一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料及制备方法与流程

本发明属于环保技术领域，具体涉及了一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料及制备方法。

背景技术：

湖泊底泥是湖泊环保疏浚工程清挖的主要固体废弃物。湖泊底泥有含水率高、强度低、密度低、透水性低、高压缩性等物理化学和力学特性，含有大量微生物和超标金属，其具有严重的危害性。长期堆放疏浚底泥，将造成二次污染，占用土地资源，可能导致产生各种风险。对底泥进行固化/稳定化处理，可有效解决湖泊底泥的二次污染问题，在节能、节地方面做出重要贡献。人工湿地是新兴的一种投资少、运行费用低的污水处理技术，而人工湿地基质填料则是人工湿地的关键，选择对污染物有强吸附作用的基质填料可大大提高人工湿地对污水的处理效果。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的不足，目的在于提供一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料及制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)原料混合：将污染湖泊底泥搅拌均匀，然后加入掺加剂，先人工初步搅拌，再机械搅拌直至混合均匀；

(2)制样：将步骤(1)所得原料混合物分三次装填到模具中，每次装填后振动2分钟，以振出试样中的气泡，制样完成后，将试样放置于室内自然养护，脱模；

(3)将步骤(2)脱模后的试样烘干至含水率小于5wt％，然后进行高温焙烧，造粒，得到人工湿地基质填料。

上述方案中，所述污染湖泊底泥的含水率为65wt％～72wt％。

上述方案中，所述掺加剂为水泥、粉煤灰和钢渣的混合物。

上述方案中，所述水泥的质量为污染湖泊底泥质量的3％～9％；所述粉煤灰的质量为污染湖泊底泥质量的15％～35％；所述钢渣的质量为污染湖泊底泥质量的5％～15％。

上述方案中，所述粉煤灰的粒径为0.001～0.3mm；所述钢渣的粒径为75μm～450μm。

上述方案中，所得人工湿地基质填料的粒径为8～12mm。

上述方案中，步骤(3)所述自然养护的时间为24h～48h。

上述方案中，所述高温焙烧的升温程序为：0～200℃，20min；200℃～450℃，30min；450℃～600℃，30min；600℃～900℃，60min。

上述方案中，所述高温焙烧的温度为900℃，时间为14～20h。

上述制备方法制备得到的人工湿地基质填料。

本发明的有益效果：(1)本发明提供了一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料，将湖泊疏浚底泥这一固体废物资源化利用，避免了传统的填埋方式，节约了土地资源，有效降低污染湖泊底泥的环境污染；同时在构建人工湿地时，选择固化后的湖泊底泥作为人工湿地填料，降低了人工湿地的成本，也为湖泊底泥资源化利用提供了有效途径。(2)本发明通过高温烧结工艺破坏了湖泊底泥的结构，使湖泊底泥原料中吸附的磷得到了释放(利用纯水的释放实验可知磷的最大释放量达到0.76mg/L)，同时高温烧结工艺使制备所得人工湿地填料具有多孔结构，该多孔结构有较多孔洞、孔隙多，能大大提高人工湿地填料对污水中磷的吸附能力；(3)将本发明制备所得人工湿地基质填料应用于小型人工湿地，以劣V类水质水为原水进行试验，结果表明：所述人工湿地对COD、TP的去除率分别为12％～78％、4％～50％，并且出水的重金属含量基本满足地表水环境质量标准Ⅲ类水标准，运行稳定后COD的平均去除率可以达到78.1％，TP的去除率可以达到50.5％。

附图说明

图1为本发明中所述原料(污染湖泊底泥)和人工湿地基质填料的扫描电镜图对比图。

图2为本发明制备的人工湿地基质填料应用在小型人工湿地中，小型人工湿地运行过程中总磷含量变化图。

图3为本发明制备的人工湿地基质填料应用在小型人工湿地中，小型人工湿地运行过程中COD含量变化图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)取掺加剂(3％水泥+35％粉煤灰(粒径0.3mm)+5％钢渣(粒径75μm)，其中百分比为污染湖泊底泥的质量百分比)，将掺加剂及已搅拌均匀的污染湖泊底泥(含水率72％)分别加入行星式搅拌机的搅拌盘内，先人工初步搅拌，再用搅拌机机械搅拌均匀5分钟后开始制样；

(2)将搅拌好的底泥混合物分三次装填到边长为70.7mm的立方体塑料模具中，每次装填振动2分钟，以振出底泥试样中的气泡，提高试样密实度；为便于脱模，制样前用小毛刷在试模内壁均匀刷一层机油，每一设计配方及设计龄期均制作3个平行试样；制样完成后将试样放置于室内自然养护24小时后撤掉模具；

(3)将试样转移至HP-9150型电热恒温干燥箱烘干至含水率小于5wt％，然后放入SX2-10-12型箱式节能电阻炉高温焙烧，焙烧采用程序升温的方法进行升温(0～200℃，20min；200℃～450℃，30min；450℃～600℃，30min；600℃～900℃，60min)，置于900℃焙烧14小时，再经人工造粒制成直径8～12mm左右颗粒，即得到人工湿地基质填料。

