本发明属于环境工程中固体危险废弃物回收利用和建筑材料领域，尤其是涉及一种利用重金属污泥制备的透水砖及其制备方法。
背景技术：
重金属污泥主要来源于电镀行业、金属表面处理行业、印刷电路板行业等废水处理后产生的含有重金属的污泥废弃物，被列入国家危险废物名单中的第十七类危险废物(HW17)。由于上述行业废水中的Cu、Ni、Cr、Zn、Fe等重金属都转移到污泥中，因此，重金属污泥是电镀废水的“终态物”，具有易积累、不稳定、易流失等特点，如不加以妥善处理，任意堆放，其污泥中的Cu、Ni、Zn、Cr、Fe等重金属在雨水淋溶或者其他作用下，将会沿着污泥一土壤一农作物一人体的路径迁移，并可能引起地表水、土壤、地下水的次生污染，甚至危及生物链，造成严重的环境破坏。
针对重金属污泥的特点及其危害性，从环境污染防治和资源循环利用的角度考虑，主要采用以下两种处理方式，一是经过处理后，使污泥不会引起二次污染进而填埋或者贮存，即无害化处置；二是使对污泥中的重金属资源进行综合回收，即资源化利用。目前无害化处置的方法有固化剂固化、填埋、焚烧和填海；其中固化技术是危险废物处理中的一项重要技术，具有固化材料易得、处理效果好、成本低的优势，即用固化剂固定污泥中的重金属，然后再做处理，但仍存在一定的浸出隐患；填埋技术是比较适合中国国情的一项危险废物无害化处置途径，但国内针对重金属污泥的填埋技术仍处于较低的水平；投海实际上属于污染物的转移，重金属污泥即使经过固化，其对海洋生态系统和人类健康造成的威胁是难以避免的，国际早已禁止；焚烧热处理是实现重金属污泥减量化、无害化的一种快捷、有效的技术，但是，由于这种方法能耗较高，对焚烧设备和条件有一定要求，一般小电镀厂难以承受巨额的处理费用，故很难得到大面积的推广。
由于资源贫化和环境污染的加剧，重金属污泥作为一种重要的重金属资源加以回收利用，一直是国内外研究的重点。其中，主要方法有回收重金属、铁氧体综合利用技术、
堆肥化制作肥料以及生产改性塑料制品。中国专利“一种重金属污泥资源化及无害化的处理方法”(CN102433437B)公布了一种将重金属污泥脱水、干燥后与熔剂、粘结剂进行配料、制块或制球，再将焦炭、块料或球状料放入熔炼炉中进行熔炼；该工艺未对污泥中的重金属进行回收利用。中国专利“重金属污泥全资源化处理系统”(CN203833780U)开发了一种重金属污泥全资源化处理系统，可将重金属污泥等内所含诸多有用成分有效取出再利用，但未考虑提取之后的剩余物如何利用；中国专利“含重金属碱性污泥资源化处理方法”(CN201245054)提出了一种从重金属碱性污泥中提取出铁氧晶体及硫酸钙等资源，但该重金属碱性污泥中除了可生成铁氧晶体、硫酸钠、硫酸钙外，尚有酸不溶物等产生，水洗后的酸不溶物等已无害化，一般掩埋，但这尚未达到全资源化利用。中国公开专利“一种协同处置重金属污泥的方法”(公开号为105271624A)中利用协同作用将含水率为20～50％的重金属污泥与钙基固氟剂混匀、干燥、粉碎，得到钙基污泥，再与基础烧结原料和除尘灰混匀，造粒、布料，最后进行烧结，得到烧结矿；该专利的申请人为宝钢不锈钢有限公司，该法因地制宜，充分利用了其产业链，但不适合推广使用。
“海绵城市”是城市建设的理念和方向，即指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。现有的城镇道路路面大都采用水泥混凝土、柏油等不透水材料铺设而成，下雨时会形成大面积的积水，已不适应海绵城市发展的理念。而透水砖在满足基本的道路硬化、平整的同时，还具有良好的透水和保湿性能，可将自然降水吸收，并进入地下水系统，形成良好的循环。因此，将重金属污泥提取铁氧体后的无害化污泥作为海绵城市建设用透水砖的一种主要原材料，具有良好的环境效益和经济效益。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用重金属污泥制备抗压强度高、透水性能好、节能环保且抗菌防腐的透水砖及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用无害化污泥制备的透水砖，包括以下组分及重量份含量：
