市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法
【专利摘要】本发明涉及市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，属于环境岩土工程领域,包括以下步骤：1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01?1重量份的光催化剂、0.1?2重量份的萃取剂、1?10重量份的吸波剂、0.1?10重量份的激发剂、0.1?20重量份的碱性固化剂和0.001?2重量份的重金属固化剂；2、将市政脱水污泥与添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂、激发剂、碱性固化剂和重金属固化剂进行混合；3、混合后的市政脱水污泥处理颗粒状；4、将污泥放入微波炉进行微波光催化一体化处理。本发明具有高效降低有机质、固化重金属、污泥体积减量大等优势,变废为宝，可极大的缓解目前势态严峻的市政污泥处理局势。
【专利说明】
市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法
技术领域
[0001]本发明涉及属于环境岩土工程领域，具体涉及一种市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法。
【背景技术】
[0002]市政脱水污泥是污水处理的主要副产物，其产生量急剧增长，很多城市已经形成“污泥围城”之势，市政脱水污泥具有容量大、不稳定等特点，其中的固相有机质因为含量高达38%，且分子量大、沸点高、难降解，特别容易发生腐败变质而变得恶臭，对人体有毒有害，不处理或处置不当将导致污染水入侵地下水、恶臭气体侵蚀大气等严重的二次污染事故。
[0003]市政脱水污泥的处理技术、工艺及装备的发展仍受经济水平发展的制约，不堪巨额处理费用而作出的“重水轻泥”思想业已导致严重的环境污染。污泥处理通常采用的填埋、土地利用、焚烧等方法已经引起了恶劣的环境污染、惨重的人员伤亡和巨额的财产损失，污泥处理陷入困境。
[0004]卫生填埋这种处置方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强。但是污泥填埋也存在一些问题，尤指填埋渗滤液和气体的形成。渗滤液是一种被严重污染的液体，如果填埋场选址或运行不当会污染地下水环境。填埋场产生的气体主要是甲烷，若不采取适当措施会引起爆炸和燃烧。
[0005]污泥土地直接利用因投资少、能耗低、运行费用低、有机部分可转化成土壤改良剂成分等优点，被认为是最有发展潜力的一种处置方式，科学合理的土地利用，可减少污泥带来的负面效应。林地和市政绿化的利用因不易造成食物链的污染而成为污泥土地利用的有效方式。污泥用于严重扰动的土地的修复与重建(如矿场土地、森林采伐场、垃圾填埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地)，减少了污泥对人类生活的潜在威胁，既处置了污泥又恢复了生态环境。
[0006]湿污泥干化后再直接焚烧应用得较为普遍，没有经过干化的污泥直接进行焚烧不仅十分困难，而且在能耗上也是极不经济的。以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的污泥处理方法之一，它能使有机物全部碳化，杀死病原体，可最大限度地减少污泥体积;但是其缺点在于处理设施投资大，处理费用高，设备维护成本高，而且产生强致癌物质二恶英。
[0007]分析我国污泥处理的现状，存在的主要技术难题是:①有机质厌氧消化操作稳定性差，消化率低，消化产气的利用技术不配套;②处置过于依赖农用，但由于缺乏有效的组织，事实上以无序弃置为主，造成主要由有机质引起的二次污染危害程度相当大;③由于没有有效的脱水技术，脱水污泥的含水率较高。一种有效的处理与处置技术，应当兼顾到环境生态效益与处理成本的均衡。将来的污泥处理技术必须具有较好的资源经济性，即少消耗能源、少占用土地和减少二次污染物的排放等，以满足人类社会的可持续发展的需要。充分利用污泥中的有用成分，将它变废为宝，以废治废，走污泥资源化的道路是当今世界污泥处理与处置技术发展的方向。
[0008]我国市政脱水污泥处理主要存在处理率低、工艺不完善、技术单一、装备水平落后、处置保障率、资源化利用率低以及二次污染风险大等问题。因此，必须改进和革新市政脱水污泥处理工艺。20世纪90年代后，国内外学者开始将微波技术引入污水污泥处理。传统观点认为，微波处理方法的缺点是不能进行污泥干燥全处理，而仅仅是前处理过程利用微波技术，相对于热干燥处理其经济性不佳，难以大批量处理，并且还要注意辐射泄露。
