本发明属于资源与环境领域，具体涉及一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法。
背景技术：
污泥焚烧残渣中富含zn、cu、cr、cd、ni、pb等重金属，必须在回收利用前对其所含有的重金属进行固化，使重金属进出浓度低于国家标准，污泥焚烧残渣达到可回收利用的标准。目前已经研究或应用的含重金属废弃物的固化方法主要有：水泥基固化技术、石灰固化技术、包胶技术、玻璃固化技术、地聚物固化技术等。
(1)水泥基固化技术
水泥基固化重金属废物技术是应用最广泛的固化技术之一，具有比较成熟和不断完善的工艺。此技术是将重金属废物与水泥混合，水泥水化后形成具有一定强度的凝固体，水化凝胶将重金属废物包裹，从而降低甚至阻止废物中危险成分的浸出。由于水泥价格较便宜，水泥基固化重金属具有很强的经济性。
(2)石灰固化技术
石灰固化重金属废物方法是将石灰、垃圾焚烧、水泥窑灰和矿渣等具有火山灰效应的粉体作为基材对重金属废物进行固化与稳定化处理的工艺。其固化效果接近于水泥，且具有原料来源丰富、工艺和设备简单、处理费用低等优点。此技术在美国广泛应用于污泥中重金属的固化。
(3)包胶技术
热塑性微包胶技术固化重金属废物，是利用加热和冷却时能反复软化和硬化的有机塑料(沥青、聚乙烯等)与干燥或脱水处理过的重金属废物在较高温度下混合，实现重金属的固化；大型包胶技术是利用一种防水的惰性材料将经过预先稳定化/固化处理的废物固化体包裹封闭起来，用以补救稳定化/固化的缺陷。这种处理方法通常比较可靠，是一种极具吸引力的较高安全性的固化技术。
(4)玻璃固化法
玻璃固化法是将重金属废物与细小的玻璃质混合，然后在高温下熔融形成玻璃固化体。玻璃体的致密结构，可确保固化体的长久稳定。这种固化技术虽然固化效果好药剂固化法，但一般只用于处理高剂量的放射性废物和剧毒性废物。
(5)地质聚合物固化技术
地质聚合物固化技术是指将含重金属废物与某些颗粒化碱激发活性物质(包括粉煤灰、高炉残渣、偏高岭土、高岭石粘土和赤泥等)混合来制备地质聚合物胶凝材料，从而实现重金属的固化。
例如现有技术cn106495512a公开了一种污泥焚烧飞灰基低碱度地质聚合物材料及其制备方法，该方法是将污泥焚烧飞灰和偏高岭土以1:1的质量比混合，加入占污泥焚烧飞灰与偏高岭土总质量2-10％的naoh、8％的液体水玻璃作为碱激发剂，再加35-50％的水，在水泥胶砂搅拌机中充分搅拌混合均匀后，注入d＝20.20mm的圆柱形模具中，加11-14mpa压力5min后脱模，室温下养护3-28d，制得污泥焚烧飞灰基低碱度地质聚合物的28d抗压强度的范围为15.96-79.60mpa。
cn105110664a公开了一种高岭土印染污泥地质聚合物材料，包括胶凝材料和复合激发剂，复合激发剂与胶凝材料的质量比为0.4-1.0：1；胶凝材料为高岭土和干化印染污泥的共混煅烧产物，干化印染污泥与高岭土的质量比为1:3-7，干化印染污泥为经石灰和铁盐调质并干化的印染污泥，复合激发剂为钠水玻璃和氢氧化钠配制而成，且复合激发剂的模数为1-2。
cn105110663a公开了一种污泥灰制备地质聚合物的方法。该制备方法是利用污泥灰及偏高岭土为原料，在naoh-水玻璃碱激发剂溶液的激发下，生成污泥灰基地质聚合物。
现有技术存在的主要问题和缺陷如下：
(1)水泥/石灰固化体的二次处理需占用大量土地，往往超过了重金属废弃物的自身体积。
(2)固化后固化体内部会有许多毛细孔，且固化体抗渗性能不会很高，有可能导致水溶性重金属的逸出；反应温度高(需要在1400℃的高温下进行)、温室气体产量大、可持续性差，与此同时，所制备的含污泥焚烧残渣水泥的力学性能较差，耐酸碱性、耐高温以及抗碳化性能一般。
(3)包胶/玻璃固化技术能耗大、成本高，适用含重金属废弃物的种类相对有限。
(4)所使用的制备地质聚合物的胶凝材料及碱激发剂不同，制备出的地质聚合物的特性有着鲜明的结构差别；固化体的力学性能一般与所掺杂的污泥焚烧残渣的量成反比，焚烧残渣掺入量越大，固化体的抗压性能越差。
(5)地质聚合物固化体中污泥焚烧残渣的掺杂量是否对重金属的固化效果存在显著影响，尚不得而知。
技术实现要素：
鉴于现有技术存在的问题，本发明通过以下技术方案来实现：
一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法，包括：以偏高岭土为凝胶材料、以水玻璃为碱激发剂，污泥焚烧残渣与凝胶材料的质量比为5％：95％-10％：90％，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.77-0.9，制备地质聚合物，水玻璃模数变化范围为1.1-1.4。
本发明选用水玻璃作为碱性激发剂，其化学组成可以用通式(r2o·nsio2)表示，其中，r2o是指碱金属氧化物，如na2o或k2o等，n表示水玻璃的模数，为氧化硅与氧化钠(或氧化钾)的摩尔数比，水玻璃的模数一般在1.5～3.5之间，本发明通过调整水玻璃的模数，最大程度增加了其碱激发性能。
同时，控制水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.77-0.9，极大的提高了抗压强度，避免重金属的渗出。
所述污泥焚烧残渣的获得工艺为：采用干化焚烧工艺对污泥进行了综合处理，焚烧温度为800℃，污泥焚烧残渣是干污泥焚烧后残留在焚烧炉中的无菌、无臭的无机物矿化渣，约占原污泥的10％。
