重金属废物与细小的废玻璃质混合，然后在高温下熔融形成致密结构的玻璃固化体。这种固化技术形成的固化体效果良好，在处理高剂量的放射性废物和剧毒性废物方面应用广泛。
(5)地质聚合物固化法
地质聚合物固化是指将含重金属固体废物与某些颗粒化碱激发活性物质(包括粉煤灰、高炉残渣、偏高岭土、高岭石粘土和赤泥等)混合制备地质聚合物胶凝材料的方法，从而实现重金属的固化。
现有技术主要存在以下缺陷：
(1)水泥固化体含盐类较多时，存在破裂风险，大量使用水泥会显著增加固化体的体积和质量，其二次处理需占用大量土地，往往超过了重金属废弃物的自身体积。
(2)石灰固化后形成的固化体内部会有许多毛细孔，固化体抗压强度较低、抗渗性能不高，有可能导致水溶性重金属的逸出;反应温度高、养护时间长，有较大的体积膨胀，增加了清运和处置的困难。
(3)塑形材料固化法与熔融固化法的能耗大、运行成本高，所适用的含重金属废弃物的种类相对有限。
(4)地质聚合物固化技术目前多处于实验室研究阶段，用于制备地质聚合物的胶凝材料及碱激发剂不同，所制备的地质聚合物的特性与抗压强度差异显著，地聚物固化体的力学性能一般与所掺杂的污泥残渣的量成反比，污泥残渣掺入量越大，固化体的力学性能越差。
(5)地质聚合物固化体中污泥残渣的掺杂量是否对地质聚合物的抗压强度和重金属的固化效果存在显著影响，尚不得而知，如何同时提高地质聚合物固化体的力学强度及其对污泥中重金属的固化率，有待深入研究。
另外，例如CN201710881157.3一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法。本发明通过调配不同污泥焚烧残渣与凝胶材料偏高岭土的比例获得了可实现重金属高效固化的最佳污泥焚烧残渣添加量(≤10%)，采用本发明的固化方法，Cu、Zn的最优固化率达到了95%;Cr、Ni、Pb的固化率均在90%以上。但污泥焚烧残渣添加量还存在有限。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明通过以下技术方案来实现：
一种干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备地质聚合物的方法，包括：
(1)以污泥残渣为原料，以NaOH和硅酸钠的混合溶液为碱激发剂对污泥残渣进行高温预处理;
(2)以粒化高炉矿渣为凝胶材料，以水玻璃为碱激发剂，以及步骤(1)高温预处理制得的干化污泥残渣进行混合，得到所制备的地质聚合物。
所述步骤(1)用来降低污泥残渣的粒径，使其更有利于制备地质聚合物。
作为本发明的一种优选方案，以剩余污泥经105℃干化12h后所得的污泥残渣为原料。
作为本发明的一种具体实施方案，本实验所用的污泥残渣来自中国深圳某污水处理厂，选用的是二沉池剩余污泥。污泥含水率为84.3%，灰分(干样)含量为46.72%，挥发分含量为53.27%，污泥中含有Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd等重金属，含量分别为1077.52mg/kg、2726.11mg/kg、89.34mg/kg、92.85mg/kg、7059.22mg/kg和393.36mg/kg。
对含水污泥进行烘干是用于制备地质聚合物的前提条件，可提高地聚物的抗压强度。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(1)以NaOH和硅酸钠的混合溶液为碱激发剂对干化污泥残渣进行高温预处理，所述碱激发剂与污泥残渣的质量比优选为1:3。通过本发明大量的实验发现，本发明所选用的碱激发剂与污泥残渣的质量比(1:3)相对于其他报道中所述的1:5的比例，更有利于制备出高抗压强度的地质聚合物。
作为本发明的一种优选方案，所述高温预处理采用焙烧温度为900℃，保温时间为3.5h，用来降低污泥残渣的粒径。通过本发明大量的实验发现，在900℃条件下焙烧3.5h，基本可以保证污泥中有机质全部碳化转变为灰分，同时显著降低残渣中晶体的含量，有利于减少所制备的地质聚合物中孔隙，增强地聚物的抗压强度。
通过大量的实验结果表明，采用前述的优选方案，干化污泥残渣的平均粒径明显降低，由预处理前的3.39～16.13μm降低至处理后的33.96～39.25nm，更有利于参与制备高强度地质聚合物。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)中，在完成污泥残渣预处理的基础上，以粒化高炉矿渣为凝胶材料，以水玻璃为碱激发剂，按照(1)硅酸盐含量(%)、(2)水玻璃模数(SiO2/Na2O，mol/mol)以及(3)干化污泥残渣添加量(%)进行混合，通过大量的研究发现，硅酸盐含量、水玻璃模数以及干化污泥残渣添加量分别为82.5%,1.3和20%时，地质聚合物的抗压强度的最大值为89.03MPa。
通过本发明大量的实验发现，采用此工艺步骤，显著高于相关研究中报道的以污泥焚烧残渣为原料制备的地质聚合物的抗压强度(4～9MPa)。
作为本发明的一种优选方案，前述三种物质混合方法优选为：将矿渣和预处理后的污泥残渣按前述配比加入搅拌釜中，加入碱激发剂sodium silicate，活化5min，然后将搅拌釜放置在水泥胶砂搅拌机上，先慢速搅拌2min，搅拌过程中缓慢加入去离子水，再快速搅拌3min。将搅拌后的浆体倒入30mm*30mm*30mm的钢制立方体模具中，将模具放于水泥胶砂振实台上振动50次，刮平表面，在室温下放置1d，拆掉模具，将地聚物试样放入水泥标准养护箱，在25℃，湿度100%条件下进行养护28d。
本发明另一目的在于提供了一种污泥中重金属的高效固定方法，通过前述地质聚合物的制备，实现了污泥重金属的高效固定。通过该固化方法实现了重金属的良好固化，优于传统的方法。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
(1)本发明通过干化污泥残渣与粒化高炉矿渣共混制备出了高强度地质聚合物，且实现了地质聚合物对干化污泥残渣中重金属的高效固化(Cu、Zn、Ni、Pb和Cd固化率达95%以上)，可为城市污泥残渣的无害化与资源化利用提供技术参考。可实现制备高强度地质聚合物(抗压强度≥89Mpa)的干化污泥残渣添加量为≤20%;这是CN201710881157.3发明中所述的用于制备地质聚合物的污泥焚烧残渣的最佳掺杂量为10%的2倍，说明本发明所述方法在污泥资源化利用方面较CN201710881157.3有所突破。
(2)干化污泥残渣添加量为20%时，所制备的地质聚合物对污泥残渣中Cu、Zn、Ni、Pb和Cd的固化率处于95.13%～99.99%之间。
(3)CN201710881157.3发明中，当污泥焚烧残渣掺杂量达到20%时，重金属固化效果下降到75%～88%，而本发明所述，当干化污泥残渣的掺杂量为20%时，地质聚合物对重金属Cu、Zn、Ni、Pb和Cd的固化率处于95.13%～99.99%之间，显著高于前者，这说明本发明所述方法在污泥中重金属的无害化方面较CN201710881157.3有所突破。