[0009]关于污泥的典型的研究如下:傅大放等用输出功率为750W的微波辐射浓缩池污泥发现，辐射45min污泥含水率可降为36%。邹路易等用微波辐射浓缩池污泥的研究表明，当电耗小于0.2X10—3kW.h时污泥含水率仍在80%以上，电耗达0.35 X 10—3kW.h时污泥含水率可降至60%。田禹等研究了微波辐射处理对污泥结构和脱水性能的影响。MENNEDEZ等对微波制备活性炭的可行性进行了分析。Gan进一步证明:微波干燥重金属氢氧化物沉淀污泥时，对其中重金属Cu2+、Zn2+、Ni2+、Cr3+和Pb2+有明显固定作用。Tai HS证明了微波辐射对土壤中重金属络的固定效果，满足美国环境保护署规定5mg/L的浸出最高浓度要求。在污泥有机物和重金属检测方面，有少量的研究报道，比如采用Tessier五步萃取法分析城市污水厂污泥中重金属的形态分布、采用微波辅助萃取/高效液相色谱法测定深圳市龙岗区供水集团有限公司各水厂的沉淀池和回收水池池底污泥中烷基酚类和烷基酚聚氧乙烯醚类化合物的浓度等。但这些检测实验的污泥用量一般都是30ml左右，所使用的微波炉设备简陋，有的还使用家用微波炉，工业化污泥微波萃取尚未见报道。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是提供一种市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法。
[0011]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0012]—种市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，包括以下步骤:
[0013]步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-1重量份的光催化剂、0.1-2重量份的萃取剂、1-10重量份的吸波剂、0.1-10重量份的激发剂、0.1-20重量份的碱性固化剂和0.001-2重量份的重金属固化剂；
[0014]步骤S2、将市政脱水污泥与步骤SI添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂、激发剂、粘结剂和重金属固化剂进行均匀混合；
[0015]步骤S3、将步骤S2混合后的市政脱水污泥处理成颗粒状；
[0016]步骤S4、将污泥颗粒放入微波炉进行微波光催化一体化处理，并回收处理过程中产生的废气。
[0017]本发明的有益效果是:本发明的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法具有高效降低有机质、快速脱水、重金属固化、污泥体积减量大等优势，变废为宝，固化剂、吸波剂、光催化剂和绿色萃取剂等物质能使污泥体系的温度超过了 300°C，微波能量能破坏污泥及其有机质本身复杂的结构，60%以上的污泥有机质被降解、催化氧化、萃取出来，最终可将污泥中的水分降低80%以上。同时，在微波处理过程中，废气主要是易于收集、回用的低分子无害物质，也无辐射遗留物存在，是一种十分安全无害的高新技术。本发明能将降解为低分子的有机质催化氧化或者萃取出来，具有成本低、同步低耗深度脱水、高温降解有机质、光催化活性有机质、萃取有机质、固化重金属和残余惰性有机质等多项优点。
[0018]进一步的，所述步骤SI的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌或其混合物。
[0019]采用上述进一步方案的有益效果是:本发明针对污泥中活性有机质、惰性有机质、水分等的特点，将氧化能力强、具有一定磁性的无毒光催化剂二氧化钛、纳米氧化锌引入到污泥中，再污泥混合物进行微波处理，明显加快了处理速率，能大幅度的增强微波处理的效果O
[0020]进一步的，所述步骤SI的吸波剂是微波干化市政脱水污泥。
[0021]采用上述进一步方案的有益效果是:利用市政脱水污泥中残余惰性有机质的特点，将其制备微波干化市政脱水污泥吸波剂，不仅提高了微波的加热效率和污泥体系温度，而且大大提高了污泥的使用率。
[0022]进一步的，所述步骤SI的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。
[0023]采用上述进一步方案的有益效果是:使用了萃取剂，加速了低分子有机质和分解的有机质的溶解和萃取行为，能使污泥有机质含量降低60%。
[0024]进一步的，所述步骤SI的碱性固化剂是水玻璃。
