一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料

本发明属于环境保护工程
技术领域：
，具体涉及一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料。
背景技术：
：自来水厂产生的余泥(wtr)90％以上是富含铝铁絮凝剂的副产物，余泥里面24％～46％都是铝成分，其余的为泥沙，属于一般固体废物，是一种相对清洁的泥。近年来，在欧盟和美国、加拿大等地区都被认为是一种可循环利用的物质。但目前国内自来水厂产生的余泥大多数都送去填埋，不仅仅占用了宝贵的土地资源，而且由于污泥浓缩、离心脱水后的含水率为70％～85％，无法满足《垃圾填埋场混合填埋泥质标准》(gb/t23485—2009)要求，提高了运输和填埋费用，因此寻找自来水厂余泥的再生利用技术是当务之急。目前，自来水厂余泥(wtr)的处置与利用有以下几种：第一种方法是将脱水后的余泥运到填埋场作为一般固废填埋，即直接填埋或作为垃圾填埋场的覆土。虽说wtr可以满足垃圾填埋场覆土的卫生要求，对恢复垃圾填埋场的土地使用有一定的优势，但由于城市化的快速发展，能够用于填埋的土地越来越少，运距越来越远，成本也越来越高，填埋属于不可持续的处置模式，将逐渐淘汰。第二种方法是将wtr不经过脱水直接送入污水管网，由城市污水处理厂处理。美国由大约8％左右的自来水厂直接将wtr排入污水管网。研究表明wtr混入生活污水对城市污水处理并无明显的不利影响相反还有一定的促进作用，水厂的污泥大部分会在初沉池中沉淀下来，因而提高了初沉污泥数量，降低了初沉污泥中有机物含量的比例，从而使其更易沉降，这也是加入wtr后出水悬浮固体和浊度降低的原因。另有文献记载wtr的加入会提高污水处理对磷的去除率。但是这种方法只适合于某些中小型水厂，否则污水厂将不堪重负。另外必须认真考虑wtr在下水道中可能沉积阻塞的问题。第三种方法是专门铺设输送管道，将wtr直接送到污水厂，与生活污泥混合进行调节脱水。由于给水污泥脱水性能远优于污水污泥，它可以起调节作用提高污泥的可脱水性。这个方法很好，但是实现起来非常困难。因为自来水厂和污水处理厂相距甚远，管道建设的成本远远大于经济效益，因此仅有极少数应用案例。第四种方法是将wtr制成建筑材料，主要包括制造砖、水泥、陶粒等。但这些建材生产对wtr的要求高，往往需要经过预处理，加入添加剂等工艺，制作成本远远高于普通的原材料，所以在没有政府补贴的情况下，很难维持。第五种方法是将wtr作为人工湿地的填料，这是近年来国外研究的热点课题之一。我国70％以上的自来水厂都采用硫酸铝作为混凝剂来去除原水中的浊度，硫酸铝的消耗量依据水源水质的不同，从30mg/l到60mg/l，甚至更高，因此wtr里面铝的成分约为30％左右，而铝是磷的吸附剂，作为人工湿地的介质可以大大提高对污水或雨水中磷的去除率。吸附在wtr中的磷是植物生长的营养素，有利于植物的健康生长。目前人工湿地分为表流湿地和潜流湿地两类，从处理效果上来说，潜流湿地高于表流湿地，但wtr几乎全部为颗粒小的粘粒组成，其渗透率达不到潜流湿地的要求，故只能作为表流湿地的介质，在湿地应用中有一定的局限性。第六种方法是将wtr作为种植土使用，一般wtr中铝的含量超过了农业种植土标准，所以只能作为城市绿化用土。但是wtr是以黏土细粒土为主的聚合物，有机物含量低，渗透性差，不利于植物生长，所以很难为园林部门所接受，和传统的种植土相比，没有什么市场优势。大多数情况只能作为回填土使用。大量研究表明，自来水余泥基本上是由絮凝沉淀下来细小的粘粒(硅)和纤维组成，其中铝的含量大于30％，与粘粒结合在一起。这种余泥脱水后板结成泥块，渗透性几乎为零，一般都送固废填埋场处置，不仅成本高，而且是一种资源浪费。因此，需要研制一种自来水厂余泥处理的方法，更好地解决余泥出路，并进行废物再利用，提供一种绿色环保的工艺。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料，并将余泥制作成颗粒状生物滞留设施介质层填料用于园林绿化，解决自来水厂余泥出路的同时还能提供低成本、质量稳定的海绵城市建设中最广泛使用的生物滞留设施如雨水花园、绿色屋顶、高位花坛、生物植草沟的生长介质。本发明的技术方案是：一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料。