本发明属于环境工程技术领域，特别涉及一种脱水污泥固化剂、制备方法与使用方法。
背景技术：
污泥是污水处理厂处理生活污水与工业污水排弃的副产物，原始污水中带有泥沙、纤维、动植物残体及其吸附在其上的有机物、重金属离子、病毒、病菌、虫卵及胶质所形成的一种稠状物质，经污水处理厂的污水处理，原始污水中带有的所述有毒有害物质残留在脱水污泥中，需进行稳定化、减量化和无害化处理。
近年来，人们对污泥造成的环境风险及人身危害不断清晰，渴望着污水、污泥不再为害，化害为利，生态环境得以改善，人身健康不受危害。多年以来，污泥处理处置费用的标准也呈现逐年提升的趋势，促进污泥行业的迅速发展。截至2019年底，全国城市污水处理厂提升处理能力为1.77亿立方米/日，累计处理污水量532亿立方米；据前瞻估算，其产生的干污泥约1232万吨，干污泥处置量约为1182万吨。污泥处理技术以能源干化与机械脱水为主(包括已运营和在建项目)，能源干化占比略较高，达到31％。除却能源干化和机械脱水两种处理方式之外，由于减量化压力较大，采用于化焚烧这类迅速减量化方式项目的占比增大，由此出现焚烧污泥渣、焚烧飞灰填埋的方法；同時兴起污水处理厂剩余污泥经压滤机压滤进一步脱水后进行填埋的方法，增加了填埋场地的土地征用及巨大投资。虽是一种无害化、减量化的措施，却是土地、能源与废弃物资源的浪费，不符合资源节约型社会的原则。
又如：发展中的中国，达飞猛进的工农业发展及人们物质生活的提高，污水、污泥排放量更是年复一年的增多，如此数量巨大的城市脱水污泥压滤、焚烧后填埋消耗的土地与资金投入数额巨大；填埋场地引起的污水渗漏，cu、zu、pb及cd等重金属离子污染生态环境，污染河流、地表水，引起庄稼植物链重金属元素及病毒、病源体的吸收，给人们食后带来健康的隐患。污泥不仅是污水处理厂污水处理后的剩余脱水污泥，亦包括水利、环境和土木工程中大量产生的废弃土。污泥的污染如得不到妥善处理，对环境与人类造成二次污染的危害是巨大的！这正是更多的已经产生的多种固体污泥无害化处理和资源化利用的技术难题。
目前，我国大量兴建的高速公路、一级、两级公路、乡间村道建设中需要使用数量巨大、不可再生的砂石和粘土资源作为路基的填筑材料，通常是劈山采石、征地取土的方式作路基填筑材料。这对经济发达的东部地区，砂石与土地资源十分紧缺的情形中，这种劈山采石、毁地筑路的建设模式，是对人们赖以生存的土地资源的蚕食，生态环境平衡及自然资源的破坏，无疑是杀鸡取卵的作法，不符合建设资源节约型社会国策，应受一定的限制或制约。
如若能使脱水污泥与尾矿、煤渣等固体废弃物合利的资源化利用，用作路基填筑材料，才是改弦更张的科学方法；替代砂石、粘土用作路基填筑材料，降低了不可再生的砂石、土地资源消耗，对于节约投资、优化路基工程质量利在当今，具有重要的技术价值，经济效益、环境与社会效益显著。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是为了进一步深化污水处理厂污水处理后的剩余脱水污泥的再生利用问题，提供一种脱水污泥固化剂、制备方法与使用方法。
该固化剂采用铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石为原料，经原料的预处理后按原料配比、相互混合的制备方法成为污泥固化剂，按处理污泥量的比例在脱水污泥中添加污泥固化剂、进行充分混合的方法、使用固化剂；利用污泥与尾矿、固体废弃物自身化学功能及活性成分的相互间的活性激发与凝石固化剂的固化作用，实现脱水污泥的固化、稳定化。固化后的脱水污泥用作路基填筑材料。
本发明的脱水污泥来源于污水处理厂管网引入的生活污水与工业污水，经泥水分离、沉淀、压滤等工艺脱水处理后剩余的含水率低于85％的脱水污泥，含有一定量的sio2、al2o3、cao等无机活性成分。各地污水处理厂因区域环境、工业属性、人们生活质量与习惯的不同，产生的污泥化学成分及含量不仍相同。
本发明的脱水污泥固化剂选用铁矿尾矿为原料，铁矿尾矿分为单金属类铁尾矿和多金属类铁尾矿。本发明选用的是单金属类铁尾矿，产于鞍山的高硅型单金属类铁尾矿，该类型铁尾矿是排弃产量最大的铁尾矿类型，属于此类的选矿厂还有本钢南芬、歪头山、鞍钢东鞍山、齐大山、弓长岭、大孤山、首钢大石河、密云、水厂、太钢峨口、唐钢石人沟、棒磨山等矿山。
