一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法及其在干化污泥上的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法，以磷石膏為基礎(chǔ)原料，經(jīng)添加高爐礦渣、鋼渣、熟料后攪拌30~45min，使之混合均勻后再加入化學(xué)激發(fā)劑配成膠凝材料，該膠凝材料即為磷石膏基污泥干化劑。將該磷石膏基污泥干化劑倒入脫水污泥中，攪拌3~10min，制得混合物，將該混合物置于密封容器中，在溫度為20℃±1℃、濕度≥95%養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3~14天，脫去污泥中的水分，進(jìn)而干化污泥。石膏基污泥干化劑含水率降低幅度大、干化時(shí)間短，干化效果明顯；原料主要為廢棄物、成本小耗能低，對(duì)環(huán)境無二次污染；可解決城市污泥含水率高、干化成本高等問題。
【專利說明】一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法及其在干化污泥上的應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法，以磷石膏為基礎(chǔ)原料主，經(jīng)摻雜礦渣、熟料混合后，添加激發(fā)劑制得快速干化脫水污泥、提高污泥固化體強(qiáng)度的常溫干化劑，并將該干化劑應(yīng)用于脫去城市污水污泥中的水分。

【背景技術(shù)】
[0002]磷石膏是以磷礦原料濕法生產(chǎn)磷酸的工業(yè)副產(chǎn)品，I噸磷酸產(chǎn)生磷石膏5~6t (干基)，實(shí)物量約7t，全國每年產(chǎn)生量約5000萬噸，磷石膏的累積量已超過2億噸，均以渣場堆存形式處置，各類渣場用地達(dá)18000畝以上。磷石膏中所含酸、氟化物等雜質(zhì)，在堆存過程中造成對(duì)水、土壤的環(huán)境污染。磷石膏資源化綜合利用是解決磷石膏環(huán)境污染問題的最住途徑，但由于磷石膏中殘留磷、氟會(huì)造成水泥過度緩凝和強(qiáng)度降低；制作砌塊強(qiáng)度不高；用作粉刷石膏等因其含雜質(zhì)呈灰黑色影響外觀；用做道路基層耐水性和抗凍性差；制硫酸銨和聯(lián)產(chǎn)水泥投資大、生產(chǎn)成本過高等問題，這些導(dǎo)致磷石膏資源化利用率和附加值均不聞。
[0003]高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的廢物。在冶煉過程中，當(dāng)爐溫達(dá)到1400~1600°C時(shí)，加入高爐的鐵礦石、燃料(焦炭)和助熔劑發(fā)生高溫反應(yīng)生成生鐵和高爐礦渣，其中高爐礦渣以富含Si02、Al203 、Ca0、Mg0等化學(xué)成分組成的易熔混合物，在急冷下具有較高潛在活性。因礦石種類和冶煉方法各異，高爐礦渣排放量也不同，通常情況生成I噸生鐵，產(chǎn)生0.25~1.2噸高爐礦渣。
[0004]目前我國鋼鐵企業(yè)每年的礦渣排放量高達(dá)6000萬t以上，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，各種高爐礦渣的堆積量日益增多，截至2010年，我國高爐礦渣排放量已超過I億噸。大量的高爐礦渣若不及時(shí)處理和綜合利用，會(huì)出現(xiàn)渣滿為患，占用土地、填滿溝溪、淤塞河道、破壞環(huán)境并造成污染，同時(shí)影響鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
[0005]目前我國生活污水處理廠每年排放的污泥量以含固率20%計(jì)，全國每年的污泥總產(chǎn)量已經(jīng)突破3000萬噸，年增長率大于10%，伴隨我國城市污水處理率迅速提高，污泥產(chǎn)生量將不可避免地相應(yīng)增長，據(jù)推測在2020~2025年之間每年的污泥總產(chǎn)量更將突破6000萬噸大關(guān)，消納問題日益突出，急待解決。但由于城市污泥經(jīng)過常規(guī)的濃縮脫水后含水率仍高達(dá)70%~85%。而作為制磚用污泥含水率要求<40% (CJ/T289-2008);混合填埋用泥要求污泥含水率< 60% (CJ/T249-2007，GB/T23485-2009)，最大只能摻入8%污泥，作為填埋場覆蓋土含水率< 45% (CJ/T249-2007，GB/T23485-2009);作為土地改良用污泥含水率<65% ((^八291-2008)4!1值6.5~10;作為農(nóng)用污泥含水率<60% (CJ/T309-2009)；作為園林綠化用污泥含水率< 40% (GB T23486-2009)，因此，過高的污泥含水率必然會(huì)直接影響污泥處置與資源化的實(shí)施，污泥的有效干化是關(guān)鍵。
