CN116217022A - 一种污泥固化剂和固化污泥的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污泥处理处置及资源化利用领域，特别是涉及一种污泥固化剂和固化污泥及其制备方法与应用。一种污泥固化剂，按重量份计，包括以下组分，植物树胶35～55份，植物纤维10～30份。本发明中的污泥固化剂应用于污泥固化。本发明中的固化污泥的制备方法为将污泥固化剂与污泥混合，养护得到所述固化污泥。本发明中固化污泥可应用与公路路基、生态护坡构建、堤防及边坡固化和垃圾填埋场覆层中。本发明制备的污泥固化剂是无毒无腐蚀性的绿色环保污泥固化剂，得到的固化污泥更适宜植物的生长，能够直接用于公路路基、生态护坡构建、堤防及边坡固化以及垃圾填埋场覆层，更有利于循环经济的发展。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理处置及资源化利用领域，特别是涉及一种污泥固化剂和固化污泥及其制备方法与应用。
背景技术
随着可持续发展的不断推进，国家对环保要求持续提升，用于工业建造的砂石资源的开发利用受到限制。黑臭水体整治与污水处理厂提质增效等水环境治理措施中产生的大量河湖底泥和市政污泥作为可持续替代的土工材料日益受到重视。但未经处理的污泥具有高压缩性、高流变性、高触变性、低强度及低透水性等特性，不满足工程建设用途要求。因此，在污泥进行资源化再生利用前必须对其进行固化处理，以提高其结构力学强度。若能探究一种高效、环保的污泥固化药剂，可以快速并显著改变污泥理化性能、是污泥具有工程特征，对污泥资源化利用具有重大意义。
目前，国内外应用比较广的污泥固化药剂大致可分为传统固化材料和新型固化材料两大类。其中，传统固化材料主要为石灰、水泥、沥青以及工业副产品，如粉煤灰、高炉矿渣、飞灰等。传统固化材料虽然具有良好的强度、水稳性和抗冻性能，但是往往存在收缩较大、开裂风险较高、工程性能较差等缺点。同时，污泥中含有的大量腐殖质类有机物会阻碍传统固化材料的水解水化反应，消减其固化效果。此外，在使用传统固化药剂固化污泥过程中，药剂产量往往过高，易造成固化污泥及周边水体呈现为较强的碱性，对周边土壤和水体造成二次污染，与我国环境友好型社会理念相冲突。因此，近些年来，以高分子材料及离子类材料为主的新型固化材料成为了研究的重点，如木质磺酸盐类固化药剂及ISS离子型固化药剂。但该类药剂往往成本较高，适用范围较窄，且通常仍需要加入一定量的水泥及石灰。天然多糖类水凝胶材料由于其来源广泛、安全无毒且粘度强、能够形成粘合凝胶以提高颗粒物的内聚力和机械强度，在固化领域受到广泛关注。
植物树胶是一种常见的天然多糖类水凝胶材料，其主要由***糖、半乳糖及一些其他单糖，如甘露糖、鼠李糖和木糖等构成，其结构中含有大量的羧基、羟基等官能团，溶于水后形成高粘度的悬浮液。植物树胶可以通过氢键和离子键等形式与污泥颗粒结合，从而提高污泥的力学强度、渗透性能和耐久性。与水泥、石灰等传统固化材料相比，植物树胶具有凝固速度更快、投加量更低等优点。然而，植物树胶作为固化材料时仍会存在抗拉强度低，干燥过程中易开裂等问题。增加植物纤维是减少这些缺点的解决方案。目前国内外植物树胶用于土壤固化的研究较少，将其用于污泥固化的相关报道就更为有限。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的第一方面提供一种污泥固化剂，其特征在于，按重量份计，包括以下组分，
植物树胶 35～55份；
植物纤维 10～30份。
优选地，按重量份计，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)所述污泥固化剂还包括5～10份微膨胀材料；
2)所述污泥固化剂还包括2～6份表面活性剂；
3)所述污泥固化剂还包括0.5～2份分散剂。
优选地，包括以下技术特征中的至少一项：
A1)所述植物树胶选自***胶、黄芪胶、波斯胶中的一种或几种；
A2)所述植物纤维选自秸秆、果壳、木屑中的一种或几种；
11)特征1)中，所述微膨胀材料选自二氧化钛、硫酸铝钙、氧化镁、氧化钙、石膏中的一种或多种；
12)特征2)中，所述表面活性剂选自脂肪酸甘油、椰油酰胺丙基氧化胺、油酸正丁酯硫酸酯钠、α-烯烃磺酸钠中的一种或几种；
13)特征3)中，所述分散剂选自木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛缩合物、脂肪族羟基磺酸盐聚合物、聚羧酸系聚合物中的一种或多种。
优选地，包括以下技术特征中的至少一项：所述植物纤维的长度为5～15mm。
本发明第二方面提供上述的污泥固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将植物纤维粉碎，然后加入植物树胶进行研磨，得到所述固化剂。
优选地，包括以下技术特征中的至少一项：
B1)所述研磨时，还包括加入所述微膨胀材料和所述分散剂中的至少一种；