本发明的脱水污泥固化剂选用的煤渣，是从工业和民用锅炉及其他燃煤设备所排出的废渣(主要以燃煤发电厂、冶炼工业、化肥厂造汽炉及北方地区民用锅炉等燃煤供热排弃的煤渣)。目前该类废渣在我国分布很广，利用量远没有排出量大。弃置堆积时还会放出含硫气体污染大气及危害环境。
本发明的脱水污泥固化剂选用的磷石膏，是磷酸或磷工业以及其某些洗涤剂产业排放的工业废渣；磷石膏主要成分为二水硫酸钙(caso4·2h2o)，此外还含有多种其他杂质，杂质多呈灰白色，有的呈黄色和灰黄色不溶性杂质，如石英、未分解的磷灰石、不溶性p2o5、共晶p2o5、氟化物及氟、铝、镁的磷酸盐和硫酸盐。可溶性杂质；如水溶性p2o5，溶解度较低的氟化物和硫酸盐。此外，磷石膏中还含砷、铜、锌、铁、锰、铅、镉、汞、及放射性元素，均极其微量，且大多数为不溶性固体，其危害性可忽略不计；磷石膏中所含氟化物、游磷酸、p2o5、磷酸盐等杂质是导致磷石膏在堆存过程中造成环境污染的主要因素。磷石膏的大量堆存，不仅侵占了土地资源，而且由于风蚀、雨蚀造成了大气、水系及土壤的污染，导致生态环境污染及人类健康的危害。
磷石膏密度为2.05g/cm3，容重0.85n/m3，是一种多组分的复杂晶体。通常情况下，湿法生产1吨磷酸，产生4.5～5.5吨磷石膏。磷石膏是潮湿的细粉末，95％的颗粒小于0.2mm，在空气中或常温、干燥、干热环境中易结块成团，自由水含量20～30％，ph值一般在4.5以下，呈酸性。
本发明的脱水污泥固化剂选用凝石作胶凝剂，凝石是由清华大学、中国矿业大学和北京蓝资科技有限公司联合研制开发的新型胶凝材料(专利申请号02158190.8)。2004年由吉林通化蓝资科技有限公司受让生产。凝石制品是水泥的替代品，制品的强度等各项性能指标均达到或超过同类水泥制品。
本发明的污泥固化剂，由铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石组成，成分按质量比为铁矿尾矿∶煤渣∶磷石膏∶凝石＝(1～3)∶(1～3)∶(1～3)∶(1～4)进行混合；其中，铁矿尾矿采用的是鞍山高硅型单金属类铁尾矿，该铁矿尾矿的sio2硅品位含量高达75％～83％，一般不含有伴生元素，煤渣的sio2硅品位为40～50％，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏、凝石粒度均≤100目。
其中，煤渣还含有成分按质量百分比为：al2o330～35％、fe2o34～20％、cao1～5％及少量镁、硫、碳等。其矿物组成主要有钙长石、石英、莫来石、磁铁矿和黄铁矿、大量含硅玻璃体(al2o3·2sio2)和活性sio2、活性al2o3以及少量的未燃煤等；其中，磷石膏的主要成份为：二水硫酸钙(caso4·2h2o)，含量一般有90％以上，达到国家一级石膏标准；还含有al2o30.18％、fe2o30.045％、sio29.45％、p2o51.18％；其中，凝石是以经过高温过程的固体废弃物(粒化高炉钢渣、矿渣、粉媒灰等)为主要原料，加入特殊组分(配体)成岩剂，成岩剂为氢氧化鈉、硫酸钙、硫酸钠或硅酸钠的一种或一种以上物质经磨细制成的硅铝酸基水硬性粉状胶凝材料。
采用的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石因产地不同，同产地的不同批次出产的矿物质成分、有害物质含量及颗粒粒度大小、硬度不仍相同，指标也有不同。
本发明的脱水污泥固化剂制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铁矿尾矿、煤渣和磷石膏分别用水清洗后，在100～105℃条件下烘干5～7h；
步骤2、采用破碎机将铁矿尾矿、煤渣和磷石膏分别逐级破碎至1mm以下，再采用轮碾机分别进行碾研，凝石也经碾研；破碎、碾研后各种原料粒径均≤100目；
步骤3、在常温下，将经过处理后的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石按照脱水污泥固化剂的配比混合均匀，形成脱水污泥固化剂。
