本发明属于污泥减量化和无害化生产工艺技术领域，具体涉及了一种利用红薯粉制备接枝改性铝硅铁絮凝剂处理污泥，以提高污泥含固率，并降低污泥上清液的有机质浓度和稳定污泥泥饼中不稳定重金属的方法。
背景技术
市政污泥是城市污水处理厂处理污水后产生的固液混合相废物，随着我国城市化进程的加快，污水产生量与日俱增，随之而来的是污水处理量和污泥产生量的增大。据统计，我国仅市政污泥年产量目前已超过了6000万吨，预计到2020年我国市政污泥年产量将超过1亿吨。面对如此高产量的废物，我国目前主要还是进行填埋。但由于污泥中含水量太高，一般为80%左右，即固相中充斥着80%左右的水，导致了污泥的大体积，从而增大了污泥的运输成本，同时污泥中的有毒有害成分如重金属、细菌、有机质等，在水的作用下极易流变到其他地方，并产生有毒有害气体、滋生细菌，从而污染我们的地下水、土壤环境，并传播疾病。为了解决这一问题，国家出台了多项关于污泥处理与处置的政策和规定，这极大地提高了国内污泥处理的积极性和处置程度。经过多年研究，污泥的处理与处置问题已取得一定的成绩，但面对产量如此巨大的污泥，高效便捷的处置方式正是我国污泥处置领域急需的一种途径。发明申请20151017223.x提出一种环保性高的污泥深度脱水剂的制备方法，该产品能够显著降低污泥的含水率。而针对污泥中重金属的处理方法，发明申请专利cn106316094a公开了一种利用亚铁盐，氧化钙，次氯酸钠，凹凸棒石，海泡石和磷灰石制备污泥处理剂的方法，该处理剂能够将污泥中的重金属稳定化。但纵观污泥处理的诸多工艺，多呈现处理目标单一，处理效果不稳定的弊端，处理工艺处理污泥的方向性不综合，偏向性较大。同时，多种工艺均存在着物耗能耗高、经济性不好的缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种污泥减量化和无害化的方法，该方法是利用红薯粉制备接枝改性铝硅铁絮凝剂，利用接枝改性铝硅铁絮凝剂处理污泥，降低污泥含水率的同时也稳定了其中的重金属，并削弱了污泥中有机质的含量，促进污泥减量化的同时，也降低了污泥的环境危害性。
本发明方法按如下步骤进行：
（1）在红薯粉中加入蒸馏水，在60-70℃下连续搅拌1-3h后，加入过氧化苯甲酰溶液反应1-5min后，再以1-2ml/min的速度分次加入丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶液进行接枝聚合反应2-4h，冷却至常温，将产物倒入无水乙醇中进行沉淀脆化，过滤，固相产物置于于60℃下烘干，取出冷却到室温，将产物研磨至100目以下，得到接枝改性半成品，反应过程中持续通入氮气；
所述过氧化苯甲酰与红薯粉的质量比为1:100-1:50，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与红薯粉的质量比为1:200-1:100，使用时先用蒸馏水溶解。
（2）在接枝改性半成品中加入0.1-0.5mol/l的氢氧化钠溶液，在50-60℃下连续搅拌1-2h，然后加入硅酸钠溶液，混匀后用1-5mol/l的硫酸溶液调节ph为3-4，之后将反应物置于50-60℃水浴中50-100rpm连续搅拌1-2h，接着加入硫酸铁溶液及硫酸铝溶液，再用1-5mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3-4，之后将反应物置于50-60℃的水浴中50-100rpm连续振荡2-4h，然后冷却至室温，过滤，得到固相产物置于60℃下干燥，取出待冷却后，将其研磨至100目以下，即得到接枝改性铝硅铁絮凝剂；
所述硅酸钠溶液的浓度为0.2-0.4mol/l，其与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为10-20:1；氢氧化钠溶液与接枝改性半成品的体积质量比为5-10ml:1g；
所述硫酸铝溶液的浓度为1.2-1.8mol/l，其与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为10-25:1；硫酸铁溶液浓度为0.5-1mol/l，其与与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为2-10:1；
（3）在经重力浓缩后的污泥中加入接枝改性铝硅铁絮凝剂，在常温下搅拌10-30min，重力沉降10-30min；将静沉后的污泥进行过滤，得到含固率较高，毒害性较低的污泥泥饼；所述接枝改性铝硅铁絮凝剂与污泥中绝干固体的质量比为5‰-20‰。
本发明中使用的红薯粉是红薯经烘干研磨后得到的粉末，淀粉含量很高，其他成分含量相较淀粉而言则较低，而淀粉作为一种天然的高分子物质，具有长链结构，能够通过开链作用，使带有活性基团的断链接到长链上，并可通过相关反应将具有絮凝功能的无机成分嵌入到长链分子中，使制备的药剂既具有有机高分子絮凝剂的性能，也具有无机高分子絮凝剂的性能，充分发挥两者的絮凝作用，增强污泥处理效果。
本发明的优点和技术效果：
总的来说，本方法在降低污泥含水率、降低污泥中有机质含量及稳定污泥中重金属方面效果较显著，既促进了污泥的减量化，也促进了污泥的无害化。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