B2)所述研磨后，还包括加入所述表面活性剂。
本发明第三方面提供上述的污泥固化剂在污泥固化中的应用。
本发明第四方面提供一种固化污泥，其特征在于，包括上所述的污泥固化剂和污泥。
优选地，采用所述污泥固化剂进行固化。
本发明第五方面提供了上述固化污泥的制备方法，其特征在于，将所述污泥固化剂与所述污泥混合后进行养护，得到固化污泥。
优选地，包括以下技术特征中的至少一项：
C1)所述污泥固化剂与污泥干基质量比为4～7:100；
C2)所述养护的时间为7～14d；
C3)所述污泥选自含水率为40～70％的河湖底泥或市政污泥中的一种或者多种。
本发明第六方面提供了上述固化污泥在公路路基、生态护坡构建、堤防及边坡固化和垃圾填埋场覆层中的应用。
本发明具有以下有益效果中的至少一种：
(1)与传统的水泥、石灰等固化剂相比，本发明选用生态环保的植物树胶和植物纤维素作为固化材料，避免了污泥固化过程中对环境造成的污染。植物树胶作为固化药剂，具有凝结时间快、投加量少等优点，同时不会对水体和土壤造成污染。植物树胶中含有大量的-CH3、-CH2、C-H、-COO-、C-O、C-C、C＝O、O-H和-COOH官能团，能够通过离子吸附、阳离子架桥及氢键等作用，粘附在污泥颗粒表面，具有较强的粘合作用，从而提高了固化底泥的力学强度。
(2)植物树胶固化污泥过程中存在抗拉强度低的缺点，在干燥过程中会收缩并发生断裂。本发明通过添加秸秆、果壳、木屑等天然纤维，为固化污泥提供加筋作用，不仅提高了固化污泥的抗剪强度，还实现了废弃植物的可循环利用。
(3)为了进一步防止固化污泥开裂，本发明中加入二氧化钛、硫酸铝钙、氧化镁、氧化钙、石膏等微膨胀材料，以补偿污泥固化收缩过程中产生的应力，并填充污泥颗粒之间的空隙，减小固化污泥的孔隙率，进一步强化固化污泥的力学强度。
(4)本发明通过投加具有亲水基团和疏水基团的表面活性剂，一方面能够显著降低污泥颗粒上吸附液体的表面张力，阻断表面水的吸附，另一方面还能够改变污泥颗粒的电势，使污泥颗粒之间更为密实，进一步提高了固化污泥的力学强度。
(5)本发明制备的污泥固化剂是无毒无腐蚀性的绿色环保污泥固化剂，得到的固化污泥更适宜植物的生长，能够直接用于公路路基、生态护坡构建、堤防及边坡固化以及垃圾填埋场覆层，更有利于循环经济的发展。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请发明的其他优点及功效。
实施例1
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：***胶45份、秸秆20份。
按照如下步骤制备：
(1)将秸秆粉碎至粒径为10微米；
(2)将粉碎的秸秆粉末与***胶混合并进行研磨，得到研磨后混合料。
实施例2
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：***胶45份、秸秆20份、硫酸铝钙5份。
按照如下步骤制备：
(1)将秸秆粉碎至粒径为10微米；
(2)将粉碎的秸秆粉末与***胶、硫酸铝钙混合并进行研磨，得到研磨后混合料。
实施例3
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：***胶45份、秸秆20份、表面活性剂2份。
所述的表面活性剂为油酸正丁酯硫酸酯钠；
按照如下步骤制备：
(1)将秸秆粉碎至粒径为10微米；
(2)将粉碎的秸秆粉末与***胶混合并进行研磨，得到研磨后混合料。
(3)将表面活性剂加入研磨后混合料中，并搅拌均匀。
实施例4
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：***胶35份、秸秆20份、表面活性剂2份、分散剂0.5份。
按照如下步骤制备：
(1)将秸秆粉碎至粒径为10微米；
(2)将粉碎的秸秆粉末与***胶、纳米二氧化钛混合并进行研磨，得到研磨后混合料。
实施例5
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：***胶35份、秸秆20份、表面活性剂2份、纳米二氧化钛5份、木质素磺酸钙1份。
所述的表面活性剂为质量比1:1的脂肪酸甘油和椰油酰胺丙基氧化胺混合物；
按照如下步骤制备：
(1)将秸秆粉碎至粒径为10微米；
(2)将粉碎的秸秆粉末与***胶、纳米二氧化钛和木质素磺酸钙混合并进行研磨，得到研磨后混合料；
(3)将表面活性剂加入研磨后混合料中，并搅拌均匀。
实施例6
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：植物树胶55份、椰子壳15份、表面活性剂6份、微膨胀材料8份、木质素磺酸钠0.5份。
所述的植物树胶为质量比1:1的***胶和黄芪胶混合物；表面活性剂为质量比1:1:1的椰油酰胺丙基氧化胺、油酸正丁酯硫酸酯钠、α-烯烃磺酸钠混合物；微膨胀材料为质量比1:1:1的硫酸铝钙、氧化镁、氧化钙混合物。
按照如下步骤制备：
