专利名称：：改性粉煤灰及其制备方法和其在城市污泥调理中的应用的制作方法
技术领域：
：本发明属于城市污水污泥的处理领域，具体涉及一种工业废弃物及其改性方法和应用。
背景技术：
：城市污水处理厂的剩余污泥是由多种微生物形成的菌胶团与其吸附的有机物和无机物组成的集合体，含有难降解的有机物、重金属和盐类，以及少量的病原微生物和寄生虫卵等。它含水率很高，一般都在95%99.5%之间，体积庞大，难以处理，成为污水处理厂沉重的经济负担。污泥处理的两大目标是减量和稳定，所以为了减少污泥的体积，必须对污泥进行脱水。在脱水过程中尽可能多地去除水分，得到含固率高的泥饼，这对后续的运输及处理处置都有重要的意义。然而，由于城市污泥中的固体物质主要是腐殖质，它由带负电的亲水性胶体颗粒组成，颗粒细小，且粒径分布极不均匀，结构复杂，与水的亲和力很强，导致其比阻值大，脱水性能差，脱水非常困难。为了破坏污泥的胶态结构，减少泥水之间的亲和力，改善污泥的脱水性能，必须对污泥进行调理。传统的污泥的调理方法有化学调理法、物理调理法、生物调理法三大类。这些方法通过在污泥中加入适量的混凝剂、助凝剂等化学药剂、采用加热加压、冷冻融化等物理手段或利用好氧与厌氧消化等生物技术，破坏泥水间的亲和力，使污泥的比阻抗(或CST)降低，促进污泥颗粒絮凝，达到改善污泥脱水性能的目的。化学调理法是目前使用较广的调理城市污水污泥的方法，它是以各种具有混凝作用的化学药剂(铁盐、铝盐及聚合电解质等)来调理污泥，然而，传统的化学絮凝剂存在一些缺点，如无机低分子混凝剂的吸附混凝反应效率低，导致投加量大，处理费用高；而有机高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺则成本高，且其单体丙烯酰胺具有毒性，易造成二次污染，使其应用受到了限制。近年来，人们在努力寻找新的物质，期望获得成本低、效果好的污泥调理剂。
发明内容本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对城市污泥调理效果好、成本低、能有效利用废弃资源的改性粉煤灰，还提供一种工艺简单、操作方便、设备要求低的改性粉煤灰的制备方法和应用方法，该方法拓宽了污泥处理过程中化学调理剂的选择范围，充分利用了工业生产废物，提高了粉煤灰的附加值。为解决上述技术问题，本发明提出了一种改性粉煤灰，所述改性粉煤灰是由改性剂硫酸溶液与粉煤灰混合、反应、过滤、干燥后得到。基于相同的技术构思，本发明还提供了一种改性粉煤灰的制备方法，包括以下步骤将硫酸溶液与粉煤灰混合进行持续搅拌反应，将反应后的混合液过滤、烘干、粉碎得到改性粉煤灰。在上述的制备方法中，所述硫酸溶液的浓度在公知可选的参数范围内，优选为2mol/L6mol/L。因为硫酸溶液的浓度过小，对粉煤灰表面的腐蚀程度可能不够，效果不理想；硫酸溶液浓度过高，则会增加处理的成本，并且对表面腐蚀程度过大，也可能导致粉煤灰的构架改变。在上述的制备方法中，所述硫酸溶液与粉煤灰的混合比例(酸灰比)在公知可选的参数范围内，优选为每克粉煤灰混配lml5ml硫酸溶液。在上述的制备方法中，所述持续搅拌反应时的搅拌速度优选控制在30r/min40r/min，反应时间优选控制在lh3h。酸灰比过大、酸浸时间过长，则酸液使用量增加，搅拌时间加长，会导致改性成本的增加。反之则可能引起粉煤灰与酸不能充分浸润，反应时间不足，导致改性效果不理想。上述优化后的各项工艺参数是我们以污泥比阻值作为评价指标，通过正交试验法确定出的较优的改性条件。正交试验设计采用三因素三水平L9(34)正交试验表，选取的三个因素分别为上述的酸浓度、酸灰比和酸浸时间。本发明提供上述的改性粉煤灰及其制备方法，其目的在于实现上述的改性粉煤灰在城市污水污泥调理中的应用。获得一种成本低、效果好的城市污水污泥调理剂，一直是本领域人员所追求的，而那些容易获得、价格低廉的工业副产品逐渐引起我们的注意，因为利用这些工业副产品作为污泥调理剂，既可以达到调理污泥、改善其脱水性能的目的，又可以实现工业废物的综合利用。粉煤灰是火力发电厂和城市集中供热锅炉的废物和副产品，世界各国的粉煤灰排放量都呈逐年增加的趋势，但是粉煤灰的利用率却保持在较低水平。