下述实施例未处理污泥取自污水处理厂重力浓缩池，将未处理的污泥在-0.075mpa下加压过滤，得到污泥泥饼的含水率为98%，过滤后，污泥上清液和污泥泥饼中有机质的含量分别为120mg/l和83%；污泥上清液中重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的含量分别为0.012mg/l、0.083mg/l、0.042mg/l、0.290mg/l、0.880mg/l、0.0210mg/l和0.105mg/l；同时，污泥泥饼中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的形态均为非稳定态，说明该污泥的重金属迁移风险较大。
实施例1：本污泥减量化和无害化的方法，具体操作如下：
（1）将红薯粉放入四口烧瓶中，加入蒸馏水，在60℃下连续搅拌1h，向烧瓶中加入过氧化苯甲酰溶液反应1min后，向其中以1ml/min的速度分2次加入丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶液进行接枝聚合反应2h后，取出烧瓶，冷却至常温，将产物倒入无水乙醇中进行沉淀脆化，过滤，固相产物置于烘箱中于60℃下烘烤48小时，取出冷却到室温，将产物研磨至80目，得到接枝改性半成品；其中，过氧化苯甲酰和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵均是溶于蒸馏水中制备成溶液后，加入到反应体系中，过氧化苯甲酰与红薯粉的质量比为1:100，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与红薯粉的质量比为1:200；在反应过程中，持续向体系中通入氮气，以排除氧气对反应的干扰，确保反应顺利进行；
（2）将接枝改性半成品放入烧杯中，加入0.1mol/l的氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液与接枝改性半成品的体积质量比为5ml:1g），在50℃下连续搅拌2h，后向烧杯中加入浓度0.2mol/l硅酸钠溶液（其与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为10:1），并用1mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3，之后将反应物在50℃的水浴中以50rpm连续搅拌2h，接着加入浓度0.5mol/l硫酸铁溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为10:1）及浓度1.2mol/l硫酸铝溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为10:1），再用1mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3，之后将烧杯放入50℃的水浴中，以50rpm连续振荡2h，然后冷却至室温，过滤，得到固相产物置于烘箱中于60℃下干燥24h，取出待其冷却后将其研磨至80目，即得到接枝改性铝硅铁絮凝剂；
（3）在经重力浓缩后的污泥中加入接枝改性铝硅铁絮凝剂（接枝改性铝硅铁絮凝剂与污泥中绝干固体的质量比为5‰），在常温下搅拌10min，重力沉降10min，将静沉后的污泥在-0.075mpa下进行过滤，得到含固率较高，毒害性较低的污泥泥饼及有机物含量较低的污泥滤液。按照相关标准测定污泥上清液和污泥泥饼中有机质的含量分别为20mg/l和47%，重量法测定污泥含水率为53.2%；而与未经处理的污泥的上清液中的重金属相比，污泥上清液中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的含量分别降低了25.5%，16.7%，30.2%，26.8%，45.6%，37.8%和40.1%；同时，污泥泥饼中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的形态均从非稳定态向稳定态转变。
实施例2：本污泥减量化和无害化的方法，具体操作如下：
（1）将红薯粉放入四口烧瓶中，加入蒸馏水，在65℃下连续搅拌2h，向烧瓶中加入过氧化苯甲酰溶液反应3min后，向其中以1.5ml/min的速度分3次加入丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶液进行接枝聚合反应3h后，取出烧瓶，冷却至常温，将产物倒入无水乙醇中进行沉淀脆化，过滤，固相产物置于烘箱中于60℃下烘烤48小时，取出冷却到室温，将产物研磨至100目，得到接枝改性半成品；其中，过氧化苯甲酰和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵均是溶于蒸馏水中制备成溶液后，加入到反应体系中，过氧化苯甲酰与红薯粉的质量比为1:75，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与红薯粉的质量比为1:150；在反应过程中，持续向体系中通入氮气，以排除氧气对反应的干扰，确保反应顺利进行；
