一种污泥原位固化和稳定化的固化剂及其制备方法和应用

摘要

本发明公开一种污泥原位固化和稳定化的固化剂及其制备方法和应用，该固化剂包括如下重量百分比的成分：水泥40~60%，生石灰10~20%，粘土矿物10~25%，无机盐5~20%，工程外加剂3～8%；其中，所述粘土矿物为包含膨润土、高岭土和沸石的混合物，所述无机盐为铝盐、钠盐、钙盐、镁盐的其中一种或其两种以上任意组合，所述工程外加剂为一种无机高分子聚合物。本发明的固化剂适用于污泥原位固化和稳定化施工工艺，能够简化处理工艺程序和难度，将污泥中污染物无害化，提高污泥早期强度、提高施工效率，降低处理成本，且固化效果良好。

说明书

技术领域

本发明涉及污泥处理领域，具体涉及一种污泥原位固化和稳定化的固化剂及其制备方法和应用。

背景技术

污泥卫生填埋是目前国内许多大型污水处理厂中常采取的方式，经过消化后的污泥有机物含量减少，性能稳定，总体积减少，脱水后作填埋处置是一种比较经济的处理方式。我国目前市政污泥产生量即将突破3500万吨/年，而其中60~65%污泥均采用卫生填埋方式进行处理。

目前我国污泥处置主要方法为污泥填埋处置，其中大多数污泥填埋场采用简易填埋方式，并未进行有效的防渗措施，污泥本身并未经过无害化处理，填坑污泥中含有各种有毒有害物，经雨水的侵蚀和渗漏作用污染周边土壤及地下水环境，这对于周边环境构成较大的安全隐患。另外填埋场填坑中污泥填埋量大、深度较深，污泥呈流塑体、稳定性较差，若发生人机陷入或溃坝事故，将对周边生产活动居民的生命财产安全构成威胁。因此当某个市政污泥填埋场污泥填埋量达到饱和时，亟需采取有效措施对填埋场进行处置封场，降低其对周边生态环境及居民的安全风险及威胁。

污泥原位固化稳定化处置方法作为一种新型的污泥处置方法，具有对污泥坑的扰动少、二次污染小，设备较少、施工场地小、处理工艺简单、工程便于实施，固化污泥过程中不产生渗沥液，施工效率较高等优点，选取有效使用的污泥原位固化和稳定化的固化剂是污泥原位固化/稳定化处置工艺的关键环节，对于保证施工安全和施工质量至关重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，对污泥填埋场的市政污泥进行原位固化和稳定化处理，须考虑到污泥原位固化施工工艺特殊性，降低污泥含水率的同时，保持污泥固化体pH平衡，有效降低污泥浸出毒性，防止固化后污泥中有害成分对周边土壤及地下水体造成污染，同时还须提高固化污泥早期强度，以便固化后污泥能作为施工平台承重大型机械设备上去作业，保证施工进度及安全，本发明提提供一种污泥原位固化和稳定化的固化剂及其制备方法和应用。

本发明提供一种污泥原位固化和稳定化的固化剂，包含如下重量百分比的成分：

水泥40~60%，

生石灰10~20%，

粘土矿物10~30%，

无机盐5~20%，

工程外加剂3～5%。

所述的固化剂为固体干粉状，且以上各组成成分均为固体干粉末状，颗粒大小无具体特定颗粒尺寸要求，各组成成分的比例是以纯度百分比形式所计算的，各组分在固化剂中所占的比例均是以选择100%的纯度的物料所计算。

其中所述粘土矿物包括膨润土、高岭土和沸石，混合均匀，其中膨润土、高岭土和沸石的重量百分比为：膨润土40~70%，高岭土20~40%，沸石10~20%。优选地，所述粘土矿物中膨润土、高岭土和沸石的质量比为50.8:33.7:15.5。所述的工程外加剂为无机高分子聚合物。

进一步优选的，其中所述无机盐为铝盐、钙盐、钠盐、镁盐的其中一种或其两种任意组合。当所述无机盐选择铝盐、钙盐、钠盐、镁盐中两组进行组合时，具体两种组分的比例关系如下：当选择铝盐和钙盐时，铝盐和钙盐的质量比为2:1~1:3，当选择铝盐和钠盐时，铝盐和钠盐的质量比为1:1~1:4，当选择铝盐和镁盐时，铝盐和镁盐的质量比为1:3~1:4当选择钙盐和钠盐时，钙盐和钠盐的质量比为1:1~1:3，当选择钙盐和镁盐时，钙盐和镁盐的质量比为1:2~1:4，当选择钠盐和镁盐时，钠盐和镁盐的质量比为2:1~1:3。