粉煤灰的主要特点是粒度较小(一般在O.liim10iim的范围内)，表面疏松多孔(众多微孔和次微孔)，比表面积大，质轻，并且分子结构中存在大量Si-0和Al-0活性基团，能与吸附质化学键或离子发生结合，从而产生吸附作用。然而，直接将粉煤灰用于调理城市污水污泥时，由于粉煤灰的吸附混凝能力有限，导致粉煤灰投加量大，效果不佳，而我们通过大量筛选、实验对粉煤灰进行改性，获得本发明的改性粉煤灰，使用该改性粉煤灰调理城市污水污泥能达到很好的技术效果。上述应用的具体方法优选为将所述的改性粉煤灰添加到城市污水污泥中，每立方米的城市污水污泥中添加所述改性粉煤灰30kg50kg，在室温下快速搅拌均匀后再进行慢速搅拌，完成对城市污水污泥的调理。上述的应用中，所述快速搅拌、慢速搅拌时的温度均优选控制在20°C30°C。上述的应用中，所述快速搅拌时的搅拌速度优选控制在250r/min300r/min，快速搅拌的时间优选控制在20s40s;所述慢速搅拌时的搅拌速度优选控制在30r/min40r/min，慢速搅拌的时间优选控制在2min3min。与现有技术相比，本发明的优点在于通过使用硫酸改性剂对粉煤灰进行改性处理，使改性后的粉煤灰表面微孔变得粗糙，比表面积增加，其封闭的孔道被打开，孔隙率增加，这些微观结构和特性的改变使本发明的改性粉煤灰可以有效应用于城市污水污泥的调理，拓宽了城市污水污泥处理过程中化学调理剂的选择范围，也为更好地利用工业废弃资源粉煤灰提供了新的途径，具有很好的经济效益和应用前景。本发明改性粉煤灰的制备和使用方法都相对简单，容易操作，应用于污泥的处理后能有效降低污泥比阻，使污泥形成颗粒大、空隙多和结构强的滤饼，以利于过滤操作。本发明的应用处理方法具有效果可靠、设备简单、操作方便、可被长期广泛采用等优点。图1为未改性粉煤灰与本发明的改性粉煤灰的场发射扫描电子显微镜图；其中a图为未改性粉煤灰的场发射扫描电子显微镜图，b图为本发明改性粉煤灰的场发射扫描电子显微镜图；图2为本发明实施例2中污泥比阻值随改性粉煤灰投加量的变化情况图；图3为本发明实施例2中滤饼含水率随改性粉煤灰投加量的变化情况图。具体实施方式实施例1:取lkg2kg的原粉煤灰，去除其中的大颗粒物及其他杂质，用120目标准检验筛筛分，筛下物在103°C107t:的烘箱中烘4h，于干燥器中冷却2h，备用。我们以硫酸浓度、酸灰比和酸浸时间作为本发明改性粉煤灰制备工艺的三个主要变量，每个变量均选取三个不同的量值，即硫酸浓度选取2mol/L、4mol/L、6mol/L三个水平，酸灰比选取1:lml/g、3:lml/g、5:lml/g三个水平，酸浸时间选取lh、2h、3h三个水平，再按以下步骤制备本发明的改性粉煤灰。先称取9份上述备用的粉煤灰，每份10g，分别置于250ml的玻璃烧杯中，按上述设计的工艺条件，在室温下(例如2(TC3(TC)先将不同浓度的硫酸溶液与粉煤灰混合反应(满足上述设计酸灰比条件)，在反应过程中，用六联搅拌器搅拌，搅拌速度控制在30r/min40r/min，按设计的不同反应时间完成搅拌反应后，将混合产物过滤，将滤纸上截留的粉煤灰在烘箱中于103°C107t:下烘干至恒重，粉碎，均过120目标准检验筛，即得到九种不同制备工艺条件下的九份不同改性粉煤灰产品(工艺参数条件见下表l)。使用前于103°C107"下烘2h，于干燥器中冷却，备用。为了观察和比较不同粉煤灰样品的结构，将未改性的粉煤灰和改性粉煤灰样品分别置于场发射扫描电子显微镜下观察。从10000倍场发射扫描电镜图(见图l)中可以看到，原粉煤灰颗粒(见图l中a图)为表面光滑的球形颗粒，而本发明改性处理后的粉煤灰(见图1中b图)表面变得粗糙，孔隙增多，比表面积增大。取9份100mL污泥于200mL玻璃烧杯中，分别加入上述各个改性条件下的粉煤灰5g，在室温条件下，先以250r/min300r/min的转速快速搅拌20s40s，再以30r/min40r/min的转速慢速搅拌2min3min。调理后的城市污水污泥于布氏漏斗中真空抽滤脱水，真空压力控制为0.03MPa，测定出调理后污泥的比阻值(测定结果如下表1所示)。