一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑及其應用的製作方法
2023-09-20 11:21:40 2
專利名稱：一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑，進一步涉及利用該鋁基膠凝固化劑對城市汙水廠脫水汙泥進行固化穩定化處理的方法，所得的固化汙泥可進行衛生填埋或作為填埋場覆蓋土等，便於汙泥的高效處理和資源化利用，屬於環境工程技術領域。
背景技術：
目前，絕大多數城市汙水處理廠採用生化工藝處理汙水，在此過程中常會產生大量的生化汙泥，汙泥通常體積龐大、有機組分複雜、變異性大、含水率高。各種常規方法如填埋、堆肥、焚燒和土地利用等均無法實現汙泥的高效、安全處理處置。儘管汙泥固化穩定化作為填埋預處理技術在我國得到了一定程度的認可，但汙泥高有機質特性嚴重影響了固化劑的正常水化，導致其投量大、增容明顯、費用高，因此缺乏較高的經濟和環境效益。中國專利文獻《一種城市汙泥的固化穩定化方法》(公開號CN 101891367A，
公開日2010年6月30日)所涉及的固化劑包括40% 115% (以汙泥質量為基準)的石材廢棄物、5% 15%的矽酸鹽水泥。固化劑與汙泥均勻混合後可直接衛生填埋，但固化劑用量較大，後續資源化利用程度不大，不符合經濟高效、環境友好的環保理念。中國專利文獻《淤泥、汙泥固化劑》(公開號CN 101638311A，
公開日2009年7月 10日)開發以煤矸石、膨潤土、矽灰石、火山灰、粉煤灰等為主料，聚丙烯醯胺、三乙醇胺、石英粉、氣相二氧化矽、氧化鐵、水玻璃等為輔料的淤泥/汙泥固化劑，固化劑由95%的主料和5%的輔料組成，固化劑投加量為泥重的5% 10%，但固化塊完全凝固需要一個月左右，且該固化劑組分過於複雜，工程應用難度大。中國專利文獻《一種汙泥固化劑以及應用》(公開號CN 10U65070A，
公開日2008 年4月17日)公開一種汙水廠汙泥和河道汙泥的固化劑，其主要由30% 60%的硫鋁酸鹽水泥、20 % 40 %的石膏、8 % 20 %的石灰以及1 % 5 %的促凝劑組成。中國專利文獻《汙水廠產生的脫水汙泥進行固化/穩定化處理用》(公開號CN 101172749A，
公開日2007年10月12日)涉及一種汙水廠汙泥固化/穩定化處理用固化劑，該固化劑以水泥、石灰和粉煤灰作為主要固化材料，以膨潤土為輔助材料對汙泥進行固化/穩定化處理。但固化塊中汙泥組分在30% -80%，而固化材料和膨潤土添加量幾乎高達15% 30%和5% 40%，固化劑投加量較大，處理成本較高。中國專利文獻《一種汙泥固化填埋處置方法》(公開號CN 101007696A，
公開日
2007年1月22日)公開了一種以水泥、粘土或亞粘土為固化材料的汙泥固化填埋處置方法，汙泥、水泥和粘土或亞粘土的質量配比為100 15 80 20 160，其固化汙泥主要用於衛生填埋，且處理成本較高，增容比大，不符合可持續發展的要求。中國專利文獻《汙泥脫水和穩定化處理方法》(公開號CN 1693242A，
公開日2005 年11月9日)通過對汙泥加熱乾燥和添加鹼性粉狀物料兩步工藝，對汙泥進行脫水和穩定化處理，經處理的汙泥其硬度、粘度及粘結特性等方面都有明顯改善，汙泥脫水性能得到明顯改善。但其不足之處在於，穩定化劑加入量較大，處理成本較高。
以上發明儘管各具特色，但應用於汙泥固化/穩定化處理時仍存在下面的三大不足與缺點一.固化劑加入量較大，汙泥的增容量較大，嚴重影響汙泥的衛生填埋和後續資源化利用；二 .固化劑水化速率較慢，凝結時間過長，不利於汙泥的規模化處理。三.固化汙泥嚴重偏鹼，惡臭釋放嚴重，容易產生二次汙染。
發明內容
本發明目的在於提供一種汙泥鋁基膠凝固化劑，本發明的另外一個目的是公開將該固化劑用於對城市汙水廠脫水汙泥進行固化穩定化處理的方法，特別是該固化劑應用於含水率在80%左右的城市汙水廠汙泥的固化/穩定化，具有凝結速度快、早期強度高等優點，固化汙泥可在短時間內達到衛生填埋的土力學指標要求，重金屬、有機汙染物亦可實現高效固定。為了達到上述目的，本發明研發了以普通矽酸鹽水泥和合成鋁酸鈣為主料、早強劑配料的高效快凝膠凝固化劑。鋁酸鈣和早強劑具有屏蔽有機質幹擾、加速矽酸鹽水泥水化的作用，誘導針狀鈣礬石、碳酸鈣等水化產物的快速形成，從而使固化汙泥具有較高的機械強度，為汙泥的衛生填埋和資源化利用提供條件。本發明的鋁基凝膠固化劑，由如下組分組成
普通矽酸鹽水泥50%~85%
合成鋁酸鈣 12Ca07Al203 10%~40% 無水 CaSO42.5%~5%