优选地，所述无机盐为铝盐和钠盐的混合物。

优选地，所述铝盐为氯化铝或硫酸铝的其中之一或其组合，所述钠盐为硅酸钠或硫酸钠的其中之一或其组合。

优选地，所述铝盐和钠盐的质量比为1:2~1:5。

进一步优选地，上述的污泥固化和稳定化的固化剂，包含如下重量百分比的成分：

硅酸盐水泥51.6%，

生石灰13.3%，

膨润土9.2%，

高岭土6.1%，

沸石2.8%，

铝盐3.2%，

钠盐9.6%，

工程外加剂4.2%。

其中，上述铝盐优选为氯化铝，钠盐优选为硅酸钠。

本发明提供上述的污泥固化和稳定化的固化剂的制备方法：所述固化剂各成分须均为固体干粉状，满足原位固化工艺药剂压力输送罐体及管道对于药剂性状要求，所述无机盐若为含水率过高的晶体块状，须脱水研磨至粉末状方能适用于本发明，使用前依所述量取各成分，无成分添加先后顺序特殊要求，混合均匀，然后将制成固化剂于密封干燥条件下保存。

本发明还提供上述的污泥固化和稳定化的固化剂的应用：将所述固化剂通过专业原位污泥固化设备（如ALLU固化板块地基稳定系统）添加到污泥中，采用原位固化搅拌工艺，先后经过2次加药搅拌，1次不加药自检搅拌，将污泥和药剂搅拌均匀，固化后1~2d内在固化后污泥区域表面铺上防雨膜，然后待固化污泥静置养护7d。所述固化剂的添加质量与污泥的质量比为0.15~0.30:1。

优选地，所述固化剂的添加质量与污泥的质量比为0.15~0.30:1。

本发明具有的优点在于：

（1）本发明提供的固化剂的原材料均是工业原料，能够实现固化/稳定化材料的批量生产及大规模应用。

（2）本发明提供的固化剂的原材料均为粉剂性状，能够适用于原位固化搅拌设备药剂泵送系统。

（3）本发明的固化剂材料能够迅速提污泥早期强度，能够缩短固化/稳定化污泥的养护龄期，在较短的时间内污泥便能够作为施工平台承重大型机械设备，对未固化的污泥区域进行原位固化作业。

（4）本发明的固化剂能够降有效抑制污泥中有害成分活性，将污泥中重金属等有害成分钝化及无害化，减少污泥中有害成分浸出，降低污泥对于周边土壤及地下水体污染。

（5）本发明的固化剂在污泥原位固化搅拌过程中能够抑制污泥中氨气等有害气体释放，降低其对作业人员身体危害，固化药剂本身不含有有害成分，不会造成二次污染。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的污泥固化和稳定化的固化剂，包括如下重量百分比的成分：

水泥40~60%，

生石灰10~20%，

粘土矿物10~30%，

无机盐5~20%，

工程外加剂3～5%。

其中所述粘土矿物为包括膨润土、高岭土和沸石的混合物，无机盐为铝盐、钙盐、钠盐、镁盐的其中一种或其两种以上任意组合。

本发明固化剂作用原理如下：本固化剂以水泥基材料为结构剂，作为构建污泥固化剂结构的骨架；加入生石灰和粘土矿物，能够迅速和污泥中水分发生反应，降低污泥中含水率，同时其反应生成的水化产物能够增加污泥固化体强度，同时能够作为填充剂增加污泥固化体饱和度；本发明所筛选的几种无机盐本身具有促凝早强作用，同时各无机盐成分之间能产生协同作用，相互加速促进反应，共同提高固化污泥早期强度，无机盐水化后形成的晶体持水性能佳，能够快速降低污泥含水率；所述工程外加剂为一种优化的无机高分子聚合物，其优势作用在于能在短时间内快速将污泥中水分子锁定，降低污泥含水率，同时能够促进水泥、粘土矿物和无机盐等其他成分水化反应，提高水化体等硬化强度，具有明显的早强作用。

根据不同的应用工程设计和实际工程的承载力要求，确定具体使用比例，一般来说对于含水率高达85.1~95.3%之间的原始污泥的固化剂使用量为15～30%，每吨污泥掺量为150～300kg。含水量高则掺量越高，承载力要求高则掺加量越高，淤泥里有机物含量高则掺加量越高，固化时间要求短掺量越高。使用本发明的固化剂在实际工程应用中，对于平均含水率为89%、平均有机质含量为41%的填埋场污泥添加本药剂进行原位固化和稳定化，3d后抗压强度可达到40~80kPa，含水量可迅速降至60%以下，7d后的无侧限抗压强度可以达到60~140kPa，并且具有优越的防水性、水稳定性和水硬性的特点。固化后污泥pH能保持在7~10之间，同时污泥中所含的重金属、病原体等污染物被固结，固化后大大减少了有害物其渗出率，经检测，有良好的环保性能。经测试可耐长期的雨水的浸泡而不会出现浸出污染物，并能承重30吨级大型机械设备上去作业。

