本發明涉及污泥資源化處理
技術領域：
，尤其涉及一種用市政污泥制備輕質顆粒的方法和應用。
背景技術：
：市政污泥主要是由有機質、無機質以及大量的水分構成。按照化學組分進行劃分，可以分為：植物營養元素(如碳、氫、氮、磷、鉀等)；無機營養物質(如鈣、鎂、硫等)；有機物質(如蛋白質、脂肪等)；污染物質(如有機物和重金屬砷、鎘、鉻、鉛、銅等)。未經過任何處理的污泥含水率一般在99％以上，如果用機器脫水后，其含水率可以降到80％左右。如果再進行濃縮脫水，含水率可降低至70％左右，因此，污泥成分以水為主。而按照污泥水分的存在方式，可以分為四類水分：1)污泥自由水或間隙水：自由水是污泥顆粒與顆粒之間的大空間中存在的水分，可自由流動，占污泥水分總量70％左右，容易除去；2)污泥毛細結合水：毛細水指固體顆粒接觸面上由毛細壓力結合，占污泥水分20％左右；3)污泥表面吸附水：表面吸附水指黏附在污泥小顆粒表面上的水分，占污泥水分7％左右；4)污泥內部水或生物水：內部水是指微生物細胞內部的液體，在干燥過程中很難被脫除，此部分水一般通過化學力與固體顆粒相結合，大約占污泥水分的3％。隨著人類物質生活的不斷發展，市政污泥量越來越多，如何處理污泥已經成為擺在各大城市發展的一大難題。現有的污泥處理方式，一般包括污泥干燥并資源化處理和污泥焚燒處理。其中，污泥干燥是利用人工熱源，以工業化設備對污泥進行深度脫水的方法。可在污泥堆肥、焚燒或熱化學處理前作為預處理手段，也可將干燥產品直接作為農業肥料或某些工業部門的輔助燃料。污泥的干燥過程可分為三個階段：第一階段為污泥的預熱階段。在此階段，污泥的溫度從表面開始增高，同時污泥表面的水分也會加快蒸發，直至達到某個溫度。而這個溫度與很多因素有關，比如周邊環境的溫度和濕度等，也稱為濕球溫度，此溫度一般都比環境溫度略低。第二階段為恒速干燥階段。在此階段，由于污泥表面的水分較高，故此干燥箱提供的能量幾乎全部用來汽化污泥表面的水分。此階段的干燥速度取決于污泥表面水分的蒸發速度，是表面汽化控制階段。第三階段為降速干燥階段。在此階段，污泥表面的水分基本蒸發完成，污泥水分的蒸發從污泥表面向內部轉移，蒸發水分的熱量需要通過固體傳到內部區域，內部水分通過固體空隙向外部擴散，蒸發速度也慢慢變緩。此階段干燥速度的快慢與污泥內部水分蒸發的快慢有關，屬于內部擴散控制階段。而污泥焚燒是利用高溫將污泥中的有機物徹底炭化的過程。在這個過程中，不僅污泥的體積會大大縮小，而且污泥當中的病原體等會在高溫下徹底的被滅殺。污泥焚燒的熱量來自外界以及自身的炭化過程所釋放的熱量。污泥焚燒是在適當溫度和氣氛的條件下，使污泥中有機質裂解并發生燃燒的反應。以焚燒為核心的處理方法最為徹底，能使污泥中的有機物全部碳化，殺死病原體，并最大程度地減少污泥體積。在污泥干燥處理后，并不能徹底解決污泥因為有有機物和無機物以及有毒重金屬的問題；同樣污泥焚燒也會帶來環境污染，并且污泥焚燒后的產物用手輕碰就會開裂甚至揚塵，不能很好的將污泥凝聚成團或者塊狀。無論是污泥干燥還是污泥焚燒，都不能徹底解決市政污泥存在的問題。在屋頂花園的輕質顆粒方面，普通肥料比較松散，而屋頂的風又較大，很容易將其吹走；再有，普通肥料水土流失較多，容易堵塞下水管道。因此，普通肥料很難滿足其要求。于是人們想到了將污泥資源化后用于屋頂花園輕質土中。但是目前污泥直接干燥后雖然能夠保存有機質，但是用在屋頂花園中，硬度以及吸水性均無法達到要求；或者焚燒變成輕質顆粒用于屋頂花園其吸水性和硬度也同樣無法達到要求。