无害化污泥40-45、普通石子20-23、钢渣15-18、粉煤灰8-10、水玻璃12-15、石英砂10-12、高岭土5-8、竹粉3-4和造孔剂1-3。
所述的钢渣和石英砂过10目筛，所述的粉煤灰的粒径≤0.15mm。
所述的造孔剂为珍珠岩、硅藻土、稻壳或烧沸石。
所述的利用无害化污泥制备透水砖的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)在重金属污泥中加入酸解液搅拌，使重金属离子与酸反应而被浸出，系统中pH调至2.2-3.2时，酸解反应结束；
(2)将步骤(1)的混合液进行超声波处理，使污泥和酸解液充分接触和反应；
(3)将步骤(2)中超声后的混合液进行固液分离，得到酸解液和残留酸解液的污泥；
(4)将步骤(3)中残留酸解液的污泥用清水冲洗，脱去残余的酸解液以及重金属，得到无害化污泥；
(5)将步骤(3)中的酸解液和步骤(4)中冲洗残留酸解液的污泥后产生的液体进行混合，加入硫酸亚铁，混合均匀并加热，再加入碱液，并通入氧气，充分反应后生成含有铁元素和重金属离子的铁氧体晶体，铁氧体晶体与碱性废液分离、干燥，得到铁氧体，碱性废液处理达标排放；
(6)将步骤(4)得到的无害化污泥与普通石子、钢渣、粉煤灰、水玻璃、石英砂、高岭土、竹粉和造孔剂按配料比混合后搅拌成泥料，并控制含水率；
(7)将步骤(6)的泥料放入干压成型机干压成型，制得不同形状和尺寸的透水砖砖坯；
(8)将步骤(7)中制得的透水砖砖坯通过自然干燥或放入干燥箱干燥；
(9)将步骤(8)干燥后的透水砖砖坯烧结，即得到透水砖。
步骤(1)所述的酸解液为硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水的混合物，硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水按体积比8-10：2-4：2-4：1配制，加入酸解液的体积为重金属污泥体积的30-50％。
步骤(2)所述的超声波的振荡频率为15-30KHz，振荡时间为1-2h，步骤(4)所述清水冲洗的次数为3-5次。
步骤(5)所述的硫酸亚铁的添加量为液体中重金属总质量的8-12倍，加热液 体温度至55-65℃，所述的碱液为NaOH或KOH，碱液量添加至液体的pH值为8.5-9。
步骤(6)所述泥料的含水率控制在14-18wt％，步骤(7)所述的干压成型机的压力为25-35Mpa。
步骤(8)所述的干燥箱为恒温干燥箱，温度为103-108℃，干燥后砖坯的含水率不大于6wt％。
步骤(9)烧结时以3.5-4.0℃/min的速度升温至1020-1150℃，持续烧结2.5-3.5h后降至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、重金属污泥通过酸解、超声波分离、硫酸亚铁和废碱固化重金属后，首先可提取铁氧体，作为防辐射涂料添加剂或炼钢铁前的铁矿粉，还可将剩余的无害化污泥作为制备海绵城市建设用透水砖的原材料，最大化实现了资源的回收利用；
2、本方法制备的透水砖，由于加入了钢渣、普通石子作为粗骨料，无害化污泥、粉煤灰作为细骨料，水玻璃作为粘结剂，石英砂具有高强度、耐高温、耐腐蚀的特性，高岭土有粘性且耐高温，竹粉可抗菌防腐，还加入了造孔剂，因此最后制得的透水砖抗压强度高，透水性好，有吸音降噪且抗菌防腐的优良性能，均符合《透水砖》(CJ/T945～2005)行业标准，同时成本低廉，可工业化生产，响应了海绵城市理念，可作为海绵城市建设中重要的建筑材料；