(1)将椰子壳粉碎至粒径为15微米；
(2)将粉碎的椰子壳粉末与植物树胶、微膨胀材料和木质素磺酸钠混合并进行研磨，得到研磨后混合料；
(3)将表面活性剂加入研磨后混合料中，并搅拌均匀。
实施例7
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：植物树胶40份、木屑30份、表面活性剂4份、微膨胀材料10份、木质素磺酸钠2份。
所述的植物树胶为质量比1:1的***胶和波斯胶混合物；表面活性剂为质量比1:1:1的椰油酰胺丙基氧化胺、油酸正丁酯硫酸酯钠、α-烯烃磺酸钠混合物；微膨胀材料为质量比1:1:1的二氧化钛、氧化镁、石膏混合物。
按照如下步骤制备：
(1)将木屑粉碎至粒径为15微米；
(2)将粉碎的木屑粉末与植物树胶、微膨胀材料和木质素磺酸钠混合并进行研磨，得到研磨后混合料；
(3)将表面活性剂加入研磨后混合料中，并搅拌均匀。
实施例8
一种污泥固化剂，按重量份计，包括：植物树胶55份、木屑10份、表面活性剂2份、微膨胀材料10份、木质素磺酸钠1份。
所述的植物树胶为质量比1:1:1的***胶、黄芪胶、波斯胶混合物；表面活性剂为质量比1:1:1的椰油酰胺丙基氧化胺、油酸正丁酯硫酸酯钠、α-烯烃磺酸钠混合物；微膨胀材料为质量比1:1的二氧化钛、氧化镁混合物。
按照如下步骤制备：
(1)将木屑粉碎至粒径为5微米；
(2)将粉碎的木屑粉末与植物树胶、微膨胀材料和木质素磺酸钠混合并进行研磨，得到研磨后混合料；
(3)将表面活性剂加入研磨后混合料中，并搅拌均匀。
实施例9
以上海市郊区某河湖底泥为模拟样品，将上述实施例1～4制得的污泥固化剂加入底泥中，进行底泥固化实验(测试底泥样品养护7天后无侧限抗压强度)，污泥固化剂投加量及底泥含水率如表1所示。
表1污泥固化剂固化底泥的实验结果
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种污泥固化剂，其特征在于，按重量份计，包括以下组分，
植物树胶35～55份；
植物纤维10～30份。
2.如权利要求1所述的污泥固化剂，其特征在于，按重量份计，还包括如下技术特征中的至少一项：
1)所述污泥固化剂还包括5～10份微膨胀材料；
2)所述污泥固化剂还包括2～6份表面活性剂；
3)所述污泥固化剂还包括0.5～2份分散剂。
3.如权利要求1所述的污泥固化剂，其特征在于，包括以下技术特征中的至少一项：
A1)所述植物树胶选自***胶、黄芪胶、波斯胶中的一种或几种；
A2)所述植物纤维选自秸秆、果壳、木屑中的一种或几种。
4.如权利要求2所述的污泥固化剂，其特征在于，包括以下技术特征中的至少一项：
11)特征1)中，所述微膨胀材料选自二氧化钛、硫酸铝钙、氧化镁、氧化钙、石膏中的一种或多种；
12)特征2)中，所述表面活性剂选自脂肪酸甘油、椰油酰胺丙基氧化胺、油酸正丁酯硫酸酯钠、α-烯烃磺酸钠中的一种或几种；
13)特征3)中，所述分散剂选自木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛缩合物、脂肪族羟基磺酸盐聚合物、聚羧酸系聚合物中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的污泥固化剂，其特征在于，所述植物纤维的长度为5～15mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的污泥固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将植物纤维粉碎，然后加入植物树胶进行研磨，得到所述固化剂。
7.如权利要求6所述的污泥固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下技术特征中的至少一项：
B1)所述研磨时，还包括加入所述微膨胀材料和所述分散剂中的至少一种；
B2)所述研磨后，还包括加入所述表面活性剂搅拌。
8.如权利要求1-5任一项所述的污泥固化剂在污泥固化中的应用。
9.一种固化污泥，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的污泥固化剂和污泥。
10.如权利要求9所述的固化污泥，其特征在于，采用所述污泥固化剂进行固化。
11.如权利要求9或10所述的固化污泥的制备方法，其特征在于，将所述污泥固化剂与所述污泥混合后进行养护，得到固化污泥。
12.如权利要求11所述的固化污泥的制备方法，其特征在于，包括以下技术特征中的至少一项：
C1)所述污泥固化剂与污泥干基质量比为4～7:100；
C2)所述养护的时间为7～14d；
C3)所述污泥选自含水率为40～70％的河湖底泥或市政污泥中的一种或者多种。
13.如权利要9或10所述的固化污泥在公路路基、生态护坡构建、堤防及边坡固化和垃圾填埋场覆层中的应用。
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