进一步地，所述的一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料由自来水厂余泥和生物固化剂制备而成。更进一步地，其工艺步骤如下：s1：将经纯水稀释的生物固化剂以0.1～3％的比例喷洒在未脱水烘干的自来水长余泥中，并在湿度较高，余泥含水率约为80％的情况下混合，搅拌均匀，得混合料1；s2：通过脱水干燥手段，将步骤s1中的混合料1含水率降至40％以下，得混合料2；s3：将步骤s2所得的混合料2经铲车或传送带送入造粒机中造粒，得粒径为0.1cm—1cm的颗粒；s4：将步骤s3所得的颗粒经过再次干燥，将含水率降至20％即可进行包装使用。进一步地，所述的生物固化剂包括如下组分及其重量百分比：组合物46～53％、2.7～3.4％寡糖、1.8～2.1％多糖、4.6～5.2％双糖、7.7～8.2％单糖、3.8～4.1％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和21.5～30.9％纯水组成。更进一步地，所述的生物固化剂由如下组分及其重量百分比：组合物50％、3％寡糖、2％多糖、5％双糖、8％单糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水组成。进一步地，所述的生物固化剂中的组合物由如下组分及其重量百分比组成：60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％α-淀粉酶。进一步地，所述的生物固化剂中的寡糖为壳聚寡糖、多糖为短梗霉多糖、双糖为海藻糖、单糖为氨基葡萄糖。进一步地，所述的生物固化剂与纯水以1：200的比例进行稀释。进一步地，所述的步骤s2中的脱水干燥手段为板框压滤、带式压滤、转筒式干燥、温室干燥、低温热泵烘箱烘干中的一种或几种。进一步地，所述步骤s2中的脱水干燥手段为使用低温热泵烘箱进行脱水烘干；所述步骤s4中的再次干燥为自然晾晒。进一步地，所述步骤s3中的造粒机是圆盘造粒机、对辊造粒机、搅齿造粒机、滚筒式造粒机、挤压式造粒机或搅齿造粒机中的一种。进一步地，所述的造粒机是圆盘造粒机、对辊造粒机、搅齿造粒机、滚筒式造粒机、挤压式造粒机或其他类型的造粒机中的一种。进一步地，所述的造粒机是搅齿造粒机。自来水厂余泥中一般含有四种水：(1)内部结合水，也称化学水，它结合在晶体结构中，因此与余泥中矿物质结合在一起，不能通过干燥将其排出，它可以被视为余泥的组成部分。(2)间隙水，它是指被大小余泥颗粒包围的水分，它不与余泥直接结合，它可以通过机械或干燥而部分排出，但不能完全排出。当干燥的余泥冷却后或机械压滤后，它会根据环境空气的湿度重新吸收水。(3)毛细结合水，它是通过表面张力保持在余泥颗粒空隙中的水，这些水是通过表面张力保持在颗粒之间的接触点上，或者可以作为孔隙水或游离水在毛细管和较大的空隙中移动，其较难与余泥分离。(4)表面粘附水，它是指粘附在污泥小颗粒表面的水分，此类水分比毛细结合水更难分离。因此，为尽可能保证排出余泥中水分的同时避免余泥造粒后由粘粒特性引起的膨胀和收缩行为，减小粘粒水膜的厚度或破坏水膜，离子交换法是成本较低且永久的一种方法。本发明中选用的是由50％组合物、3％壳聚寡糖、2％短梗霉多糖、5％海藻糖、8％氨基葡萄糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水组成的生物固化剂。此生物固化剂中的组合物为60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％α-淀粉酶的组合物，二者以一定比例混合后可起协同作用，加强反应效果，能够有效降低水的表面张力，减小粘粒水膜的厚度或破坏水膜，借助与有机分子结合生成的中间产物来与粘土结构发生交换反应，将其中的水分排出，促使土颗粒集聚和团粒化，将团粒化颗粒进一步胶结，使余泥中有机物中的纤维碳化，增加对污染物的吸附能力。此生物固化剂中单糖、双糖、寡糖、多糖等多种糖类则能够有效改变土壤菌群，促进有益微生物的生长与植物对营养元素的吸收利用，同时防治植物病害，使水厂余泥颗粒介质更利于植物生长。与现有技术相比，本发明提供的一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料，具有以下优势：(1)满足或超过住建部海绵城市建设指南对生物滞留介质的物理指标。