3、本方法使用一定比例硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水配制而成的酸解液对重金属污泥进行彻底酸解，其中硫酸起主要消解作用，双氧水氧化可去除污泥中少量的有机物，加入的硝酸和氢氟酸可提高消解温度、加快氧化速度和改善消解效果，这保证了后续透水砖原料中污泥的无害化，进而保证了制备的透水砖无害、环保；
4、发明适合处理各种含重金属离子的污泥，本方法不仅通用性好，工艺条件简单，可操作性强，更可实现规模化生产，是一种以废治废，节能减排、无害化和资源再生利用含重金属污泥的处理技术。
本发明在重金属污泥无害化处理的同时，提取铁氧体产品和无害化污泥，前者可作为防辐射涂料添加剂或炼钢铁前的铁矿粉，后者可用于海绵城市建设用透水砖的制备，可制得抗压强度高、透水性能良好且结实耐用的透水砖，适合用于海绵城市建设中的路面铺设。本发明可大量消纳重金属污泥，在提取铁氧体后，无害化污泥还可作为透水砖制备的主要原材料，利废率高，实现了重金属污泥的最大资源化 利用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
以处理华东某汽车电镀车间重金属污泥为例，对实施步骤作进一步的说明，工艺流程图如图1所示。
第一步：称取100Kg含水率不低于60％的重金属污泥于酸解槽中，按照重金属污泥体积的30％加入酸解液，酸解液以硫酸：硝酸：氢氟酸：双氧水＝9：3：3：1的体积比配制而成，添加过程中充分搅拌，使重金属离子被酸浸出。
第二步：将步骤一酸解槽中的混合液放入超声槽，以15KHz的频率进行超声波分解，以使污泥和酸解液充分接触和反应。
第三步：将步骤二中超声后的混合液进行固液分离，得到酸浸液和有酸解液残留的污泥。
第四步：将步骤三中有酸解液残留的污泥用清水冲洗三次，以脱去残余的重金属，得到无害化污泥。
第五步：将步骤三中的酸浸液和步骤四中冲洗有酸解液残留污泥后的液体均加入铁氧体反应池中进行混合，加入硫酸亚铁，其加入的质量为混合液中所有重金属质量的8倍，混合均匀，并加热液体至55℃。接着，向反应池中缓慢加入NaOH，至系统中pH值为8.5时，通入高纯度氧气，充分反应后生成含有铁元素和重金属离子在内的铁氧体晶体；最后将生成的铁氧体晶体与碱性废液分离后干燥，即得到铁氧体，碱性废液排入废水处理系统处理后达标排放。
第六步：将步骤四中分离出的无害化污泥与钢渣、普通石子、粉煤灰、石英砂、水玻璃、高岭土、竹粉和造孔剂混合，其中重量份(Kg)为：无害化污泥为40，普通石子20，钢渣18，粉煤灰10，水玻璃15，石英砂10，高岭土5，竹粉3，造孔剂1。加入适量的水，放入搅拌机中以130转/分的速度搅拌成泥料，控制含水率为15％。
第七步：将步骤六中混合好的泥料放入压力为30Mpa的干压成型机干压成型，通过不同模具，可以制得不同形状和尺寸的海绵城市建设用透水砖。
第八步：将步骤七中制得的成型的砖坯通过自然干燥或者放入105℃的恒温干燥箱中干燥，使得含水率为5％。
第九步：将步骤八中干燥后的砖坯送入窑炉中烧结，以3.5℃/min速度升温至1050℃，持续3h后降至室温，最后即得到抗压强度高、透水性能好、节能环保的海绵城市建设用透水砖。
经测试，本发明的海绵城市建设用透水砖的抗压强度为55MPa，透水系数2.48×102cm/s，磨抗长度不大于35mm，抗弯强度为52.5，25次冻融循环抗压强度损失小于18％，其他指标均符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。
实施例2
以处理电镀厂重金属污泥为例，对实施步骤作进一步的说明。