而且，無論是干燥還是焚燒后的污泥，均容易破碎成粉末，用于屋頂時容易揚塵甚至被吹散；粉末的污泥儲水量過大會增加房屋的承重。技術實現要素：針對現有污泥輕質顆粒化過程中存在的易揚塵、硬度和吸水性無法滿足屋頂等的要求，本發明實施例提供了一種用市政污泥制備輕質顆粒的方法。以及，本發明實施例還提供了該輕質顆粒的應用。為了達到上述發明目的，本發明實施例采用了如下的技術方案：一種用市政污泥制備輕質顆粒的方法，至少包括以下步驟：稱取質量百分含量如下的組分：干污泥45％～80％；添加劑12.5％～45.5％；粘結劑7.5％～12.5％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑30％～58％；黏土28％～40％；硅藻土14％～35％；將稱取的所述干污泥處理成粉末狀，再加入所述白炭黑、粘土、硅藻土，混料處理，得到第一混合物料；向所述第一混合物料中加入適量溶劑和所述粘結劑，混料處理，獲得第二混合物料；將所述第二混合物料處理成顆粒狀胚體，并進行干燥處理；將干燥處理后的所述顆粒狀胚體進行燒結處理。以及相應地，如上方法制備的輕質顆粒在花卉種植土基中的應用。本發明實施例提供的用市政污泥制備輕質顆粒的方法，采用市政污泥為基礎，結合添加劑和粘結劑，制備的輕質顆粒具有裂紋少、表面光滑、密度小、質量輕、吸水性能良好而不易泥化、抗壓強度達到6MPa以上等特點；并且該制備方法中，原料來源便捷、制備工藝條件簡單等特點，而且能消耗大量城市污泥，適合批量生產和推廣應用于花卉種植的土基中，如作為屋頂花園土基等等。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明實施例提供一種用市政污泥制備輕質顆粒的方法。所述方法至少包括以下步驟：稱取質量百分含量如下的組分：干污泥45％～80％；添加劑12.5％～45.5％；粘結劑7.5％～12.5％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑30％～58％；黏土28％～40％；硅藻土14％～35％；將稱取的所述干污泥處理成粉末狀，再加入所述白炭黑、粘土、硅藻土，混料處理，得到第一混合物料；向所述第一混合物料中加入適量溶劑和所述粘結劑，混料處理，獲得第二混合物料；將所述第二混合物料處理成顆粒狀胚體，并進行干燥處理；將干燥處理后的所述顆粒狀胚體進行燒結處理。優選地，所述輕質顆粒的粒度為2mm～5mm，顆粒過小，容易從具有孔洞的盛裝載體中露出，顆粒過大，不適合用于花卉的種植。優選地，所述黏土為高嶺土。黏土在組分中起到促進輕質顆粒成型的作用。優選地，所述粘結劑為PVA粘結劑。上述實施例提供的輕質顆粒，具有裂紋少、表面光滑、密度達到0.7～0.8kg/dm3、質量輕、吸水性能良好而不易泥化揚塵、抗壓強度達到6MPa以上等特點。下面對上述制備輕質顆粒的方法做進一步詳細的說明。在任一實施例中，干污泥由城市污泥干燥處理得到。在上述將干污泥處理成粉末之前，還包括將干污泥進行干燥處理。在一實施例中，干污泥的干燥處理溫度為60℃～80℃。干燥處理后的污泥，采用研磨設備如球磨機或者其他研磨裝置將污泥研磨成粉末，研磨方式可以任意，主要能將污泥研磨成粉末均可行。在一優選的實施例中，白炭黑、粘土以及硅藻土應當為粉末狀，以便混料均勻。在一優選實施例中，溶劑為自來水或去離子水。加入自來水或去離子水的目的主要是為了使第一混合物料制成具有粘度的第二混合物料。