本发明涉及污泥处理技术领域，具体公开了一种污泥固化剂及其制备方法和使用方法。
背景技术：
随着大量污水处理厂的投产运行，污泥产量将大幅度的增加。据文献报道，2011年我国污水排放总量达482.4亿吨，产生剩余污泥(干质量)847万吨，并且每年排放的剩余污泥量以年均约10％的速度递增。另外，在污水生物处理过程中，微生物群与污水中的有机物接触，摄取水中生物分解的成份进行生长繁殖，在该过程中增生的胶羽形成菌会与自身分泌的胞外聚合物、水相中的剩余悬浮固体、丝状菌、真菌、原生动物、以及二价钙、镁离子，共同聚集连结成大小约数百微米的污泥胶羽，其结构疏松，含水率极高，并有巨大表面积与高度亲水性，带有大量结合水，导致污泥处理难度增大。因此，污泥的处理与处置日渐成为考核污水处理厂运行绩效的重要指标。
污泥中的水分按其状态共分为四种：1)间隙水，间隙水是污泥颗粒包围的游离水分，一般占污泥总含水量的70％左右；2)毛细水，毛细水是污泥颗粒之间或颗粒裂隙中由于毛细作用与污泥颗粒结合在一起的水分，占总水量的20％左右；3)吸附水，吸附水是由于表面张力的作用吸附在污泥颗粒表面的水分，由于污泥颗粒小，具有极强的表面吸附力；4)结合水，结合水是包含在污泥微生物细胞内的水分，只有改变污泥颗粒的内部结构才能将结合水分离；结合水和吸附水共占污泥中总含水量的10％左右。
污泥脱水实际上指的是去除污泥中的间隙水。间隙水理论上容易脱除，但是由于污泥是由絮状的胶体集合而成，颗粒很细而且很软，由于软颗粒具有一定的压缩性，当外力增加时，颗粒会在过滤介质表面形成一层空隙非常小的“膜”，从而使水很难通过，脱水也就显得异常困难。
污泥的调质处理是污泥脱水的关键环节和核心技术。调质处理就是破坏污泥的胶态结构，减少泥水间的亲和力，改善污泥的脱水性能。
中国专利CN101955312B公开了一种污泥调理剂及其使用方法，该调理剂采用添加生物酶并用于生化污泥的治理，利用酸和酶破坏污泥中的胞外聚合物，改善脱水效果，可使污泥干度从20～30％提高到40～50％。该发明调理剂需要纤维素和半纤维素酶，调理时间也高达240分钟，成本较高，且有机质含量高，不能避免滤饼容易压缩变形的问题。
中国专利CN101967035A公开了一种城市污泥脱水调理剂，调理剂采用阴离子型PAM与壳聚糖制备，有效降低了阴离子型PAM用量，提高污泥脱水性能。该发明调理剂为有机成分，成本偏高，难降解且有生物毒性，此外，没有无机调理剂难以形成强硬网状骨架结构，不能改进污泥的不可压缩性，无法提高压滤效率。
中国专利CN104926075A公开了一种剩余污泥深度脱水调理剂，该调理剂采用稻壳粉作为污泥脱水调理剂，可以克服目前FeCl3和CaO会腐蚀焚烧设备、有机质减少不利于焚烧等缺陷。该发明所使用调理剂不能改善污泥的脱水性、提高污泥抗压强度，污泥深度脱水后含水率不能得到明显降低。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的缺陷，提供一种污泥固化剂及其制备方法和使用方法，该污泥固化剂与机械脱水设备联合使用，可将污泥含水率由75～85％降至45～60％，同时降低处理时间，提高处理效率。
为了实现以上目的，本发明通过包括以下技术方案实现的：一种污泥固化剂，包括液态组合物和固态组合物，所述液态组合物的投加量占污泥投加量的1-6％，所述固态组合物的投加量占污泥投加量的1-6％。
优选地，所述液态组合物包括以下重量份的组分：硅酸钠2～8份，氯化镁20～40份，硫酸亚铁20～40份，有机絮凝剂1～2份，减水剂2～8份，水90～392份。
优选地，所述固态组合物包括氧化钙。
进一步优选地，所述固态组合物还包括骨架剂，所述骨架剂与所述氧化钙的重量比为(0.1～3):1，所述骨架剂由草木灰、粉煤灰和硅藻土中的一种或多种组成。
优选地，所述有机絮凝剂为十八烷基三甲基氯化铵。
优选地，所述减水剂由木质磺酸盐和萘磺酸盐甲醛聚合物组成，所述木质磺酸盐和所述萘磺酸盐甲醛聚合物的重量比为1:(2～3)。
优选地，所述氧化钙、所述草木灰、所述粉煤灰和所述硅藻土的含水率均小于2％。