第一步：称取100Kg含水率不低于60％的重金属污泥于酸解槽中，按照重金属污泥体积的40％加入酸解液，酸解液以硫酸：硝酸：氢氟酸：双氧水＝9：3：3：1的体积比配制而成，添加过程中充分搅拌，使重金属离子被酸浸出。
第二步：将步骤一酸解槽中的混合液放入超声槽，以25KHz的频率进行超声波分解，以使污泥和酸解液充分接触和反应。
第三步：将步骤二中超声后的混合液进行固液分离，得到酸浸液和有酸解液残留的污泥。
第四步：将步骤三中有酸解液残留的污泥用清水冲洗五次，以脱去残余的重金属，得到无害化的污泥。
第五步：将步骤三中的酸浸液和步骤四中冲洗有酸解液残留的污泥后的液体均加入铁氧体反应池中进行混合，加入硫酸亚铁，其加入的质量为混合液中所有重金属质量的10倍，混合均匀，并加热液体至60℃。接着，向反应池中缓慢加入KOH，至系统中pH值为9时，通入高纯度氧气，充分反应后生成含有铁元素和重金属离子在内的铁氧体晶体；最后将生成的铁氧体晶体与碱性废液分离后干燥，即得到铁氧体，碱性废液排入废水处理系统处理后达标排放。
第六步：将步骤四中分离出的无害化污泥与钢渣、粉煤灰、石英砂、水玻璃和造孔剂混合，其中重量份(Kg)为：无害化污泥为45，普通石子23，钢渣15，粉煤灰8，水玻璃15，石英砂10，高岭土8，竹粉3，造孔剂1。加入适量的水，放 入搅拌机中以130转/分的速度搅拌成泥料，控制含水率为16％。
第七步：将步骤六中混合好的泥料放入压力为30Mpa的干压成型机干压成型，通过不同模具，可以制得不同形状和尺寸的海绵城市建设用透水砖。
第八步：将步骤七中制得的成型的砖坯通过自然干燥或者放入105℃的恒温干燥箱中干燥，使得含水率为5％。
第九步：将步骤八中干燥后的砖坯送入窑炉中烧结，以4℃/min速度升温至1100℃，持续3h后降至室温，最后即得到抗压强度高、透水性能好、节能环保的海绵城市建设用透水砖。
经测试，本发明的海绵城市建设用透水砖的抗压强度为60.5MPa，透水系数2.2×102cm/s，磨抗长度不大于32mm，抗弯强度为62.5，25次冻融循环抗压强度损失小于16％，其他指标均符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。
实施例3
以处理印刷电路板厂重金属污泥为例，对实施步骤作进一步的说明。
第一步：称取100Kg含水率不低于60％的重金属污泥于酸解槽中，按照重金属污泥体积的50％加入酸解液，酸解液以硫酸：硝酸：氢氟酸：双氧水＝9：3：3：1的体积比配制而成，添加过程中充分搅拌，使重金属离子被酸浸出。
第二步：将步骤一酸解槽中的混合液放入超声槽，以30KHz的频率进行超声波分解，以使污泥和酸解液充分接触和反应。
第三步：将步骤二中超声后的混合液进行固液分离，得到酸浸液和有酸解液残留的污泥。
第四步：将步骤三中的沉淀物用清水冲洗五次，以脱去残余的重金属，得到无害化污泥。
第五步：将步骤三中的酸浸液和步骤四中冲洗沉淀物后的液体均加入铁氧体反应池中进行混合，加入硫酸亚铁，其加入的质量为混合液中所有重金属质量的12倍，混合均匀，并加热液体至65℃。接着，向反应池中缓慢加入NaOH，至系统中pH值为9时，通入高纯度氧气，充分反应后生成含有铁元素和重金属离子在内的铁氧体晶体；最后将生成的铁氧体晶体与碱性废液分离后干燥，即得到铁氧体，碱性废液排入废水处理系统处理后达标排放。
第六步：将步骤四中分离出的无害化污泥与钢渣、粉煤灰、石英砂、水玻璃和造孔剂混合，无害化污泥为45，普通石子23，钢渣18，粉煤灰10，水玻璃15， 石英砂12，高岭土8，竹粉4，造孔剂3。加入适量的水，放入搅拌机中以130转/分的速度搅拌成泥料，控制含水率为18％。
加入适量的水，放入搅拌机中以130转/分的速度搅拌成泥料，控制含水率为18％。
第七步：将步骤六中混合好的泥料放入压力为30Mpa的干压成型机干压成型，通过不同模具，可以制得不同形状和尺寸的海绵城市建设用透水砖。