目前生物滞留介质要求孔隙率在30％以上，渗透率短期大于150mm/hr，长期不小于80mm/hr。而本申请实施例1～3制得的由自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料孔隙率为30～40％及以上，饱和渗透率大于500mm/hr，并且使用此生物固化剂造成的颗粒可在水中浸泡而不散，不会形成粘土层而降低渗透率。(2)满足或超过住建部海绵城市建设指南生物滞留设施对污染物去除的标准。海绵城市建设指南要求生物滞留设施需要去除50％以上的ss，对营养物去除没有要求。而本申请最佳实施例1制得的由自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料对水质悬浮物去除率为92.31％，对总氮的去除率为72.31％，对氨氮的去除率为70.07％，对大肠杆菌的去除率为98.18％。(3)满足景观设计师对植物种植的要求。基于河沙的生物滞留介质土除了添加20％的椰糠外，一般保水能力较差，所以对植物的选择要求很高，既要能够耐旱，也要能够耐涝。而由自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料具有较高的保水功能，对营养物的吸附效率远远高于基于河沙的介质土，因此适用于大多数景观种植的植物，并提供充足的养分和水分。景观设计师亦可以根据自己的爱好，打造出既有海绵功能，又有美感的各种景观。附图说明图1为实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为高位花坛填料时，于3月18日进行渗透效率测定；图2为实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为高位花坛填料时，于7月5日进行渗透效率测定；图3为实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为雨水花园填料时，于3月18日进行渗透效率测定；图4为实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为雨水花园填料时，于7月5日进行渗透效率测定。具体实施方式以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。其中，本发明所用的聚氧乙烯脂肪醇醚采购于河南祥发化工产品有限公司，货号aeo-9，cas号：68131-39-5，平均分子量590；壳聚寡糖采购于兰州沃特莱斯生物科技有限公司；其余试剂均为常用试剂，均可在常规试剂生产销售公司购买。实施例1一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料s1：将由50％组合物、3％壳聚寡糖、2％短梗霉多糖、5％海藻糖、8％氨基葡萄糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水组成的生物固化剂与纯水以1：200的比例进行稀释，随后将经纯水稀释的生物固化剂以1.6％的比例喷洒在未脱水烘干的自来水长余泥中，并在湿度较高，余泥含水率约为80％的情况下混合，用污泥处理搅拌机均匀搅拌均匀，得混合料1；所述的组合物为60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％α-淀粉酶；s2：通过使用低温热泵烘箱进行脱水烘干，将步骤s1中的混合料1含水率降至40％以下，得混合料2；s3：将步骤s2所得的混合料2经铲车或传送带送入搅齿造粒机进行造粒，得粒径为0.1cm～1cm的颗粒；s4：将步骤s3所得的颗粒经过自然晾晒干燥，待含水率降至20％即可进行包装使用。