表1:不同工艺参数条件下制备的改性粉煤灰性能评价表5<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由上表1可见，表中9份改性粉煤灰中的第5份对城市污水污泥的调理效果最优，由此再通过正交试验方差分析和直观分析，可得出用于调理污泥时，硫酸溶液对粉煤灰的最佳改性工艺条件是硫酸浓度为4mol/L、酸灰比为5:lml/g、酸浸时间为3h。此外，由上表l中方差R的变化可知，三个工艺参数变量对改性粉煤灰性能的影响效果的程度为酸浓度>酸浸时间>酸灰比。应用实施例2:某城市污水处理厂浓縮池中的剩余污泥，沉淀2h后去除上清液，测得其含水率为97.84%，比阻值为1.85X10/kg，滤饼含水率为86.90%。取若干份100mL该污泥分别置于200mL的玻璃烧杯中，每个烧杯中分别加入不同量(投加量按10kg/m3、30kg/m3、50kg/m3、……130kg/m3递增)的改性粉煤灰(均选用上述实施例1中最佳改性条件下制备的改性粉煤灰)，在20°C30。C条件下，先以250r/min300r/min的转速快速搅拌20s40s，再以30r/min40r/min的转速慢速搅拌2min3min。调理后的污泥于布氏漏斗中真空抽滤脱水，真空压力控制为0.03MPa，分别测定各份污泥的比阻值和脱水后滤饼的含水率。不同投加量的改性粉煤灰调理污泥后比阻值的变化情况以及脱水后滤饼的含水率变化情况分别如图2、图3所示。由图2可见，本发明的改性粉煤灰使城市污水污泥的比阻值下降明显，按30kg/m3的投加量调理后，污泥的比阻值即下降到4.23X10"m/kg以下，且随着投加量的增加，污泥比阻值还呈现一定幅度的下降趋势，但投加量大于50kg/tf后下降幅度逐渐变缓。和调理前的污泥比阻值相比，下降了约两个数量级。由图3可见，按30kg/m3的投加量调理后，滤饼含水率下降到65%以下，且随着投加量的增加，滤饼含水率还呈现一定幅度的下降趋势，但含水率基本维持在40%以上，污泥的过滤脱水性能得到了很大改善。而且，本发明以改性粉煤灰作为污泥调理剂的成本较原有的污泥调理剂(如聚丙烯酰胺)低，使城市污水污泥处理费用显著降低。权利要求一种改性粉煤灰，其特征在于所述改性粉煤灰是由改性剂硫酸溶液与粉煤灰混合、反应、过滤、干燥后得到。2.—种改性粉煤灰的制备方法，包括以下步骤将硫酸溶液与粉煤灰混合进行持续搅拌反应，将反应后的混合液过滤、烘干、粉碎得到改性粉煤灰。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述硫酸溶液的浓度为2mol/L6mol/L。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于所述硫酸溶液与粉煤灰的混合比例为每克粉煤灰混配lml5ml硫酸溶液。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述持续搅拌反应时的搅拌速度控制在30r/min40r/min，反应时间控制在lh3h。6.—种如权利要求1所述的改性粉煤灰在城市污水污泥调理剂中的应用。7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用的具体方法为将所述的改性粉煤灰添加到城市污水污泥中，每立方米的城市污水污泥中添加所述改性粉煤灰30kg50kg，在室温下快速搅拌均匀后再进行慢速搅拌，完成对城市污水污泥的调理。8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于所述快速搅拌、慢速搅拌时的温度均控制在20°C30°C。9.根据权利要求7或8所述的应用，其特征在于所述快速搅拌时的搅拌速度控制在250r/min300r/min，快速搅拌的时间控制在20s40s;所述慢速搅拌时的搅拌速度控制在30r/min40r/min，慢速搅拌的时间控制在2min3min。全文摘要本发明公开了一种改性粉煤灰，该改性粉煤灰是由改性剂硫酸溶液与粉煤灰混合、反应、过滤、干燥后得到。本发明的改性粉煤灰可以有效应用于城市污水污泥的调理，具有调理效果好、成本低、有效利用废弃资源等优点。文档编号B01J20/02GK101695649SQ20091030942公开日2010年4月21日申请日期2009年11月9日优先权日2009年11月9日发明者张盼月,曾光明,董金华,陈桂秋,陈畅亚申请人:湖南大学;