[0006]目前污泥干化技術(shù)主要有熱干化、生物干化和無機(jī)材料干化三種方式，其中以生物干化問題多應(yīng)用很少，熱干化技術(shù)使用最為普遍，但其耗能高、投入設(shè)備大，也不便就地處理湖底污泥，無機(jī)材料干化應(yīng)用比較多是石灰和水泥等進(jìn)行干化，但是干化時(shí)間長、干化后污泥耐水性差，另外石灰和水泥生產(chǎn)是需要煅燒的、資源也有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于利用礦渣、鋼渣等對(duì)磷石膏進(jìn)行改性激發(fā)制備出了一種新型污泥干化劑，原料為工業(yè)廢棄物、成本低廉、干化效果良好，有利于消納大量廢棄的、污染大的磷石膏同時(shí)，解決城市污泥干化問題。
[0008]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)上述目的的:
[0009]一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法，以磷石膏為基礎(chǔ)原料，添加高爐礦渣、鋼渣、熟料后攪拌30~45min制得膠凝材料，膠凝材料混合均勻后在再加入化學(xué)激發(fā)劑配成磷石膏基污泥干化劑。磷石膏基污泥干化劑的組分包括磷石膏、高爐礦渣、鋼渣、熟料、化學(xué)激發(fā)劑，按重量百分比計(jì)，磷石膏為40~60 %，高爐礦渣為20~40 %，鋼渣5~15 %，熟料5~15%，化學(xué)激發(fā)劑0.5~1.5%。進(jìn)一步優(yōu)選為:按重量百分比計(jì)，磷石膏為40%，高爐礦渣為40 %，鋼渣10 %，熟料10 %，化學(xué)激發(fā)劑0.75%。
[0010]磷石膏主要成分為CaSO4.2Η20，含有少量P2O5和Fe2O3。經(jīng)水泥實(shí)驗(yàn)小磨粉磨后，t匕表面積大于750m2/kg，在磷石膏基污泥干化劑中的摻量范圍為40%~60%。高爐礦渣屬于堿性活性材料，摻量范圍為20%~40%。熟料為普通硅酸鹽水泥熟料，摻量范圍為10%~25 %。將上述原料按照比例稱量后混合均勻。污泥為城市脫水污泥，含水率在70 %~85 %之間。
[0011]磷石膏以二水石膏晶體為主要成分，二水石膏沒有膠凝性能，且二水石膏溶解度也不高，必須采用活性材料對(duì)其進(jìn)行改性激發(fā)，對(duì)磷石膏進(jìn)行粉磨預(yù)處理，增大其比表面積和細(xì)度，有利于與活性材料充分接觸和化學(xué)反應(yīng)完全?；钚圆牧现械腃aO能加速磷石膏中的二水石膏晶體溶解形成離子溶液，這些離子溶液和活性材料中鋁酸鹽和反應(yīng)生成具有高吸水、耐水性和膨脹能力的針狀水化硫鋁酸鹽，在干化污泥時(shí)將污泥絮狀結(jié)構(gòu)中大量自由水、間隙水轉(zhuǎn)化成水化產(chǎn)物內(nèi)結(jié)晶水，同時(shí)生成的這種針狀水化產(chǎn)物具有較大膨脹力，進(jìn)一步刺破污泥絮狀結(jié)構(gòu)、迫使結(jié)構(gòu)包裹水分流出參與反應(yīng)，并通過膨脹擠密污泥加速結(jié)構(gòu)中水分滲出反應(yīng)轉(zhuǎn)化成結(jié)晶水。
[0012] 高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)急冷處理后副產(chǎn)物，化學(xué)成分以CaO、A1203、S12和MgO等為主，由于高溫急冷生成，大部分熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在礦渣內(nèi)，具有較高潛在膠凝活性，但在一般條件下礦渣并不會(huì)水化硬化，只有在少量激發(fā)劑情況下，它才能靠自身的化學(xué)組成形成膠凝物質(zhì)而具有水化硬化活性。熟料為硅酸鹽水泥熟料，水泥熟料和磷石膏中硫酸鈣，均能很好激發(fā)礦渣活性?；瘜W(xué)激發(fā)劑為木質(zhì)素磺酸鈉(C2tlH24Na2OltlS2)、草酸鈣(Ca2C2O4)、明帆石(ΚΑΙ (SO4)2.12Η20)、三聚氰胺(C3H6N6)、三乙醇胺中的一種或多種。