第八步：将步骤七中制得的成型的砖坯通过自然干燥或者放入105℃的恒温干燥箱中干燥，使得含水率为5％。
第九步：将步骤八中干燥后的砖坯送入窑炉中烧结，以4℃/min速度升温至1150℃，持续3h后降至室温，最后即得到抗压强度高、透水性能好、节能环保的海绵城市建设用透水砖。
经测试，本发明的海绵城市建设用透水砖的抗压强度为62MPa，透水系数2.8×102cm/s，磨抗长度不大于28mm，抗弯强度为56.0，25次冻融循环抗压强度损失小于15％，其他指标均符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。
实施例4
实施例4与实施例1步骤类似，酸解液中硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水按体积比8：2：2：1配制，加入酸解液的体积为重金属污泥体积的30％；超声波的振荡频率为15KHz，振荡时间为1h；清水冲洗的次数为3次；硫酸亚铁的添加量为液体中重金属总质量的8倍，加热液体温度至55℃，碱液为NaOH，碱液量添加至液体的pH值为8.5；无害化污泥、普通石子、钢渣、粉煤灰、水玻璃、石英砂、高岭土、竹粉和造孔剂的重量份比为：40、20、15、8、12、10、5、3和1，泥料的含水率控制在14wt％。钢渣和石英砂过10目筛，粉煤灰的粒径为0.1mm，造孔剂为珍珠岩。干压成型机的压力为25Mpa。干燥箱为恒温干燥箱，温度为103℃，干燥后砖坯的含水率为5wt％。烧结时以3.5℃/min的速度升温至1020℃，持续烧结2.5h后降至室温。
经测试，符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。
实施例5
实施例5与实施例1步骤类似，酸解液中硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水按体积比9：3：3：1配制，加入酸解液的体积为重金属污泥体积的35％；超声波的振荡频率为20KHz，振荡时间为1.5h；清水冲洗的次数为4次；硫酸亚铁的添加量为 液体中重金属总质量的10倍，加热液体温度至60℃，碱液为KOH，碱液量添加至液体的pH值为9；无害化污泥、普通石子、钢渣、粉煤灰、水玻璃、石英砂、高岭土、竹粉和造孔剂的重量份为：43、22、16、9、13、11、7、4和2，泥料的含水率控制在16wt％。钢渣和石英砂过10目筛，粉煤灰的粒径为0.12mm，造孔剂为硅藻土。干压成型机的压力为30Mpa。干燥箱为恒温干燥箱，温度为105℃，干燥后砖坯的含水率为4wt％。烧结时以3.8℃/min的速度升温至1040℃，持续烧结3h后降至室温。
经测试，符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。
实施例6
实施例6与实施例1步骤类似，酸解液中硫酸、硝酸、氢氟酸和双氧水按体积比10：4：4：1配制，加入酸解液的体积为重金属污泥体积的50％；超声波的振荡频率为30KHz，振荡时间为2h；清水冲洗的次数为5次；硫酸亚铁的添加量为液体中重金属总质量的12倍，加热液体温度至65℃，碱液为NaOH，碱液量添加至液体的pH值为9；无害化污泥、普通石子、钢渣、粉煤灰、水玻璃、石英砂、高岭土、竹粉和造孔剂的重量份为：45、23、18、10、15、12、8、4和3，泥料的含水率控制在18wt％。钢渣和石英砂过10目筛，所述的粉煤灰的粒径为0.15mm，造孔剂为烧沸石。干压成型机的压力为35Mpa。干燥箱为恒温干燥箱，温度为108℃，干燥后砖坯的含水率位5wt％。烧结时以4.0℃/min的速度升温至1150℃，持续烧结3.5h后降至室温。
经测试，符合《透水砖》(CJ/T945～2005)标准。