本发明涉及一种重金属污泥固化剂，特别涉及一种利用生物质原料和污泥原料混烧灰渣作为主要原料的固化剂，以及固化剂在重金属固体废弃物的固化稳定化处理中的应用，属于重金属治理技术领域。
背景技术：
污泥是城市废水处理和污水处理过程中产生的副产物。随着城市污水处理量的增加，污泥的产生量也逐步增大。这些污泥中含有大量有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、病毒、合成有机物及重金属离子等。污泥易腐变质、会对土壤和地下水造成污染，也可能污染河流、湖泊及海洋等地表水体。
污泥中的毒性有机物和重金属会在生态系统中的食物链迁移富集，对生态环境和人类健康造成长期潜在的危害。因此，将产量巨大，成分复杂的污泥，经过科学处理后将其减量化、稳定化、无害化、资源化已迫在眉睫。
目前国内城市污泥的处理方式主要有填埋、堆肥、焚烧和投海等，其中焚烧因能对污泥最大程度的减量化，并能充分回收利用污泥热能，近年来发展较快。城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素，焚烧正是利用污泥中有机成分较高、具有热值的特点。在高温下，污泥中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，其中的有机物转化为水、二氧化碳等无害物质，同时释放能量，产生固体残渣。如将热量加以回收利用，可达到废物综合利用的目的。同时焚烧处理还具有有机物去除率、适应性广等特点，所以在发达国家已得到广泛应用。
污泥通过焚烧后可转化为稳定的污泥灰渣，占到污泥干重的50％以上，如此量大的污泥焚烧灰不仅占用土地空间，而且其产生的飞灰也会对人体健康产生危害。污泥焚烧灰渣的有机物多为耐热化学降解的毒害性物质，经过燃烧后多种有害物质附积在灰渣的颗粒表面，其中最典型的就是各种形态的重金属。
生物质能是重要的可再生能源，具有绿色、低碳、清洁、可再生等特点。加快生物质能开发利用，是推进能源生产和消费革命的重要内容，是改善环境质量、发展循环经济的重要任务。我国生物质资源丰富，能源化利用潜力大。全国可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物、生活垃圾与有机废弃物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤。利用生物质发电可对二氧化碳以及多种大气污染物减排有显著效果。当前我国以生物质为燃料的电厂发展迅速,生物质灰的去向也亟待解决。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种对富含重金属的污泥、底泥与飞灰等固体废物中具有很好固化稳定化的固化剂，该固化剂不但对固体废物有良好的固化稳定化效果，有效防止重金属对环境的二次污染，而且利用生物质灰及污泥焚烧灰等作为主要原料，其来源广泛，成本低，达到达到以废治废的目的。
本发明的第二个目的是在于提供一种基于生物质/污泥混烧灰渣的复合固化剂的应用，将其用于固化富含重金属的污泥、底泥与飞灰等固体废物，固化体的重金属浸出值达到地下水四级标准(gb/t14848-93)，且固化剂成本低，有利于推广使用。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于生物质/污泥混烧灰渣的复合固化剂，其包括以下质量份组分：生物质污泥混烧灰18～25份；水泥12～15份；乳化沥青45～56份；石膏0.5～1.5份、减水剂0.1～0.5份。
本发明的复合固化剂利用生物质污泥混烧灰作为主要的强度提供材料，水泥作为各组分粘结原料，乳化沥青主要调配增加密实度，石膏及减水剂作为相应的助剂。生物质污泥混烧灰与乳化沥青及水泥对固化效果起到明显的协同增效作用，有利于增强对重金属固体废弃物的固化稳定化作用，降低重金属离子的浸出能力。混烧灰中生物质灰中高钾及硅磷等矿物促进水泥胶凝物质初期水化，缩短初凝时间，而污泥灰活性物质可以促进固化体长期强度增长；乳化沥青与硅酸盐水泥体系作为重金属离子固化双重保障，阻止已经晶格化的重金属离子化学键重新断裂。
优选的方案，所述生物质污泥混烧灰由生物质灰与污泥灰组成。
优选的方案，所述生物质污泥混烧灰中生物质灰与污泥灰的质量比为2:1～3。
优选的方案，所述生物质污泥混烧灰由生物质与污泥混合物经过800℃～850℃温度下焚烧得到。焚烧所得灰渣经过简单球磨粉碎后，经0.075mm筛分，取筛下粉末。生物质灰中主要包含大量的钾磷及硅等矿物，可以用于水泥的初期水化。生活污泥、印染污泥、油泥等均是富含有机质的污泥，经过焚烧后，有机物大部分被充当热能被利用，而残留的有机物多为耐热化学降解的毒害性物质，经过燃烧后多种有害物质附积在灰渣的颗粒表面，其中最典型的就是各种形态的重金属。而本发明技术方案利用污泥灰作为固化原料，不但利用了污泥灰的活性成分，增强固化效果，同时也使得其本身包含的重金属等得到固化稳定化。污泥焚烧后得到的灰渣经过简单球磨粉碎后，经0.075mm筛分，取筛下粉末。