水泥熟料和鋼渣水化生成氫氧化鈣，使礦渣玻璃體網(wǎng)絡(luò)中Ca2+、AlO45' Al3+和Si044_解離并進(jìn)入溶液，生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣，其中水化鋁酸鈣還會(huì)和磷石膏中二水石膏晶體反應(yīng)生成耐水性的鈣礬石晶體，在磷石膏如此大摻量下，生成的鈣礬石不會(huì)轉(zhuǎn)化成單硫型水化硫鋁酸鈣，消耗了大量的氫氧化鈣和礦渣活性成分，加速反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，如此反復(fù)，添加的化學(xué)激發(fā)劑可將礦渣活性充分激發(fā)。
[0013]鋼渣為煉鋼生產(chǎn)的廢渣，主要化學(xué)組成與高爐礦渣類似，只是活性Fe2O3和游離CaO含量較高，在CaO和CaSO4作用下可以生成水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石晶體，其中Fe2O3也能參與生成鈣礬石晶體，由此其潛在水化硬化活性被激發(fā)。因此，熟料和磷石膏均能促進(jìn)鋼洛活性激發(fā)。
[0014]根據(jù)X射線衍射圖譜，典型城市污泥的主要成分是α -石英，其次是斜方鈣沸石、鈉云母、鈉長石、斜綠泥石等，鈉長石和斜綠泥石在堿性條件下容易發(fā)生分解反應(yīng)，分解產(chǎn)生的硅、鋁等活性物質(zhì)也可能參與干化水化產(chǎn)物生成反應(yīng)中。
[0015]污泥主要以具有絮凝狀、膠狀的、高度密集的細(xì)小親水性固體顆粒和大量水分組成，其含水率高、比表面大導(dǎo)致其水分很難去除。按照水分分布結(jié)構(gòu)，污泥含水份主要以表面吸附水、間隙水、毛細(xì)結(jié)合水和內(nèi)部結(jié)合水等四類，其中污泥前期的濃縮和脫水可以去除大部分間隙水和吸附水，但對(duì)毛細(xì)結(jié)合水和內(nèi)部結(jié)合水去除極差。毛細(xì)結(jié)合水和污泥顆粒結(jié)合力很強(qiáng)，占污泥水分20%左右；內(nèi)部結(jié)合水主要是污泥中微生物細(xì)胞體內(nèi)的水分，占污泥水分5%~7%，這種水分和固體結(jié)合也很緊密，要想有效去除這兩類水分，必須破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0016]城市污泥顆粒粒度小、含有機(jī)質(zhì)、含水量高不易脫水、有大量和水親和力很強(qiáng)的絮狀膠體顆粒形成的結(jié)構(gòu)。磷石膏基污泥干化劑水化早期生成強(qiáng)堿性氫氧化鈣和釋放出的大量熱量能夠殺死污泥病菌并降低惡臭；干化劑也會(huì)促進(jìn)污泥顆粒分解產(chǎn)生的硅、鋁等活性物質(zhì)，有利于干化水化產(chǎn)物數(shù)量的增加；更為重要的是生成水化產(chǎn)物中具有高結(jié)晶水、高膨脹性能的針狀鈣礬石含量較高，破壞了污泥固有絮狀結(jié)構(gòu)和污泥中水分轉(zhuǎn)化。水化形成針狀鈣礬石晶體、水化硅酸鈣凝膠等生成的膠凝物質(zhì)包裹、穿插相鄰污泥顆粒之間，膨脹擠密而使污泥干化。
[0017]2Ca0.Si02+mH20 — xCa0.S12.yH20+ (2_x) Ca (OH) 2
[0018]3Ca0.Si02+mH20 — xCa0.S12.yH20+ (3_x) Ca (OH) 2
[0019]3Ca0.Al203+3 (CaSO4.2H20) +26H20 — 3Ca0.Al2O3.3CaS04.32H20 (鈣礬石)
[0020] 4Ca0.Al2O3.Fe203+3 (CaSO4.2H20) +2Ca (OH) 2+50H20 — 3Ca0 (Al2O3.Fe2O3)
[0021].3CaS04.32H20(鈣礬石)
[0022]本發(fā)明還提供了一種磷石膏基污泥干化劑在干化污泥上的應(yīng)用，將所述的膠凝材料倒入脫水污泥中，攪拌3~lOmin，制得混合物，將該混合物置于密封容器中，在溫度為200C ±1°C、濕度> 95%養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3~14天，脫去污泥中的水分。所述的脫水污泥為城市污水污泥經(jīng)脫水后制得含水率為70~88%的污泥。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):(1)磷石膏基污泥干化劑與水泥、石灰相比，含水率降低幅度大、時(shí)間短，干化效果明顯；(2)原料主要為廢棄物、成本小耗能低，對(duì)環(huán)境無二次污染；(3)提高了磷石膏和高爐礦渣的利用率，為磷石膏資源化利用提供一條新途徑。(4)解決了城市污泥含水率高、干化成本高等問題。(5)本發(fā)明工藝簡單，操作方便，適合大工業(yè)化應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1裝入污泥；