优选地，所述氧化钙、所述草木灰、所述粉煤灰和所述硅藻土均为粉末状，粒径均为200-500目。采取粉末状的氧化钙、草木灰、粉煤灰和硅藻土，有利于固态组合物与污泥快速发生反应，缩短反应时间，提高污泥改性效果。
草木灰、粉煤灰和硅藻土投加与否与所需处理污泥的泥性以及所需达标要求有关系：
当处理污泥中有机质含量(VSS/TSS)低于45％，且达标要求为含水率55～60％时，所述固态组合物为氧化钙；
当处理污泥有机质含量(VSS/TSS)低于45％，且达标要求为含水率45～55％时，所述固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙1～3份，草木灰1～4份；
当处理污泥有机质含量(VSS/TSS)高于45％，且达标要求为含水率55～60％时，所述固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙3～5份，草木灰1～4份，硅藻土1～2份；
当处理污泥有机质含量(VSS/TSS)高于45％，且达标要求为含水率45～55％时，所述固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙3～5份，草木灰1～2份，粉煤灰1～2份，硅藻土1～2份；其中，有机质含量(VSS/TSS)是指的污泥可挥发有机质占污泥固体物质总量的重量百分比。
本发明公开一种制备上述所述的污泥固化剂的方法，包括以下步骤：
1)干燥：采用以下A1或B1方式进行：
A1、取所述氧化钙于105-110℃条件下进行加热烘干，将含水率降至2％以下；
B1、取所述氧化钙和所述骨架剂分别于105-110℃条件下进行加热烘干，将含水率降至2％以下；
2)制备固态组合物：采用以下A2或B2方式进行：
A2、采用粉碎机将所述氧化钙分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将所述氧化钙的粒径控制在200～500目，形成固态组合物；
B2、采用粉碎机将所述氧化钙和所述骨架剂分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将所述氧化钙和所述骨架剂的粒径控制在200～500目；将经过处理的所述氧化钙和所述骨架剂按照重量配比混合均匀，形成固态组合物；
3)制备液态组合物：采用A3方式进行：
A3、将所述硅酸钠、所述氯化镁、所述硫酸亚铁、所述有机絮凝剂和所述减水剂按照重量配比溶解至所述水中，混合均匀，形成液态组合物。
本发明还公开一种使用上述所述的污泥固化剂的方法，其包括如下步骤：
1)将污泥与所述液态组合物加入至混合装置中，在常温下搅拌30-120s，得到混合物；其中，所述液态组合物与所述污泥的重量比为(1～6):100；
2)向所述混合物中加入所述固态组合物，在常温下搅拌2-5min，然后机械脱水，实现污泥的固化减量化；其中，所述固态组合物与所述污泥的重量比为(1～6):100。
优选地，所述污泥来自于污水处理厂污泥、河道淤泥、厌氧沼渣和危险固体废弃物中一种，其含水量为75～85％。
优选地，在所述步骤2)中，与液态物质投加点间距0.8-1.2m处，向所述混合物中加入所述固态组合物。与液态物质投加点间距0.8-1.2m处，主要是为了使得液态组合物与污泥充分反应，改变污泥内部构造，有利于固态组合物与污泥混合的均匀性，同时可以提高污泥改性效果，降低固化剂投加量。
一般来讲，含水率75～85％污泥多呈粘稠流态，污泥内部孔隙少，孔隙尺寸主要位于10～150μm之间；污泥颗粒相互连接，多呈片状，颗粒尺寸主要位于20～150μm之间；无网状或柱状结晶体。本发明加入的液态组合物使得污泥内部孔隙数量增多、孔隙尺寸增大，孔隙尺寸主要位于30～80μm之间；污泥颗粒相对独立，粒状居多，颗粒尺寸主要位于40～80μm之间。加入固态组合物后污泥内部孔隙数量、孔隙尺寸以及颗粒尺寸基本维持不变，污泥内部细胞壁破解，产生网状和柱状结晶体，污泥脱水性能和抗压强度进一步提高。经机械脱水后污泥呈片状固态，污泥内部孔隙数量较改性污泥有所减少、孔隙尺寸减小，孔隙尺寸主要位于15～40μm之间；污泥颗粒相对独立，粒状居多，颗粒尺寸主要位于40～80μm之间；存在网状和柱状结晶体。