在任何實施例中，第一混合物料為粉料，第二混合物料具有一定粘性。在優選實施例中，顆粒狀胚體的粒徑為3mm～10mm。這主要是后續燒結處理時，顆粒的體積會發生縮小，避免團狀顆粒的粒徑過小或過大而導致最終產品不能使用。在一優選實施例中，團狀的顆粒在干燥過程中，干燥處理的溫度為40℃～70℃。優選地，所述燒結處理的溫度為800℃～1000℃，所述燒結處理的時間至少10min。在該燒結溫度和燒結時間下，得到的輕質顆粒抗壓強度達到6MPa，不易破碎成粉末。本發明上述實施例提供的輕質顆粒及其制備方法，將原料混合后高溫燒結，得到的產物具有裂紋少、表面光滑、密度小、質量輕、吸水性能良好而不易泥化、抗壓強度達到6MPa以上等特點，并原料來源便捷、制備工藝條件簡單等特點，而且能消耗大量城市污泥，適合批量生產和推廣應用。進一步地，本發明上述實施例提供的用市政污泥制備輕質顆粒的方法獲得的輕質顆粒，可以用于花卉種植的土基中，如作為屋頂花園土基等等。在具體使用時，可以將輕質顆粒浸泡于營養液中，然后轉移至花盆或者花園表面作為土基，或者直接裝入花盆或者花園內，種植花卉后，定期向其中加營養液和水分。為了更好的體現本發明實施例提供的用市政污泥制備輕質顆粒的方法，下面通過多個實施例進一步說明。實施例1一種輕質顆粒，采用如下質量百分含量的組分為原料進行制備：干污泥50％；添加劑40％；PVA10％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑58％；高嶺土28％；硅藻土14％。制備所述輕質顆粒的方法，包括如下步驟：1)按照實施例1中的組分稱取各組分；2)將稱取的干污泥于60℃環境中干燥處理，然后研磨成粉末；3)將稱取的白炭黑、高嶺土和硅藻土與污泥粉末進行混料處理，得到第一混合物料；4)向所述第一混合物料中添加適量的去離子水和PVA粘結劑，混料處理，得到第二混合物料，第二混合物料有一定粘性；5)將第二混合物料放入模具中，制成顆粒狀胚體，然后將顆粒狀胚體置于60℃環境中干燥處理；6)將干燥處理后的顆粒狀胚體置于900℃中燒結20min，自然冷卻，即可得到輕質顆粒。對實施例1制備的輕質顆粒進行性能檢測，檢測數據如表1所示。實施例2一種輕質顆粒，采用如下質量百分含量的組分為原料進行制備：干污泥80％；添加劑12.5％；PVA7.5％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑50％；高嶺土30％；硅藻土20％。制備所述輕質顆粒的方法，包括如下步驟：1)按照實施例2中的組分稱取各組分；2)將稱取的干污泥于80℃環境中干燥處理，然后研磨成粉末；3)將稱取的白炭黑、高嶺土和硅藻土與污泥粉末進行混料處理，得到第一混合物料；4)向所述第一混合物料中添加適量的去離子水和PVA粘結劑，混料處理，得到第二混合物料，第二混合物料有一定粘性；5)將第二混合物料放入模具中，制成顆粒狀胚體，然后將顆粒狀胚體置于60℃環境中干燥處理；6)將干燥處理后的顆粒狀胚體置于800℃中燒結20mim，自然冷卻，即可得到輕質顆粒。對實施例2制備的輕質顆粒進行性能檢測，檢測數據如表1所示。實施例3一種輕質顆粒，采用如下質量百分含量的組分為原料進行制備：干污泥42％；添加劑45％；PVA13％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑30％；高嶺土40％；硅藻土30％。