[0025]圖2為加入干化劑攪拌混合；
[0026]圖3攪拌后的干化污泥；
[0027]圖4摻干化污泥壓制成磚?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0028]實(shí)施例1:
[0029]磷石膏、礦渣、鋼渣與熟料按質(zhì)量百分比40:33:15:12混合后，攪拌30min制得膠凝材料，往該膠凝材料添加木質(zhì)素磺酸鈉(C2tlH24Na2OltlS2)，制得磷石膏基污泥干化劑，其中木質(zhì)素磺酸鈉(C2tlH24Na2OltlS2)占膠凝材料總質(zhì)量的0.75%。所述的磷石膏實(shí)測比表面積為765.2m2/kg。
[0030]此實(shí)驗(yàn)為污泥干化實(shí)驗(yàn)。脫水污泥原始含水率為81.4%，按上述比例配制膠凝材料，按脫水污泥總質(zhì)量的15%稱取該膠凝材料，倒入膠砂攪拌機(jī)混合均勻攪拌3min后，取出干化污泥置于密封容器中，于溫度20°C ±1°C、濕度≥95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至不同齡期時(shí)分別取樣測定污泥含水率。同時(shí)，取部分原狀污泥，置于另一容器中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，到達(dá)相同齡期時(shí)也分別取樣測定原狀污泥含水率，以分析原始污泥含水率隨齡期的變化。含水率樣每次均取2個(gè)平行試樣測試，結(jié)果取其平均值。
[0031]

【權(quán)利要求】
1.一種磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:以磷石膏為基礎(chǔ)原料，經(jīng)添加高爐礦渣、鋼渣、熟料后攪拌3(T45min，制得混合配料，再往該混合配料中加入化學(xué)激發(fā)劑配成膠凝材料，該膠凝材料即為磷石膏基污泥干化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:混合配料中，按重量百分比計(jì)，磷石膏為40~60%，高爐礦渣為20~40%，鋼渣5~15%，熟料5~15% ;其中，化學(xué)激發(fā)劑占混合配料總重量的0.5^1.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:混合配料中，按重量百分比計(jì)，磷石膏為40%，高爐礦渣為40%，鋼渣10%，熟料10% ;其中，化學(xué)激發(fā)劑占混合配料總重量的0.75%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:所述的磷石膏粒度為0.1~10 μ m,比表面積大于750m2/kg。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:所述的高爐礦渣為冶煉生鐵時(shí)急冷處理后的副產(chǎn)物，其成分主要包括CaO，Al2O3, S12, MgO0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:所述的鋼渣為煉鋼生產(chǎn)的廢渣，其成分主要包括Fe2O3, CaO0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷石膏基污泥干化劑的制備方法，其特征在于:熟料為硅酸鹽水泥熟料，化學(xué)激發(fā)劑為木質(zhì)素磺酸鈉(C2tlH24Na2OltlS2X草酸鈣(Ca2C204)、明礬石(KAl(SO4)2.12H20)、三聚氰胺(C3H6N6)、三乙醇胺中的一種或多種。
8.一種磷石膏基污泥干化劑在干化污泥上的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C02F11/14GK104045298SQ201410168559
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】黃緒泉 申請人:三峽大學(xué)