综上所述，本发明提供一种污泥固化剂及其制备方法和使用方法，本发明的有益效果：
本发明提供的一种污泥固化剂，采用较易获取的药剂，且药剂干物质投加量仅为含水率75～85％污泥质量的2～6％，极大的节约了运行成本。本发明通过液态组合物与固态组合物联合使用，提高污泥抗压强度与脱水性能，利于后续污泥机械脱水。
进一步，本发明通过药剂改性与机械脱水协同作用，可将含水率75～85％的污泥脱水至含水率45～60％，减少了污泥体积，降低了运输成本，利于后期污泥的处置。
进一步，本发明在污泥脱水调理及脱水过程中不会引入或产生毒副产品，避免了再次污染环境。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。
实施例1
一种污泥固化剂，包括液态组合物和固态组合物，按污泥投加量为100吨计，液态组合物的投加量为4吨，其中，液态组合物包括以下重量份的组分：硅酸钠6份，氯化镁40份，硫酸亚铁30份，有机絮凝剂2份，减水剂6份，水252份；有机絮凝剂为十八烷基三甲基氯化铵。固态组合物的投加量为5吨，固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙3份，草木灰1份，粉煤灰1份，硅藻土2份。
污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化钙、草木灰、粉煤灰和硅藻土，在105℃条件下加热烘干9小时，将含水率降至2％以下；
2)采用粉碎机将氧化钙、草木灰、粉煤灰和硅藻土分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将氧化钙、草木灰、粉煤灰和硅藻土的粒径控制在200～500目；
3)在常温下，将经过处理的氧化钙、草木灰、粉煤灰和硅藻土按照污泥固化剂中固态组合物的配比混合均匀，形成固态组合物；
4)将硅酸钠、氯化镁、硫酸亚铁、有机絮凝剂、减水剂按照重量配比溶解至水中，混合均匀，形成液态组合物。
污泥固化剂的使用方法，其包括如下步骤：
1)将含水率为76％、有机质含量为49％的污泥与液态组合物加入到混合装置中，在常温下搅拌40s，搅拌均匀，得到混合物；其中，液态组合物投加量为污泥的重量的4％。
2)与液态组合物投加点间距1米处，向混合物中加入固态组合物，在常温下搅拌3min，机械脱水，实现污泥的固化；固态组合物投加量为污泥的重量的5％。
3)检测处理后的污泥含水率。
实施例2
一种污泥固化剂，包括液态组合物和固态组合物，按污泥投加量为100吨计，液态组合物的投加量为4吨，其中，液态组合物包括以下重量份的组分：硅酸钠4份，氯化镁40份，硫酸亚铁30份，有机絮凝剂2份，减水剂2份，水200份；而固态组合物的投加量为5吨，固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙4份，草木灰2份，硅藻土1份。
污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化钙、草木灰和硅藻土，在105℃条件下加热烘干8小时以上，将含水率降至2％以下；
2)采用粉碎机将氧化钙、草木灰和硅藻土分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将氧化钙、草木灰和硅藻土的粒径控制在200～500目；在常温下，将经过处理的氧化钙、草木灰和硅藻土按照重量配比混合均匀，形成固态组合物；
3)将硅酸钠、氯化镁、硫酸亚铁、有机絮凝剂、减水剂按照重量配比溶解至水中，混合均匀，形成液态组合物。
污泥固化剂的使用方法，其包括如下步骤：
1)将含水率为83％、有机质含量为49％污泥与液态组合物加入到混合装置中，在常温下搅拌50s，搅拌均匀，得到混合物；其中，液态组合物投加量为污泥的重量的4％。