实施例2一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料s1：将由46％组合物、2.7％壳聚寡糖、1.8％短梗霉多糖、4.6％海藻糖、7.7％氨基葡萄糖、3.8％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和30.9％纯水组成的生物固化剂与纯水以1：200的比例进行稀释，随后将经纯水稀释的生物固化剂以2％的比例喷洒在未脱水烘干的自来水长余泥中，并在湿度较高，余泥含水率约为80％的情况下混合，用污泥处理搅拌机均匀搅拌均匀，得混合料1；所述的组合物为60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％α-淀粉酶；s2：通过使用低温热泵烘箱进行脱水烘干，将步骤s1中的混合料1含水率降至40％以下，得混合料2；s3：将步骤s2所得的混合料2经铲车或传送带送入搅齿造粒机进行造粒，得粒径为0.1cm～1cm的颗粒；s4：将步骤s3所得的颗粒经过自然晾晒干燥，待含水率降至20％即可进行包装使用。实施例3一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料s1：将由53％组合物、3.4％壳聚寡糖、2.1％短梗霉多糖、5.2％海藻糖、8.2％氨基葡萄糖、4.1％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和21.5％纯水组成的生物固化剂与纯水以1：200的比例进行稀释，随后将经纯水稀释的生物固化剂以2.5％的比例喷洒在未脱水烘干的自来水长余泥中，并在湿度较高，余泥含水率约为80％的情况下混合，用污泥处理搅拌机均匀搅拌均匀，得混合料1；所述的组合物为60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％α-淀粉酶；s2：通过使用低温热泵烘箱进行脱水烘干，将步骤s1中的混合料1含水率降至40％以下，得混合料2；s3：将步骤s2所得的混合料2经铲车或传送带送入搅齿造粒机进行造粒，得粒径为0.1cm～1cm的颗粒；s4：将步骤s3所得的颗粒经过自然晾晒干燥，待含水率降至20％即可进行包装使用。对比例1一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料对比例1制备步骤实施例1类似；生物固化剂组分为50％组合物、3％壳聚寡糖、2％短梗霉多糖、5％海藻糖、8％氨基葡萄糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水；其中组合物为60％聚氧乙烯脂肪醇醚和40％β-淀粉酶组成。与实施例1相比，对比例1的区别在于，所使用的组合物不同，对比例1以β-淀粉酶代替实施例1中的α-淀粉酶。对比例2一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料对比例2制备步骤实施例1类似；生物固化剂组分为50％组合物、3％壳聚寡糖、2％短梗霉多糖、5％海藻糖、8％氨基葡萄糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水；其中组合物为60％甲基丙烯酰基乙基甜菜碱和40％α-淀粉酶组成。与实施例1相比，对比例2的区别在于，所使用的组合物不同，对比例2以甲基丙烯酰基乙基甜菜碱代替实施例1中的聚氧乙烯脂肪醇醚。对比例3一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料对比例1制备步骤实施例1类似；生物固化剂组分为50％组合物、3％壳聚寡糖、2％短梗霉多糖、5％海藻糖、8％氨基葡萄糖、4％乳酸、1.5％氯化钾、1％硫酸镁和25.5％纯水；其中组合物为30％聚氧乙烯脂肪醇醚和70％α-淀粉酶组成。与实施例1相比，对比例1的区别在于，所使用的组合物组成重量百分比不同。试验例一污染物去除效果通过委托青岛顺昌检测评价有限公司，测定本申请实施例1～3所制得的颗粒状生物滞留设施介质层填料前后的水样中化学需氧量浓度、氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度、悬浮物浓度、大肠菌群浓度。检测仪器和染物去除效果评价内容与方法分别如表3、表4所示，试验结果如表5所示：表3检测仪器表4污染物去除效果评价内容与方法检测结果：表5污染物去除效果检测结果如表5所示，对实施例1～3所制得的颗粒状生物滞留设施介质层进行水质净化效果试验，由于原污水水样中总磷含量过低，引起实施例1、实施例3的试验误差，出现了总磷含量反增的情况。但反增后总磷含量仍处于地表水环境i类水标准，且根据前期污水浓度较高实验可知，水厂余泥颗粒介质对总磷具有良好的去除效果。结合上述试验结果可知，实施例1的污染物综合去除效果最佳，为本申请的最佳实施例。