三乙醇胺0.5% 1%
NaAlO22% 4% ο本發明主要組分中的合成鋁酸鈣12Ca0 ·7Α1203為自行生產製備，首先分別將工業級原料Al (OH) 3和CaCO3在SX2-10-12型馬弗爐中於900 1000°C煅燒2 3小時，煅燒結束後於室溫冷卻，磨細過0. 08mm篩，篩下物分別為高活性Al2O3和CaO ；然後以Al2O3 CaO =7 12的摩爾比將兩者混合均勻，接著量取自來水Al2O3和CaO = 1 3 1質量比， 將它們混合均勻後置於水熱反應釜中，在常壓、100 士 5°C的反應條件下水熱合成1 2小時；最後將水熱合成產物烘乾後，在SX2-10-12型馬弗爐中於1000 1200°C繼續煅燒2 4小時，待加熱結束後自然降至室溫，形成的熟料即為合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203。其餘原料均為市售產品或工業級藥劑，先將普通矽酸鹽水泥、合成鋁酸鈣 12Ca0 · 7A1203、以及早強-助凝劑無水CaS04、NaAlO2和三乙醇胺按配比混合均勻，即形成一種早強、快凝穩定化的鋁基膠凝固化劑。本發明的使用方法為，將所得膠凝固化劑添加到含水率為80%左右的城市汙水廠脫水汙泥後，於混合攪拌器中攪拌至均勻後，並於室溫下靜止養護。本發明的優點和效果1.由於本發明研發的合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203具有速凝、早強、屏蔽有機質的特性，因此對含有機質較高的城市汙水廠生物汙泥具有較理想的固化/穩定化效果，固化汙泥可在短時間內達到安全衛生填埋要求，實現固化汙泥養護時間的大幅削減。
2.由於本發明的固化劑主要由普通矽酸鹽水泥、鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203等無機原料復配而成，且固化劑投加量少，僅為汙泥重量的5 30%，固化汙泥增容比小、操作工藝簡單、處理費用低廉，因此具有較高的環境和經濟效益。3.由於本發明的固化劑是以低鹼鋁、鈣、矽原料為主，因此固化汙泥具有低鹼高強特性，可實現NH3等惡臭氣體釋放量的大幅削減，環境效益顯著。4.本發明的固化劑主要原料廉價易得，能夠實現城市汙水廠汙泥的大規模固化/ 穩定化處理，為汙泥衛生填埋提供條件。5.該鋁基凝膠固化劑製備工藝簡單、城市汙水廠汙泥固化/穩定化處理添加量少，不易產生二次汙染，因此具有較高的環境和經濟效益。
具體實施例方式實施例1首先採用水熱合成的方法製備合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203，具體合成工藝如下先分別將工業級原料Al (OH)3和CaCO3在SX2-10-12型馬弗爐中於900 1000°C煅燒2 3 小時，煅燒結束後於室溫下冷卻到室溫、磨細，過0. 08mm篩，篩下物為高活性的Al2O3和CaO ； 再以Al2O3 CaO = 7 12的摩爾比將兩者混均勻，並同自來水以水固比=1 3 1的質量比均勻混合，液固混合物於水熱反應釜中在100士5°C、常壓條件下水熱合成1 2小時；最後將水熱合成產物烘乾後，在SX2-10-12型馬弗爐中於1000 1200°C繼續煅燒2 4小時，待加熱結束後自然降至室溫，形成的熟料即為合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203。其次將鋁基凝膠固化劑各組分按以下質量比例量取，普通矽酸鹽水泥75%，合成鋁酸鈣12Ca0 ·7Α1203 20%，無水CaSO4 2. 5%, NaAlO2 2. 0%，再添加0. 5%的三乙醇胺，充分均勻混合後獲得鋁基膠凝固化劑。然後按鋁基膠凝固化劑脫水汙泥=10 100的質量比混合後，並於攪拌器中繼續攪拌至均勻為止。將所得固化汙泥於室溫下靜止養護，3 4天後，固化汙泥抗壓強度超過50kPa，達到汙泥衛生填埋入場要求。如進行翻拋養護，固化汙泥可在2天內滿足衛生填埋的入場要求，實現汙泥安全填埋。實施例2本發明的鋁基膠凝固化劑的合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203的製備與實例1相同。本發明的鋁基膠凝固化劑的組分按普通矽酸鹽水泥65%，鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203 30%，無水CaSO4 3%,NaAlO2 1. 