制備所述輕質顆粒的方法，包括如下步驟：1)按照實施例3中的組分稱取各組分；2)將稱取的干污泥于60℃環境中干燥處理，然后研磨成粉末；3)將稱取的白炭黑、高嶺土和硅藻土與污泥粉末進行混料處理，得到第一混合物料；4)向所述第一混合物料中添加適量的去離子水和PVA粘結劑，混料處理，得到第二混合物料，第二混合物料有一定粘性；5)將第二混合物料放入模具中，制成顆粒狀胚體，然后將顆粒狀胚體置于60℃環境中干燥處理；6)將干燥處理后的顆粒狀胚體置于1000℃中燒結20min，自然冷卻，即可得到輕質顆粒。對實施例3制備的輕質顆粒進行性能檢測，檢測數據如表1所示。實施例4一種輕質顆粒，采用如下質量百分含量的組分為原料進行制備：干污泥45％；添加劑42.5％；PVA12.5％；其中，以所述添加劑質量100％計，所述添加劑包括以下組分：白炭黑33.3％；高嶺土33.3％；硅藻土33.3％。制備所述輕質顆粒的方法，包括如下步驟：1)按照實施例4中的組分稱取各組分；2)將稱取的干污泥于70℃環境中干燥處理，然后研磨成粉末；3)將稱取的白炭黑、高嶺土和硅藻土與污泥粉末進行混料處理，得到第一混合物料；4)向所述第一混合物料中添加適量的去離子水和PVA粘結劑，混料處理，得到第二混合物料，第二混合物料有一定粘性；5)將第二混合物料放入模具中，制成顆粒狀胚體，然后將顆粒狀胚體置于80℃環境中干燥處理；6)將干燥處理后的顆粒狀胚體置于1000℃中燒結20min，自然冷卻，即可得到輕質顆粒。對實施例4制備的輕質顆粒進行性能檢測，檢測數據如表1所示。表1實施例1～4制備的輕質顆粒的性能測試數據從表1可見，實施例1～4采用城市污泥結合添加劑制備的輕質顆粒，抗壓強度達到6.0MPa及以上，吸水率超過50％，而且輕質顆粒表面光滑無裂紋，密度達到0.7kg/dm3。為了驗證本發明實施例的添加劑、燒結溫度對制成的輕質顆粒的性能的影響，下面通過多個比較例子做說明。(1)不同配方對輕質顆粒性能的影響按照上述1～4任一實施例的制備制備方法制備輕質顆粒，其中，輕質顆粒物料的各組成成分配比為1:1，粘結劑使用量占物料總質量的的10％，詳見表2。表2不同配方制得的輕質顆粒的性能配方種類制成的輕質顆粒表觀形貌抗壓強度/MPa污泥+白炭黑有少許裂紋4.8污泥+高嶺土有少許裂紋3.2污泥+硅藻土有較多裂紋且易碎3.9污泥+白炭黑+硅藻土表面光滑5.4污泥+高嶺土+硅藻土表面光滑5.0污泥+高嶺土+白炭黑+硅藻土表面光滑6.5從表2可知，當配方為污泥+高嶺土+白炭黑+硅藻土時，制得的輕質顆粒表面光滑，而且抗壓強度達到6.5MPa。主要原因是，白炭黑為SiO2，可以提高污泥的硬度，而高嶺土的主要成分是2SiO2●Al2O3●2H2O，能使污泥更好的成型。(2)不同燒結溫度對輕質顆粒性能的影響除燒結溫度按照表3所示以外其余均按照上述1～4任一實施例的制備方法制備輕質顆粒，其中，輕質顆粒物料的各組成成分配比為1:1，粘結劑使用量占物料總質量的的10％，詳見表3。表3不同燒結溫度制得的輕質顆粒的性能從表3可知，當溫度在400℃以下時，胚體的質量和顏色沒有明顯的變化，說明此時胚體中的有機質還沒有被分解，只是其中的水分和易揮發的物質揮發出來。沒有達到焚燒的目的，不符合要求。當溫度在500℃到800℃時，雖然質量上有明顯的變化，但是其硬度不夠。說明此時胚體中的有機質開始在高溫下分解，但是污泥內部也會產生許多空隙，導致燒成胚體的硬度下降。在900℃到1000℃，胚體顆粒的表面會生成一定的熔融物，顆粒之間的空隙會被其逐步充滿。