实施例1

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥51.6%，

生石灰13.3%，

粘土矿物18.1%，

无机盐12.9%，

工程外加剂4.1%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硅酸钠，氯化铝与硅酸钠的质量比例为1:3。

上述固化剂应用：在每吨含水率为85.1%、有机质含量为38.9%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂150kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到47.1kPa，7d后无侧限抗压强度达到84.1kPa、含水率为49.8%，满足污泥填埋处置技术指标要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例2

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥51.6%，

生石灰13.3%，

粘土矿物18.1%，

无机盐12.9%，

工程外加剂4.1%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硅酸钠，氯化铝与硅酸钠的质量比例为1:3。

上述固化剂应用：在每吨含水率为95.3%、有机质含量为41.6%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂300kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到41.1kPa，7d后无侧限抗压强度达到65.1kPa、含水率为53.8%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

（2）实施例3

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥40.0%，

生石灰10.0%，

粘土矿物30.0%，

无机盐15.0%，

工程外加剂5.0%；

其中，铝盐为硫酸铝，钠盐为硅酸钠，硫酸铝与硅酸钠的质量比例为1:5。

上述固化剂应用：在每吨平均含水率为89.3%、平均有机质含量为41.3%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂280kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到78.6kPa，7d后无侧限抗压强度达到137.9kPa、含水率为42.1%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例4

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥40.0%，

生石灰20.0%，

粘土矿物20.0%，

无机盐17.0%，

工程外加剂3.0%；

其中，铝盐为硫酸铝，钠盐为硫酸钠，硫酸铝与硫酸钠的质量比例为1:2。

上述固化剂应用：在每吨含水率为87.1%、有机质含量为38.5%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂240kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到42.9kPa，7d后无侧限抗压强度达到64.7kPa、含水率为55.2%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例5

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥60.0%，

生石灰20.0%，

粘土矿物10.0%，

无机盐5.0%，

工程外加剂5.0%；

其中，铝盐为硫酸铝，钠盐为硅酸钠，硫酸铝与硅酸钠的质量比例为1:2。

上述固化剂应用：在每吨含水率为86.5%、有机质含量为40.6%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂190kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到52.5kPa，14d后无侧限抗压强度达到82.7kPa、含水率为46.5%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例6

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥50%，

生石灰16.0%，

粘土矿物10.0%，

无机盐20.0%，

工程外加剂4.0%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硫酸钠，硫酸铝与硫酸钠的质量比例为1:2。

上述固化剂应用：在每吨含水率为92.3%、有机质含量为42.5%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂260kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到46.3kPa，14d后无侧限抗压强度达到72.4kPa、含水率为52.1%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例7

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥55.0%，

生石灰15.0%，

粘土矿物22.0%，

无机盐5.0%，

工程外加剂3%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硫酸钠，硫酸铝与硫酸钠的质量比例为1:5。

上述固化剂应用：在每吨含水率为88.5%、有机质含量为38.3%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂220kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到58.7kPa，14d后无侧限抗压强度达到79.9kPa、含水率为47.5%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例8

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥55.0%，

生石灰15.0%，

粘土矿物20.0%，

无机盐5.0%，

工程外加剂5.0%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硅酸钠，硫酸铝与硅酸钠的质量比例为1:5。

上述固化剂应用：在每吨含水率为90.8%、有机质含量为43.3%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂240kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到46.8kPa，14d后无侧限抗压强度达到75.1kPa、含水率为51.6%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例9

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥50.0%，

生石灰15.0%，

粘土矿物19.0%，

无机盐12.0%，

工程外加剂4.0%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硅酸钠，硫酸铝与硅酸钠的质量比例为1:2。

上述固化剂应用：在每吨含水率为93.5%、有机质含量为42.7%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂260kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到42.6kPa，7d后无侧限抗压强度达到61.8kPa、含水率为56.3%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

实施例10

本实施例对珠海某污泥填埋场污泥坑原位固化所用的污泥固化和稳定化的固化剂根据下述配方混合而成（重量百分比）：

水泥50.0%，

生石灰15.0%，

粘土矿物19.0%，

无机盐12.0%，

工程外加剂4.0%；

其中，铝盐为氯化铝，钠盐为硫酸钠，硫酸铝与硫酸钠的质量比例为1:5。

上述固化剂应用：在每吨含水率为91.5%、有机质含量为42.1%的填埋场污泥中加入上述配比的固化剂260kg，然后采用原位固化搅拌工艺，3d后无侧限抗压强度可以达到46.3kPa，7d后无侧限抗压强度达到71.8kPa、含水率为53.4%，满足污泥填埋处置技术指标要求，也满足建筑填土强度要求。经取样检测，重金属的浸出液浓度检测符合浸出毒性鉴别标准。

从以上实施例可看出，本发明的固化剂对污泥原位固化及稳定化具有良好的处理效果，综合处理后的固化效果和药剂成本来看，实施例1及实施例2所选用固化剂及其配比是实际生产中的最佳选择。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。