上述的脱水污泥固化剂的制备方法的步骤2中采用双转子破碎机将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏进行破碎，采用lnj_3600型细碎轮碾机进行碾研，凝石也进行碾研。
上述的脱水污泥固化剂制备方法的步骤2中，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石的轮碾机碾研時间均为3～5h，优选4h。
本发明的脱水污泥固化剂的使用方法，包括以下步骤：
将脱水污泥与脱水污泥固化剂，按质量比为1∶(0.04～0.08)加入到2lj系列双轴搅拌机，在常温下搅拌4～6min，搅拌均匀，实现脱水污泥的固化，固化后的脱水污泥用作路基的填筑材料。
所用的脱水污泥取自污水处理厂污水处理后的含水量底于85％的脱水污泥。
所用的铁矿尾矿是铁矿选矿厂在特定的工艺流程下，将铁矿原矿破碎、磨细，进而选取其中有价金属铁元素之后排弃的、堆积在尾矿库内的铁矿尾矿。
本发明的有益效果：
1、本发明的一种脱水污泥固化剂，应用于污水处理厂污水处理后剩余的脱水污泥的固化处理。采用铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石作为固化剂的原料，将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏分别用水清洗、烘干，分别逐级破碎后轮碾机碾研(消除应用物质因烘干、遇热硬化结块)，凝石也经碾研细碎的预处理优化工艺；水洗去除矿物质存在的有害可溶性盐的泥状物质，特别是磷石膏中所含氟化物、游磷酸、p2o5、磷酸盐等对环境有污染的杂质。消除废渣可溶性盐后继水化反应固化体系的不良影响，增强胶凝反应的速率，保证脱水污泥固化体系中活性氧化物的充分激发，污泥固化体系的稳定与强度的增强。
2、脱水污泥固化剂固化体系，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏的破碎、轮碾及凝石材料的轮碾物理处理方法，使铁矿尾矿、煤渣、磷石膏与凝石细碎均化、颗粒比表面积增大，形成表面破损、裂痕，污泥存在的水分子更易侵入所述矿物颗粒表面破损的裂痕内，稀释、溶解矿物颗粒内含的碱性活性成分，调节脱水污泥固化体系整体活性成分的均匀激发与激活，与脱水污泥颗粒存在的二氧化硅、三氧化铝、氧化钙、等活性氧化物紧密接触、溶合反应，污泥颗粒、矿物颗粒存在的氧化钙水化生成的ca(oh)2和凝石产生的有效活性凝胶共同化学反应作用下，生成硅铝酸基凝胶物质，从而产生整体胶凝作用，促使脱水污泥颗粒间的整体凝结；固化体系中的铁尾矿、煤渣、磷石膏、凝石及脱水污泥原始存在的重金属元素、病原体，由于硅铝酸基凝胶物质的整体胶凝作用与固化污泥作为路基使用前，筑路机械的压实物理作用，重金属元素在整体颗粒的压实与包裹作用下被整体固结，形成脱水污泥填充路基整体的密实性，实现脱水污泥的稳定固化，成为坚固的水不溶基层，增进填充物路基的整体强度。
3、该固化剂完全采用矿物固体废弃物为原料，原料来源广泛、充足，成本低廉，利用固体废弃物自身化学成分和相互间的超叠加效应，赋予混合填充材料活性组分的稀释分散作用、活性激发作用，使之形成多晶聚集体结构，使固化后的脱水污泥强度增强，成为筑路路基填筑材料，是废弃矿物质及废弃固体废物以废治废、变废为宝、废物资源化利用新的创举。
4、与传统筑路用土方法相比，采用本发明的固化剂，固化稳定性效果好，且制备工艺简单，固化后的脱水污泥对环境不造成二次污染。
5、本发明技术，坚持节土、省地、利废环保的政策原则，是响应建设资源节约型社会的积极行动，具有显著的社会、环境、经济效益，是循环经济技术领域里可持续发展的产业。
具体实施方式
实施例1
本实施例的脱水污泥固化剂，由铁矿尾矿、煤渣、磷石膏、凝石组成，成分按质量比为铁矿尾矿∶煤渣∶磷石膏∶凝石＝1∶1∶1∶1进行混合；其中，铁矿尾矿采用的是单金属类铁矿尾矿，铁矿尾矿的sio2硅品位含量为78％，一般不含伴生元素；煤渣的sio2硅品位为43％，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石粒度均≤100目。