5%，三乙醇胺為0. 5%的質量比量取外，其餘的與實例1相同。將所得固化汙泥於室溫下靜止養護4天後，固化汙泥抗壓強度可達到60kPa，滿足汙泥衛生填埋入場要求，養護8 10天後，其抗壓強度可高達到0. IOMPa0實施例3本發明的鋁基膠凝固化劑的主要組分合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203的製備與實例1 相同。本發明的鋁基膠凝固化劑的各組分按普通矽酸鹽水泥60%，鋁酸鈣12Ca0 ·7Α1203 33%，無水CaSO4 3. 5%,NaAlO2 2. 5%，三乙醇胺為1 %的質量比量取外，其餘的與實例1相同。將所得固化汙泥於室溫下靜止養護4 5天後，固化汙泥抗壓強度超過50kPa，達到汙泥衛生填埋入場要求，養護7 10天後，其抗壓強度可達到0. 13MPa，養護時間為28天時，其抗壓強度可達0. 18MPa。實施例4本發明的鋁基膠凝固化劑的主要組分合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203的製備與實例1 相同。本發明的鋁基膠凝固化劑的組分按普通矽酸鹽水泥45%，鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203 45%，無水CaSO4 5%, NaAlO2 4%，三乙醇胺1 %的質量比量取，然後按鋁基膠凝混合材料脫水汙泥=30 100的質量比混合後外，其餘的與實例1相同。將所得固化汙泥施壓成型後，於室溫下靜止養護3 4天後，固化汙泥抗壓強度超過3. OMPa，養護28天後，其強度可達8. 9MPa，達到低強度材料(controledlow strength materials, CLSM)的強度要求，可作為低強度材料應用。
權利要求
1.一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑，其特徵在於由以下組分的質量百分比組成，普通矽酸鹽水泥50%~85%合成鋁酸鈣 12Ca07Al203 10%~40% 無水 CaSO42.5%~5%三乙醇胺0.5% 1%NaAlO22% 4% ο
2.根據權利要求1所述的一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑，其特徵在於合成鋁酸鈣12CaO ·7Α1203的合成工藝是首先分別將工業級原料Al (0!1)3和CaCO3在SX2-10-12 型馬弗爐中於900 1000°C煅燒2 3小時，煅燒結束後於室溫冷卻，磨細後過0. 08mm篩， 篩下物為高活性Al2O3和CaO ；然後以Al2O3 CaO = 7 12的摩爾比將兩者混均勻，接著量取自來水Al2O3和CaO = 1 3 1質量比，將它們混合均勻後置於水熱反應釜中，在常壓和100°C 士5°C的反應條件下水熱合成1 2小時；最後將水熱合成產物烘乾後，在 SX2-10-12型馬弗爐中於1000 1200°C繼續煅燒2 4小時，待加熱結束後自然降至室溫， 形成的熟料即為合成鋁酸鈣12Ca0 · 7A1203。
3.權利要求1的脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑的應用方法，其特徵在於鋁基膠凝固化劑脫水汙泥=5 30 100的質量比混合，於攪拌器中攪拌至均勻後，在室溫下靜止固化，所得固化產物可直接填埋、作填埋場覆蓋土或施壓成型製作低強度建築材料等。
全文摘要
本發明涉及一種脫水汙泥固化用的鋁基膠凝固化劑及其應用。其特徵在於鋁基膠凝固化劑由普通矽酸鹽水泥∶合成鋁酸鈣12CaO·7Al2O3∶促凝-早強劑無水CaSO4∶三乙醇胺∶NaAlO2＝50％～85％∶10％～40％∶2.5％～5％∶0.5％～1％∶2％～4％組成。按鋁基膠凝固化劑∶脫水汙泥＝5～30∶100的質量比混合，放在攪拌器中攪拌均勻後，在室溫下靜止固化，所得固化產物可直接填埋，或作填埋場覆蓋土，或施壓成型製作低強度建築材料等。本發明製備鋁基膠凝固化劑的材料來源廣泛、價格低廉；使用鋁基膠凝固化劑將脫水汙泥固化處理時不會產生二次汙染，並能高效抑制惡臭氣體的產生，具有較高的環境和經濟效益。
文檔編號C02F11/14GK102225858SQ20111007982
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者周海燕, 甄廣印, 程曉波, 趙由才, 陳華, 黃仁華 申請人:同濟大學