[0025]采用上述进一步方案的有益效果是:采用水玻璃可以将污泥中的残余有机质、重金属和胶凝材料粘结起来，并获得高强度的微波聚合物。
[0026]进一步的，所述步骤S3中，将市政脱水污泥处理成的颗粒直径在5-50cm范围内。
[0027]采用上述进一步方案的有益效果是:可以根据处理后的污泥用途调整制品厚度，获得较好的微波固化速度。
[0028]进一步的，所述步骤S4中，微波功率范围为100W-7000W，微波处理时间范围为30S-1OOOSo
[0029]采用上述进一步方案的有益效果是:可以根据待处理的污泥总量多少确定微波的功率大小和微波时间。
【具体实施方式】
[0030]以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0031]微波能量是一种新型的绿色能源，在交变的微波电场作用下，具有极性的物质分子随电磁场的变化而发生变化，微波辐射高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞系统。微波加热的特点如下:
[0032]a.穿透性加热，加热速度快。其穿透的距离，在理论上与电磁波波长同数量级。微波加热是使被加热物体本身成为发热物体，称之为整体加热方式，不需要热传导的过程，因此能实现短时间内加热。微波加热时物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透电磁波，以产生热量，介质材料加热的无效性大大改善。
[0033]b.加热均匀。微波加热时，物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透微波产生热量。因此均匀性大大改善。可避免外焦内生、外干内湿现象。
[0034]c.选择性加热。微波对不同性质的物料有不同的作用，因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较底的部位;物料中水比干物质吸收微波的能力强，故水受热高于干物质，这有利于水分温度上升，促使水分蒸发，也有利于干物质发生过热现象，这对减小营养和风味的破坏极为有利。选择性加热的特点有:自动平衡吸收微波，避免物料加热干燥时发生焦化。
[0035]d.节能高效。微波对不同物质有不同的作用，微波加热时，被加热物一般都是放在金属制造的加热室内，加热室对微波来说是一个封闭的空腔，微波不能外泄;外部散热损失少，只能被加热物体吸收，加热室的空气与相应的容器都不会发热，没有额外的热能损耗，所以热效率极高；同时，工作场所的环境也不会因此升高，环境条件明显改善。所以节能、省电，一般可节省30 % —50 %。
[0036]e.易于控制。实现自动化生产微波加热干燥设备只要操作控制控制旋纽即可瞬间达到升降开停的目的。因为在加热时，只有物体本身升温，炉体、炉膛内空气均无余热，因此热惯性极小，没有热量损失，应用微机控制可对产品质量自动监测，特别适宜于加热过程中和加热工艺规范的自动化控制。
[0037]f.改善劳动条件，节省占地面积。微波加热设备无余热、无样品污染问题，容易满足食品卫生要求，本身又不发热、不辐射热量，所以大大改善了劳动条件，而且设备结构紧凑，节省厂房面积。
[0038]本发明提供了一种市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，包括以下步骤:
[0039]步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-1重量份的光催化剂、0.1_2重量份的萃取剂、1-10重量份的吸波剂、0.1-10重量份的激发剂、0.1-20重量份的碱性固化剂和0.001-2重量份的重金属固化剂；
[0040]步骤S2、将市政脱水污泥与步骤SI添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂、激发剂、粘结剂和重金属固化剂进行均匀混合；
[0041 ] 步骤S3、将步骤S2混合后的市政脱水污泥处理成颗粒状；
[0042]步骤S4、将污泥颗粒放入微波炉进行微波光催化一体化处理，并回收处理过程中产生的废气。
[0043]所述步骤SI的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌中任意一种或多种的混合物。
[0044]所述步骤SI的吸波剂是微波干化市政脱水污泥。
[0045]所述步骤SI的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。
[0046]所述步骤SI的激发剂是氯化镁、硫酸钠中任意一种或多种的混合物。
[0047]所述步骤SI的碱性固化剂是水玻璃。