煤渣还含al2o329％、fe2o37％、cao3％及少量镁、硫、碳等；其中，磷石膏的主要成分为二水硫酸钙含量为93％，此外，还含有各种其他杂质；其中，凝石为固化剂；由矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石和赤泥等的一种或一种以上的工业废弃物与成岩剂混合组成，成岩剂为氢氧化钠、硫酸钙、硫酸钠或硅酸钠的一种或一种以上物质经磨细而成。是一种硅铝酸基胶疑材料。
本实施例的脱水污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏，分别用水清洗后，在100℃条件下烘干6h；
步骤2、采用双转子破碎机将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏分别逐级破碎至1mm以下，再采用lnj_3600型细碎轮碾机进行碾研，凝石也进行碾研，碾研时间均为4h，破碎、碾研后各种物料粒径≤100目；
步骤3、在常温下，将经过处理后的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石按照脱水污泥固化剂的配比混合均匀，形成脱水污泥固化剂。
本实施例的脱水污泥固化剂的使用方法，包括以下步骤：
将脱水污泥投加到2lj系列双轴搅拌机，添加脱水污泥固化剂，脱水污泥与脱水污泥固化剂的质量比为1∶0.04，在常温条件下，开动搅拌机搅拌4min，搅拌均匀，实现脱水污泥的固化。
本实施例中固化后的脱水污泥在常温常压场地堆积3天后，采用万能试验机测量其坑压强度为61kpa；根据标准hj557_2010，采用水平震荡法，用ph计测量浸出液的ph，ph为7.05。
实施例2
本实施例的脱水污泥固化剂，由铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石组成，成分按质量比为铁矿尾矿∶煤渣∶磷石膏∶凝石＝2∶2∶1∶3进行混合；其中，铁矿尾矿采用的是单金属类铁矿尾矿，铁矿尾矿的sio2硅品位含量为79.2％，一般不含伴生元素；煤渣的sio2硅品位含量为40％，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石粒度均≤100目。
煤渣还含al2o332.3％、fe2o316％、cao2.2％及少量镁、硫、碳等；其中，磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，含量为92.7％，此外还含有各种其他杂质；其中，凝石为固化剂；由矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石和赤泥等的一种或一种以上的工业废弃物与成岩剂混合组成，成岩剂为氢氧化钠、硫酸钙、硫酸钠或硅酸钠的一种或一种以上物质经磨细而成，是一种硅铝酸基胶凝材料。
本实施例的脱水污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、铁矿尾矿、煤渣、磷石膏，分别用水清洗后，在105℃条件下烘干7h；
步骤2、采用双转子破碎机将铁矿尾矿、煤渣和磷石膏分别逐级破碎至1mm以下，再采用lnj_3600型细碎轮碾机进行碾研，凝石也进行碾研，碾研時间均为4h，破碎、碾研后各种物料粒径≤100目；
步骤3、在常温下，将经过处理后的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石按脱水污泥固化剂的配比混合均匀，形成脱水污泥固化剂。
本实施例的脱水污泥固化剂的使用方法，包括以下步骤：
将脱水污泥投加到2lj系列双轴搅拌机，添加脱水污泥固化剂，脱水污泥与脱水污泥固化剂的质量比为1∶0.07，在常温条件下，开动搅拌机搅拌4min，搅拌均匀，实现脱水污泥的固化。
本实施例中固化后的脱水污泥在常温常压场地堆积3天后，采用万能试验机测量其抗压强度为65kpa；根据标准hj557_2010，采用水平振荡法，用ph计测量浸出液的ph，ph为7.3。
实施例3