隨溫度的進一步提高，產生的熔融物會增多，胚體內部的空隙率會降低。胚體內部空隙率降低以后，顆粒之間會變得密實，且高溫產生的熔融物具有一定的粘結力，使顆粒之間的相互粘結力增強，故其抗壓強度有了明顯的提升。燒結過程的機理可能為：當燒結胚體時，其表面的張力高，在胚體的結構上發生變形。當溫度增加時，胚體中的原子得到能量而遷徙。隨著原子加速碰撞，顆粒之間也會重新組合，導致胚體內部結構改變，使得胚體空隙率降低，強度加大，密度壓實變大，最終完成燒制過程。在胚體的燒制過程中，有一段溫度的控制范圍。在該狀態下，有部分物料在熔融狀態，此時的溫度稱為燒結溫度。當焙燒溫度過高或者過低時都不利于燒結的成功，這樣得到的產品會有諸多不足和缺陷。當溫度比燒結溫度下限還低時，得到的產品火候不足，會有胚體空隙率過大，抗壓強度低。相反，當燒制溫度燒結溫度上限還高時，這樣胚體內部的熔融物更多，胚體會軟化變形，得到的產品是空隙率低，非常密實，強度明顯提高，但不利于植物扎根生長。(3)污泥與粉料(包含白炭黑、黏土及硅藻土，其中，按照質量比為白炭黑：黏土：硅藻土＝1:1:1)不同配比對輕質顆粒性能的影響根據上述實施例及驗證實驗，按照900℃的煅燒溫度，結合實施例1的制備方法，制備如表4配方的輕質顆粒，并進行相應的性能測試，測試結果如表4所示。表4污泥與粉料不同配比獲得的輕質顆粒的性能表4中，燒損特性和吸水性能在質量不一致，是兩次取樣不相同，特此說明。抗壓強度是判斷樣品是否可以承受一定壓力。具體的抗壓強度參照國家標準《斷裂模數和破壞強度的測量》(GB/T3810.4—1999)，在液壓式萬能試驗機上對樣品進行抗壓強度的測試。抗壓強度公式為：P＝Fmax/A×10-3式中：P—胚體的抗壓強度，MPa；Fmax—胚體的極限受壓載荷，KN；A—胚體的受壓面積，m2。從表4可知，純污泥的燒失量最多，隨著污泥質量的降低，其燒失量也在降低。說明胚體質量的減少主要是因為污泥中有機質的分解。觀察燒成的胚體發現：純污泥所成胚體表面粗糙而且很松散，用水浸泡后，很容易坍塌于水中；而污泥與粉料的配比在5:1至3:1之間時，燒成胚體的抗壓強度一般，即硬度稍有提高，但不能滿足要求；當污泥與粉料的配比在3:1至1:1之間時，燒成胚體的抗壓強度達到6MPa以上，也就是硬度有明顯的提高。所以，本發明實施例的污泥與粉料的質量配比優選3:1～1:1之間。表4中，吸水性能的測試過程為：分別取六組實驗獲得的輕質顆粒，依次浸泡在蒸餾水當中，靜置5min；然后依次取出并用吸水紙吸收表面水分后稱量各個樣品的重量，其中，吸水率的計算公式：吸水率＝(吸水后質量-初始質量)/初始質量×100％。由表4可見，當污泥與粉料的配比為3:1～1:1之間時，吸水率高可以使得該材料吸收一定的營養液。因此，本發明實施例污泥與粉料的質量配比優選3:1～1:1。對第6組，取干化后的污泥0.5023g，壓片后測得其體積0.39mL。由密度公式算得干污泥的密度為1.29kg/dm3；然后將第6組的干污泥燒結后觀察，發現其體積基本不變，但質量減少至0.3021g，由密度公式算得燒成胚體的密度為0.77kg/dm3。由此數據可以看出，燒成胚體的密度與原來相比大大的減少。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 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