[0048]现有的微波污泥处理方法一般是进行分析实验，污泥用量一般都是30ml左右，主要用于测定污泥内的里面的重金属、有机质含量等，分析用的微波炉内腔只有2-3L，加热功率700W左右。
[0049]本发明用的可以是拉门式微波炉，内腔20L-100L，每次用量约为2000ml，加热3-5分钟，功率可达7000w;本发明用的也可以是隧道式微波炉，内腔50L-200L，每次用量约为5000ml，加热3-5分钟，功率可达800000w。
[0050]本发明的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法具有节能高效、均匀加热、降解有机物、重金属固化、低温杀菌、污泥体积减量大等优势，重金属固化剂、吸波剂、光催化剂和绿色萃取剂等物质能使污泥体系的温度超过了 300°C，微波能量能破坏污泥及其有机质本身复杂的结构，污泥有机质被大量降解、催化氧化、萃取出来，污泥中的水分降低了80%以上，加速了固化过程，可以实现市政脱水污泥有机质降解、催化氧化、微波萃取和污染物固化一体化工艺。同时，在微波处理过程中，废气主要是易于收集、回用的低分子无害物质，也无辐射遗留物存在，是一种十分安全无害的高新技术。
[0051]本发明针对污泥中活性有机质、惰性有机质、重金属等的特点，将氧化能力强、化学性质稳定、价格低廉的无毒光催化剂二氧化钛引入到市政脱水污泥微波无害化处理工艺中，能将降解为低分子的有机质催化氧化或者萃取出来，具有成本低、同步低耗深度脱水、高温降解有机质、光催化活性有机质、萃取有机质、固化重金属和残余惰性有机质等多项优点。
[0052]本发明采用“以泥治泥、高值回用”的市政脱水污泥各组分微波综合处理思路。市政脱水污泥变频微波光催化一体化方法不仅实现了有机质的循环利用(活性有机质被催化氧化和萃取循环，惰性有机质连同污泥转化为吸波材料而循环利用)，重金属和絮凝材料等也经过水玻璃、微波双重固化转变为轻质建筑聚合体材料。
[0053]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-1重量份的光催化剂、0.1-2重量份的萃取剂、1-10重量份的吸波剂、0.1-10重量份的激发剂、0.1-20重量份的碱性固化剂和0.001-2重量份的重金属固化剂； 步骤S2、将市政脱水污泥与步骤SI添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂、激发剂、粘结剂和重金属固化剂进行均匀混合； 步骤S3、将步骤S2混合后的市政脱水污泥处理成颗粒状； 步骤S4、将污泥颗粒放入微波炉进行微波光催化一体化处理，并回收处理过程中产生的废气。2.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤SI的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌中任意一种或多种的混合物。3.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤SI的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。4.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤SI的吸波剂是微波干化市政脱水污泥。5.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤SI的激发剂是氯化镁和硫酸钠中任意一种或多种的混合物。6.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤SI的碱性固化剂是水玻璃。7.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤S3中，将市政脱水污泥处理成的颗粒直径在5-50cm范围内。8.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤S4中，微波温度范围为100-450°C。9.根据权利要求1所述的市政脱水污泥水玻璃微波双重固化制备轻质材料的方法，其特征在于，所述步骤S4中，微波光催化一体化处理时间范围为30S-1000S，微波温度范围为100ff-7000ffo
【文档编号】C02F11/06GK106045242SQ201610343185
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】薛强, 汪华方, 韩俭, 陈亿军, 曾刚, 肖凯
【申请人】中国科学院武汉岩土力学研究所