较优选的方案，所述生物质包括稻壳、秸秆、木屑中至少一种。
较优选的方案，所述污泥灰包括生活污泥、印染污泥、油泥中至少一种。
优选的方案，所述水泥为p·o42.5级普通硅酸盐水泥，为常规市售产品。
优选的方案，所述乳化沥青为阳离子乳化沥青pc-2，为常规市售产品。
优选的方案，所述石膏包括脱硫石膏、氟石膏、磷石膏中至少一种。
优选的方案，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，为常规市售产品。
优选的方案，所述复合固化剂包含20～25份标准砂。通过引入标准砂可以提高固化体的强度，有利于固化体作为建筑、园林路基以及回填材料等应用。
本发明还提供了一种基于生物质/污泥混烧灰渣的复合固化剂的应用，将其应用于重金属物料固化处理。
优选的方案，复合固化剂与重金属物料的质量比为100:5～20。重金属物料如垃圾焚烧飞灰、重金属污泥等等。
本发明的复合固化剂用于固化重金属物料的过程：将生物质/污泥混烧灰及水泥、石膏及固化对象生活污泥灰/印染污泥灰，在常温条件下300r/min球磨混合40min，收集混合干粉等待成型用。将减水剂、水搅拌混合均匀加入至上述混合料中，行星搅拌10min加入乳化沥青，继续搅拌10min，即可制得固化体。固化体在温度为20℃～30℃、相对湿度80％条件下养护7天，完成对污泥灰的固化过程。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有利技术效果：
1)本发明技术方案旨在“以废治废”，利用现有技术中的两种常规废弃物生物质灰和污泥灰作为固化剂的主要成分，通过配方改进，可以获得对富含重金属物质固体废弃物，如重金属灰渣、污泥、飞灰等都具有很好的固化稳定化作用，防止重金属的对环境的二次污染，同时对生物质灰和污泥灰等得到资源化利用，有利于降低固化剂成本。
2)本发明的固化剂原料采用工业废弃物，来源广泛，价格低廉，以废治废，具有较高的社会效益和经济效益。
3)本发明的固化剂固化后得到的固化体固化稳定化效果明显，重金属的浸出值达到地下水四级标准(gb/t14848-93)，可以直接用于高附加值材料的制备。
4)本发明的固化剂在冻融条件下的固化效果好，减少了固化体由于冻融损失的物理强度。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制权利要求的保护范围。
以下实施例及对比实施例中生物质/污泥混烧灰由木屑、稻壳及生活污泥(干基重量)混合，在820℃左右温度下焚烧，焚烧所得灰渣经过简单球磨粉碎后，经0.075mm筛分，取筛下粉末，即得生物质/污泥混烧灰，混烧灰中木屑灰、稻壳灰及生活污泥灰质量比约为1:2:3。
实施例1
一种重金属固化体，由下列重量(kg)的原料制备而成：
生物质/污泥混烧灰10，p·o42.5级普通硅酸盐水泥7.2，脱硫石膏0.6，生活污泥灰/印染污泥灰4.5，在常温条件下300r/min球磨混合40min收集混合干粉等待成型用。
将聚羧酸高效减水剂0.25，去离子水4.8搅拌混合均匀加入至上述混合料中。行星搅拌10min加入阳离子乳化沥青pc-227.1，继续搅拌10min，即可制得固化体。固化体在温度为20℃～30℃、相对湿度80％条件下养护7天完成对污泥灰的重金属固化过程。
评价复合固化体中目标重金属(ba，cr，cu，mn，ni，zn)的浸出特性，原污泥灰与固化体浸出结果如表1-1a、b与表1-2所示：
表1-1a、b印染污泥灰、生活污泥灰tclp重金属浸出值
表1-2固化体重金属浸出率
实施例2
在实施例1同样的混合原料以及方法下，在成型搅拌之前加入21.7重量(kg)的砂，即可制得一种以污泥灰为固化稳定化对象的基于生物质灰渣的重金属固化体，根据固化体的力学性能：流动度(表2-1)、抗压抗折强度(表2-2)、抗冻融(表2-3)。
表2-1固化体流动度
表2-2固化体抗压抗折强度
表2-3固化体冻融强度损失
表明这种固化体具有良好的力学性能，可应用于建筑、园林路基以及回填材料等，具有广泛的应用前景。
对比实施例1
抗冻融实施实验，经过实施例1中未外掺阳离子乳化沥青pc-2以及掺入阳离子乳化沥青pc-2对比，针对生活污泥进行固化，抗冻融性实验测试28天固化体强度损失结果、浸出结果如(表3-1a、b)。
表3-1a固化体强度损失对比
表3-1a固化体浸出率对比
以上表明沥青在固化体系中良好的促进了重金属离子在冻融条件下的固化，减少了固化体由于冻融损失的物理强度。