本申请所研制的实施例1自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料，其悬浮物去除率为92.31％，对氨氮的去除率为70.07％，对总氮的去除率为72.31％，对大肠杆菌的去除率为98.18％，超过住建部海绵城市建设指南生物滞留设施对污染物去除的标准。试验例二土壤孔隙率及饱和渗透率1、选取本申请实施例1～3和对比例1～3所制得的颗粒状生物滞留设施介质层进行土壤孔隙率及饱和渗透率检测，其具体评价内容与要求、实验结果分别如表1、表2所示：表1渗透性能评价内容与要求表2孔隙率及饱和渗透率组别孔隙率(％)饱和渗透率(mm/h)实施例143833实施例233587实施例338745对比例11356对比例2947对比例3294872、检测结果：由上述试验结果可知，由本申请所研制的自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料实施例1，其土壤孔隙率为43％，饱和渗透率为833mm/h，超过住建部海绵城市建设指南对生物滞留介质的物理指标。相较于对比例1～3而言，本申请实施例1～3所制得的颗粒状生物滞留设施介质层的孔隙率、饱和渗透率效果均更加优异，这表明本申请所使用的生物固化剂造成的颗粒可在水中浸泡而不散，不会形成粘土层而降低渗透率。试验例三土壤渗透率性能评价为确认产品的实际应用效果，于珠海前山水质净化厂内进行产品应用，建设lid设施监测研究基地。在填装了实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层土的高位花坛、雨水花园等海绵设施内进行现场植物培植，并对填装入高位花坛、雨水花园的介质层土渗透性能进行土壤渗透率评价。1、土壤渗透率检测：使用turf-tec土壤渗透率测定仪，分别在2020年3月18日和7月5日对实施例1所制得的由自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料进行定点的人工测定。测定开始时用水注满金属外环和内环，待渗透仪浮球漂浮至内环的顶端后按键开始计时，外环由于不透水形成了一个水隔离区，而内环中的金属球随着时间增加，水不断地往土壤下渗，直到金属浮球落至内环底部时停止计时，记录标尺读数及对应的时间，最后结合相应的计时和标尺读数可计算出特定点的土壤渗透率，计算公式k＝h/t，式中k为饱和渗透率(mm/h)，h为标尺读数(mm)，t为计时读数(h)。2、检测结果：如图1～4所示，选用实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为高位花坛、雨水花园填料进行渗透率检测，每次渗透率检测试验分别进行25次灌水，并绘制出灌水次序—下渗速率曲线图，图中横坐标为灌水次序序号，纵坐标为对应次序检测所得的渗透率。根据灌水次序—下渗速率曲线图发现，土壤下渗速率大约在第11次灌水试验后开始趋于稳定，稳定后各序次的土壤下渗速率浮动幅度相对较小(第12～25次测定结果)。选取最后3次检测结果的平均值，即为实施例1所制得的颗粒状生物滞留设施介质层作为高位花坛、雨水花园填料时的平均饱和渗透率，分别为835mm/h、760mm/h、916mm/h、821mm/h。试验例四植物生长性能评价于试验田和实验盆中填入足量的本申请实施1所制得的自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料，并进行植物种植，且对植物生长性能进行检测。移栽植物前，进行不定量浇水处理，使土壤保持不同的湿润程度，随后进行植物种植，每种植物种植3株进行对比观测，另设置3株使用普通原状土壤进行比较，为期一年。植物生长性能评价内容与要求和植物生长情况记录分别如表6、表7所示：表6植物生长性能评价内容与要求表7植物生长情况记录根据种植试验记录结果，常见的常绿灌木、落叶灌木、宿根地被及观赏草均可正常生长于水厂余泥颗粒介质中，且由于颗粒介质具有良好的透气性与保水性，多数植物的生长效果优于在普通种植土中培育的对比组。由此可见，本申请所研制的一种自来水厂余泥制作的颗粒状生物滞留设施介质层填料，不仅更好地解决了余泥的出路，并将废物进行再利用，提供了一种绿色环保的工艺。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12