本实施例制备的人工湿地基质填料经实验得试样的抗压强度为624.08kPa。

实施例2

一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)取掺加剂(6％水泥+15％粉煤灰(粒径0.3mm)+10％钢渣(粒径75μm)，其中百分比为污染湖泊底泥的质量百分比)，将掺加剂及已搅拌均匀的污染湖泊底泥(含水率65％)分别加入行星式搅拌机的搅拌盘内，先人工初步搅拌，再用搅拌机机械搅拌均匀5分钟后开始制样；

(2)将搅拌好的底泥混合物分三次装填到边长为70.7mm的立方体塑料模具中，每次装填振动2分钟，以振出底泥试样中的气泡，提高试样密实度；为便于脱模，制样前用小毛刷在试模内壁均匀刷一层机油，每一设计配方及设计龄期均制作3个平行试样；制样完成后将试样放置于室内自然养护30小时后撤掉模具；

(3)将试样转移至HP-9150型电热恒温干燥箱烘干至含水率小于5wt％，然后放入SX2-10-12型箱式节能电阻炉高温焙烧，焙烧采用程序升温的方法进行升温(0～200℃，20min；200℃～450℃，30min；450℃～600℃，30min；600℃～900℃，60min)，置于900℃焙烧18小时，再经人工造粒制成直径8～12mm左右颗粒，即得到人工湿地基质填料。

本实施例制备的人工湿地基质填料经实验得试样的抗压强度为955.20kPa。

实施例3

一种以污染湖泊底泥为主要原料的人工湿地基质填料的制备方法，包括如下步骤：

(1)取掺加剂(3％水泥+35％粉煤灰(粒径0.3mm)+10％钢渣(粒径75μm)，其中百分比为污染湖泊底泥的质量百分比)，将掺加剂及已搅拌均匀的污染湖泊底泥(含水率72％)分别加入行星式搅拌机的搅拌盘内，先人工初步搅拌，再用搅拌机机械搅拌均匀5分钟后开始制样；

(2)将搅拌好的底泥混合物分三次装填到边长为70.7mm的立方体塑料模具中，每次装填振动2分钟，以振出底泥试样中的气泡，提高试样密实度；为便于脱模，制样前用小毛刷在试模内壁均匀刷一层机油，每一设计配方及设计龄期均制作3个平行试样；制样完成后将试样放置于室内自然养护48小时后撤掉模具；

(3)将试样转移至HP-9150型电热恒温干燥箱烘干至含水率小于5wt％，然后放入SX2-10-12型箱式节能电阻炉高温焙烧，焙烧采用程序升温的方法进行升温(0～200℃，20min；200℃～450℃，30min；450℃～600℃，30min；600℃～900℃，60min)，置于900℃焙烧20小时，再经人工造粒制成直径8～12mm左右颗粒，即得到人工湿地基质填料。

本实施例制备的人工湿地基质填料经实验得试样的抗压强度为544.86kPa。

图1为本发明中所述原料(污染湖泊底泥)和人工湿地基质填料的扫描电镜图对比图，其中a～e为污染湖泊底泥，a1～e1为制备所得人工湿地基质填料，从图1中的对比可以看出，本发明所述制备方法破坏了污染湖泊底泥原来的结构，制备所得人工湿地基质填料具有多孔结构，基质排列松散，有较多孔洞，孔隙多，颗粒之间有许多细小的填充物，该多孔结构可以大大提高人工湿地基质填料的吸附性能。

应用实例

将本发明制备的人工湿地基质填料运用在小型人工湿地中，采用该小型人工湿地对污水进行处理，检测小型人工湿地运行10d后水中各重金属离子的含量，出水中重金属离子Pb、Zn含量降低，Cu、Cd、Zn、Pb含量小于地表水环境质量标准Ⅲ类水标准。

检测小型人工湿地对污水中总磷含量的去除率，结果见图1。污水原水中磷含量为0.29mg/L，超过地表水环境标准的V类标准，属于劣五类水质。系统运行7d后，磷含量升高到0.39mg/L，这说明人工湿地基质填料有磷释放的情况。从7d～14d的情况来看，出水的含磷量稳健降低，最终稳定在0.15mg/L左右，去除率为4％～50％，运行时间越长，效果越稳定，去除率稳定于50％左右，出水满足地表水环境标准Ⅲ类水标准。虽然在一开始存在磷释放的情况，但当湿地系统运行稳定以后，系统对于水体中磷的去除率可以达到50.5％。

检测小型人工湿地运行过程中COD含量变化，结果见图2，从图中可以看出：原水中COD含量为72mg/L，超过地表水环境标准的V类标准，属于劣五类水质；系统运行7d后，COD含量为31.5mg/L，而8d含量大于7d为62.9mg/L，说明系统7d的运行不够稳定；8d以后，出水中COD稳健降低，出水中COD小于原水COD，去除率为12％-78％，最终稳定于18.5mg/L，满足地表水环境标准Ⅲ类水标准，运行稳定后人工湿地系统对于水体中COD的平均去除率达到78.1％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。