所述偏高岭土(metaokin，下文简称mk)是以高岭土(al2o3·2sio2·2h2o-as2h2)为原料在在适当温度下煅烧形成的无水硅酸铝(al2o3·2sio2-as2)，偏高岭土中的sio2和al2o3处于无定形态，在本发明中，在前述比例的碱性激发剂存在的条件下具有良好的地聚合反应活性。
前述地质聚合物的制备方法中，偏高岭土、水玻璃，污泥焚烧残渣通过物理方法混合，进行固化。
固化方法进一步包括：水泥基固化技术、石灰固化技术、热塑性材料微包胶技术、玻璃固化技术、大型包胶技术、自胶结固化技术等。
所述通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的固定时间优选为1-7天。
其中，前述选择范围内，固化体具有最佳力学性能的配合比为，碱激发偏高岭土胶凝材料在残渣掺量10％、水玻璃模数1.3、激发剂与粉体比值为0.81时，制备的固化体7天抗压强度可达94.6mpa。
通过前述制备方法实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定。本发明认为当以污泥焚烧残渣和偏高岭土为原料制备地质聚合物时，可实现重金属良好固化的最佳污泥焚烧残渣添加量≤10％，最多不能超过20％。
本发明相对于现有技术的有益效果包括，
本发明通过调配不同污泥焚烧残渣与凝胶材料偏高岭土的比例获得了可实现重金属高效固化的最佳污泥焚烧残渣添加量(≤10％)，可为污泥焚烧残渣中重金属的高效固化提供技术支持，为污泥焚烧残渣的资源化利用提供基础。
(1)、可实现重金属高效固化的污泥焚烧残渣添加量为，污泥焚烧残渣添加量≤10％；可实现重金属一般固化效果的污泥焚烧残渣添加量为，10％≤污泥焚烧残渣添加量≤20％；采用本发明的固化方法，cu、zn的最优固化率达到了95％；cr、ni、pb的固化率均在90％以上。
(2)通过大量实验发现，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.77-0.9，不仅可以使残渣的重金属得到良好的固化，且固化体具有良好的抗压强度。当水玻璃模数不在1.1-1.4变化范围内，难以有前述的碱激发性能，重金属的固化率明显降低，渗出率增高。
(3)前述选择范围内，固化体具有最佳力学性能的配合比为，碱激发偏高岭土胶凝材料在残渣掺量10％、水玻璃模数1.3、激发剂与粉体比值为0.81时，制备的固化体7天抗压强度可达94.6mpa。
具体实施方式
以下通过优选实施例对本发明作进一步解释阐明，但本发明并不只限于下述保护范围。
实施例1一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法
以偏高岭土为凝胶材料、以水玻璃为碱激发剂，污泥焚烧残渣与凝胶材料的质量比为5％：95％，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.81，制备地质聚合物，水玻璃模数变化范围为1.2。其中，偏高岭土、水玻璃，污泥焚烧残渣通过物理方法混合。
实施例2一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法
以偏高岭土为凝胶材料、以水玻璃为碱激发剂，污泥焚烧残渣与凝胶材料的质量比为10％：90％，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.81，制备地质聚合物，水玻璃模数变化范围为1.2。其中，偏高岭土、水玻璃，污泥焚烧残渣通过物理方法混合。
实施例3一种通过制备地质聚合物实现污泥焚烧残渣中重金属高效固定的方法
以偏高岭土为凝胶材料、以水玻璃为碱激发剂，污泥焚烧残渣与凝胶材料的质量比为5％：95％，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.81，制备地质聚合物，水玻璃模数变化范围为1.3。其中，偏高岭土、水玻璃，污泥焚烧残渣通过物理方法混合。
实施例4重金属的浸出浓度及固化率测试效果
本发明以前述实施例的方案，以偏高岭土为凝胶材料、以水玻璃为碱激发剂制备地质聚合物时(其中，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.81，水玻璃模数变化范围为1.2)，不同固化体污泥焚烧掺杂量与凝胶材料含量的比值(％/％)对重金属cu、zn、cr、ni、pb和cd固化效果的影响，如表1所示。
表1不同污泥焚烧残渣添加量条件下地聚物中重金属的浸出浓度及固化率
从表1可以看出：
(1)污泥焚烧残渣添加量≤10％时，地聚物固化体中cu、zn、cr、ni、pb和cd的浸出浓度均小于《生活垃圾填埋污染控制标准》(gb5085.3-2007)中的规定的最大排放限值，其中zn、cu的固化率均达到95％以上，cr、ni、pb的固化率均在90％以上，固化效果显著；
(2)当污泥焚烧残渣添加量为20％时，重金属固化效果下降到75％～88％，效果一般；
(3)污泥焚烧添加量继续增加值40％时，重金属固化率均降低至50％以下，浸出浓度严重超标。
因此，本发明认为当以污泥焚烧残渣和偏高岭土为原料制备地质聚合物时，可实现重金属良好固化的最佳污泥焚烧残渣添加量≤10％，最多不能超过20％。
并且通过大量实验发现，水玻璃量与偏高岭土和残渣的混合物料的质量比变化范围为0.77-0.9，不仅可以使残渣的重金属得到良好的固化，且固化体具有良好的抗压强度。当水玻璃模数不在1.1-1.4变化范围内，难以有前述的碱激发性能，重金属的固化率明显降低，渗出率增高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。