本实施例的脱水污泥固化剂，由铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石组成，成分按质量比为铁矿尾矿∶煤渣∶磷石膏∶凝石＝1∶1∶3∶3进行混合；其中，铁矿尾矿采用的是单金属类铁矿尾矿，铁矿尾矿的sio2硅品位含量为77.1％，一般不含伴生元素；其中，煤渣的sio2硅品位含量为42.4％，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石粒度均≤100目。
煤渣还含有al2o331.2％、fe2o36.7％、cao2.3％及少量镁、硫、碳等；其中，磷石膏的主要成分为二水硫酸钙含量为91.3％，此外，还含有各种其他杂质；其中，凝石为固化剂；由矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石和赤泥等的一种或一种以上的工业废弃物与成岩剂混合组成，成岩剂为氢氧化钠、硫酸钠或硅酸钠的一种或一种以上物质经磨细而成，是一种硅铝酸基胶凝材料。
本实施例的脱水污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏分别用水清洗后，在105℃条件下烘干7h；
步骤2、采用双转子破碎机将铁矿尾矿、煤渣、磷石膏分别破碎至1mm以下，采用lnj_3600型细碎轮碾机分别进行碾研，凝石也经碾研，碾研时间均为4h，破碎、碾研后各种物料粒径均≤100目；
步骤3、在常温下，将经过处理的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石按照脱水污泥固化剂的配比混合均匀，形成脱水污泥固化剂。
本实施例的脱水污泥固化剂的使用方法，包括以下步骤：
将脱水污泥投加到2lj系列双轴搅拌机，添加脱水污泥固化剂，脱水污泥与脱水污泥固化剂的质量比为1∶0.08，在常温条件下，开动搅拌机6min，搅拌均匀，实现脱水污泥的固化。
本实施例中固化后的脱水污泥在常温常压场地堆积3天后，采用万能试验机测量其抗压强度为69.3kpa：根据标准hj557_2010，采用水平震荡法，用ph计测量浸出液的ph，ph为8.2。
实施例4
本实施例的脱水污泥固化剂，由铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石组成，成分按质量比为铁矿尾矿∶煤渣∶磷石膏∶凝石＝1∶1∶2∶4进行混合；其中，铁矿尾矿采用的是单金属类铁矿尾矿，铁矿尾矿的sio2硅品位含量为81％，一般不含伴生元素；煤渣的sio2硅品位含量为48.8％，铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石粒度均≤100目。
煤渣还含有al2o333.9％、fe2o318.1％、cao3.8％及少量镁、硫、碳等；其中，凝石为固化剂；由矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石和赤泥等的一种或一种以上的工业废弃物与成岩剂混合组成，成岩剂为氢氧化钠、硫酸钙、硫酸钠或硅酸钠的一种或一种以上物质经磨细而成。是一种硅铝酸基胶凝材料。
本实施例污泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将铁矿尾矿、煤渣和磷石膏，分别用水清冼后，在105℃条件下烘干6h；
步骤2、采用双转子破碎机将铁矿尾矿、煤渣和磷石膏分别破碎至1mm以下，采用lnj_3600型细碎轮碾机分别进行碾研，凝石也经碾研，碾研时间均为4h，破碎、碾研后各种物料粒径均≤100目；
步骤3、在常温下，将经过处理后的铁矿尾矿、煤渣、磷石膏和凝石按照脱水污泥固化剂的配比混合均匀，形成脱水污泥固化剂。
本实施例的脱水污泥固化剂的使用方法，包括以下步骤：
将脱水污泥投加到2lj系列双轴搅拌机，添加脱水污泥固化剂，脱水污泥与脱水污泥固化剂的质量比为1∶0.04，在常温条件下，开动搅拌机搅拌5min，搅拌均匀，实现脱水污泥的固化。
本实施例中固化后的脱水污泥在常温常压场地堆积3天后，采用万能试验机测量其抗压强度为82.2kpa；根据标准hj557_2010，采用水平震荡法，用ph计测量浸出液的ph，ph为8.4。