2)与液态组合物投加点间距1米处，向混合物中加入固态组合物，在常温下搅拌3min，机械脱水，实现污泥的固化；其中，固态组合物投加量为污泥的重量的5％。
3)检测处理后的污泥含水率。
实施例3
一种污泥固化剂，包括液态组合物和固态组合物，按污泥投加量为100吨计，液态组合物的投加量为4吨，其中，液态组合物包括以下重量份的组分：硅酸钠4份，氯化镁30份，硫酸亚铁20份，有机絮凝剂1份，减水剂4份，水220份；固态组合物的投加量为5吨，固态组合物包括以下重量份的组分：氧化钙4份，草木灰2份。
污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化钙和草木灰在110℃条件下加热烘干10小时，将含水率降至2％以下；
2)采用粉碎机将氧化钙、草木灰分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将氧化钙、草木灰的粒径控制在200～500目；在常温下，将经过处理的氧化钙、草木灰按照重量配比混合均匀，形成固态组合物；
4)将硅酸钠、氯化镁、硫酸亚铁、有机絮凝剂、减水剂按照重量配比溶解至水中，混合均匀，形成液态组合物。
污泥固化剂的使用方法，其包括如下步骤：
1)将含水率为83％、有机质含量为43％污泥与液态组合物加入到混合装置中，在常温下搅拌50s，搅拌均匀，得到混合物；液态组合物投加量为污泥的重量的4％。
2)与液态组合物投加点间距1米处，向混合物中加入固态组合物，在常温下搅拌4min，机械脱水，实现污泥的固化。固态组合物投加量为污泥的重量的5％。
3)检测处理后的污泥含水率。
实施例4
一种污泥固化剂，包括液态组合物和固态组合物，按污泥投加量为100吨计，液态组合物的投加量为4吨，其中，液态组合物包括以下重量份的组分：硅酸钠7份，氯化镁36份，硫酸亚铁32份，有机絮凝剂2份，减水剂5份，水280份；固态组合物的投加量为4吨，固态组合物为氧化钙。
污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将氧化钙在110℃条件下加热烘干9小时，将含水率降至2％以下；
2)采用粉碎机将氧化钙分别逐级破碎至1mm以下，采用球磨机分别进行球磨、破碎、球磨后将氧化钙的粒径控制在200～500目，形成固态组合物；
3)将硅酸钠、氯化镁、硫酸亚铁、有机絮凝剂、减水剂按照重量配比溶解至水中，混合均匀，形成液态组合物。
污泥固化剂的使用方法，其包括如下步骤：
1)将含水率为83％、有机质含量为42％污泥与液态组合物加入到混合装置中，在常温下搅拌60s，搅拌均匀，得到混合物；液态组合物投加量为污泥的重量的4％。
2)与液态组合物投加点间距1米处，向混合物中加入固态组合物，在常温下搅拌4min，机械脱水，实现污泥的固化。固态组合物投加量为污泥的重量的4％。
3)检测处理后的污泥含水率。
测试结果
表1实施例1至4使用污泥固化剂处理后污泥的含水率变化结果
从表1可看出：实施例1至4均通过药剂改性与机械脱水协同作用，能够大大降低污泥的含水率，减少污泥体积；实施例1将污泥(原含水率为76％、有机质含量为49％)的含水率降低至45％，实施例2将污泥(原含水率为83％、有机质含量为49％)的含水率降低至56％，实施例3将污泥(原含水率为83％、有机质含量为43％)的含水率降低至47％，实施例4将污泥(原含水率为83％、有机质含量为42％)的含水率降低至57％。所以，在实际污泥处理中，根据污泥中有机质含量以及含水率达标要求，判断是否添加骨架剂，避免不必要的经济成本。
综上，本发明通过药剂改性与机械脱水协同作用，可将含水率75～85％的污泥脱水至含水率45～60％，减少了污泥体积，降低了运输成本，利于后期污泥的处置，本发明在污泥脱水调理及脱水过程中不会引入或产生毒副产品，避免了环境污染。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。