（2）将接枝改性半成品放入烧杯中，加入0.3mol/l的氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液与接枝改性半成品的体积质量比为8ml:1g），在60℃下连续搅拌1h，后向烧杯中加入浓度0.3mol/l硅酸钠溶液（其与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为15:1），并用3mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3，之后将反应物在55℃的水浴中以80rpm连续搅拌1.5h，接着加入浓度0.8mol/l硫酸铁溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为5:1）及浓度1.5mol/l硫酸铝溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为20:1），再用3mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至4，之后将烧杯放入55℃的水浴中，以75rpm连续振荡3h，然后冷却至室温，过滤，得到固相产物置于烘箱中于60℃下干燥24h，取出待其冷却后将其研磨至100目，即得到接枝改性铝硅铁絮凝剂；
（3）在经重力浓缩后的污泥中加入接枝改性铝硅铁絮凝剂（接枝改性铝硅铁絮凝剂与污泥中绝干固体的质量比为10‰），在常温下搅拌20min，重力沉降20min；将静沉后的污泥在-0.075mpa下进行过滤，得到含固率较高，毒害性较低的污泥泥饼及有机物含量较低的污泥滤液。按照相关标准测定污泥上清液和污泥泥饼中有机质的含量分别为16.5mg/l和42.6%，重量法测定污泥含水率为50.5%。而与未经处理的污泥的上清液中的重金属相比，污泥上清液中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的含量分别降低了30.6%，16.7%，37.5%，27.8%，48%，39.5%和42.6%。同时，污泥泥饼中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的形态均从非稳定态向稳定态转变。
实施例3：本污泥减量化和无害化的方法，具体操作如下：
将红薯粉放入四口烧瓶中，加入蒸馏水，在70℃下连续搅拌1h，向烧瓶中加入过氧化苯甲酰溶液反应5min后，向其中以2ml/min的速度分2次加入丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶液进行接枝聚合反应4h后，取出烧瓶，冷却至常温，将产物倒入无水乙醇中进行沉淀脆化，过滤，固相产物置于烘箱中于60℃下烘烤48小时，取出冷却到室温，将产物研磨至60目，得到接枝改性半成品；其中，过氧化苯甲酰和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵均是溶于蒸馏水中制备成溶液后，加入到反应体系中，过氧化苯甲酰与红薯粉的质量比为1:50，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与红薯粉的质量比为1:100；在反应过程中，持续向体系中通入氮气，以排除氧气对反应的干扰，确保反应顺利进行；
（2）将接枝改性半成品放入烧杯中，加入0.5mol/l的氢氧化钠溶液（氢氧化钠溶液与接枝改性半成品的体积质量比为10ml:1g），在55℃下连续搅拌1.5h，后向烧杯中加入浓度0.4mol/l硅酸钠溶液（其与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为20:1），并用5mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3.5，之后将反应物在60℃的水浴中以100rpm连续搅拌1h，接着加入浓度1mol/l硫酸铁溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为8:1）及浓度1.8mol/l硫酸铝溶液（与接枝改性半成品的体积质量比ml:g为25:1），再用5mol/l的硫酸溶液将体系的ph调至3.5，之后将烧杯放入60℃的水浴中，以100rpm连续振荡4h，然后冷却至室温，过滤，得到固相产物置于烘箱中于60℃下干燥24h，取出待其冷却后将其研磨至60目，即得到接枝改性铝硅铁絮凝剂；
（3）在经重力浓缩后的污泥中加入接枝改性铝硅铁絮凝剂（接枝改性铝硅铁絮凝剂与污泥中绝干固体的质量比为5‰），在常温下搅拌30min，重力沉降30min，将静沉后的污泥在-0.075mpa下进行过滤，得到含固率较高，毒害性较低的污泥泥饼及有机物含量较低的污泥滤液。按照相关标准测定污泥上清液和污泥泥饼中有机质的含量分别为15mg/l和40%，重量法测定污泥含水率为47.3%。而与未经处理的污泥的上清液中的重金属相比，污泥上清液中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的含量分别降低了31.5%，17.3%，38.6%，29.2%，49.3%，40.5%和44.7%。同时，污泥泥饼中的重金属cd、cr、cu、pb、zn、ni和as的形态均从非稳定态向稳定态转变。