污水厂污泥固化稳定化技术应用研究项目实施方案.docx

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污水厂污泥固化稳定化技术应用研究项目实施方案

第一章绪论

1.1课题研究背景

城市污水污泥是城镇污水处理厂对污水进行处理过程中产生的沉淀物质以及污水表面漂出的浮沫,其成分复杂,含有大量的微生物、病原体、重金属以及有机污染物等,如处理不善将会造成严重的二次污染,如何对污泥进行处理成为世界各国关注的重点课题之一。

目前,国内外污水污泥最终处理与资源化利用的主要方法是填埋、土地利用、热能利用（焚烧）、建材利用等。

但是由于污泥本身含水率高、工程性质差,并含有多种污染物,上述的处理手段受到了不同程度的限制。

固化是指将液态物质、污泥或结构松散的物质变成固化整体,从而将污染物包裹在具有结构完整的固化整体中,最大程度的减少污染物释放到环境中去,同时又提高废物的土工力学性质[1]。

将污泥通过固化技术处理成为可以再生资源利用的土工材料或者作为填埋处置的预处理手段能够解决污泥处理中的一系列难题,是一种极有市场前景和应用前途的污泥处理和资源化手段[2]。

对污泥进行固化提高材料强度的机理主要是水泥水化反应生成的水化硅酸钙对固体废物颗粒产生胶结作用。

污泥由于含水率高,其中的无机固体颗粒成分非常少,固化处理后所形成的强度主要是依靠水泥水化反应形成的水化产物,而污泥颗粒自身对强度的贡献很少,这样就需要消耗大量的水泥才能获得一定的强度,所以处理费用非常高昂,尚不能为国内市场所接受,影响了这一技术在我国的推广和应用[3]。

1.2课题研究目的

针对上述问题,本实验通过添加本地土与水泥反应,形成骨架,达到提高固化污泥强度,降低处理成本的技术目标。

添加本地土具有材料资源广泛、价格便宜、固化体强度高的优点。

第二章污泥的产生与固化技术研究现状

固化的定义其实包含着两方面含义，即固化和稳定化，为了叙述方面往往在习惯中统称为固化。

美国环保署对固化/稳定化的概念解释如下：

固化是指在废弃物中添加固化剂，使其形成固体或变为不可流动性的过程，而不管是否有化学结合在废弃物与固化剂间产生。

稳定化是指将有毒、有害污染物转变成低毒性、低溶解性及低移动性的物质，以减少有害物污染潜力的技术[4]

2.1污泥的来源

随着人口的日益增加和全球社会城镇化的日益加剧，城市污水的产生量也不断增加，生态环境面临严峻的压力，存在着日益遭到严重破坏的可能，因此，城镇污水的处理就显得刻不容缓、势在必行。

在城镇污水处理及废水处理中，污泥是不可避免的副产品，它是一种极其复杂的非均质体，其主要由有机残片、无机颗粒、细菌菌体、胶体等组成。

污泥主要来源于污水处理厂的初级沉淀池的沉淀物与二级沉淀池的剩余活性污泥。

2.2污泥的产量

按体积计算，污泥产量通常约占污水处理量的0.3%~0.5%，按质量计算则为污水处理量的1%~2%，污泥的产量还会在深度污水处理下提高0.5~1倍左右。

污泥的产量也会随着污水处理效率的提高而增大。

据估计，全球一年可能产生高达1亿吨左右的干污泥量[5]。

我国也有着相当可观的污泥产量，目前我国每年产生超过300万吨的污泥，并且每年的增长速度达到10%左右。

2.3污泥固化处理方法的分类

按照不同的固化剂划分，固化技术可分为水泥固化、石灰固化、熔融固化、沥青固化、玻璃固化等。

处理大量的无机废物时适用前两种方法。

其余各种方法一般有着比较高的处理成本[6]。

2.3.1水泥固化法

水泥为一种无机胶结剂，坚硬的水泥块能在水化反应后形成，其可以将砂、石等添加牢固地粘结在一起。

利用水泥的这一特征，可以用水泥固化有害废物。

进行有害污泥的固化时，凝胶由水泥与污泥中水分发生水化反应生成，可将有害污泥微粒包容，并逐步硬化而形成污泥固化体。

水泥的水化反应物3CaO·SO3是这种固化体的主要结构，水化结晶体内包进了污泥微粒，使得固化体内封闭了污泥中的有害物质，从而达到无害化、稳定化的处理要求。

通过实践证明，处理各种含有重金属的污泥时采用水泥固化方法是十分有效的。

由于水泥在固化过程中产生较高的pH值，使得在碱性条件下污泥中的重金属离子生成的氢氧化物或碳酸盐等难溶于水。

水泥基体的晶格中可以固定某些金属离子，重金属的浸出可以得到有效的控制。

具体水化反应如下：

（1）硅酸三钙的水合反应

3CaO·SiO2+xH2O→2CaO·SiO2·yH2O+Ca（OH）2

→CaO·SiO2·mH2O+2Ca（OH）2

2CaO·SiO2+xH2O→3CaO·2SiO2+3Ca（OH）2

→2CaO·SiO2·mH2O+4Ca（OH）2

（2）硅酸二钙的水合反应

2CaO·SiO2+xH2O→2CaO·SiO2·xH2O

→CaO·SiO2·mH2O+Ca（OH）2

2CaO·SiO2+xH2O→3CaO·2SiO2·yH2O+Ca（OH）2

→2CaO·SiO2·mH2O+2Ca（OH）2

（3）铝酸三钙的水合反应

3CaO·AlO3+xH2O+Ca（OH）2→3CaO·AlO3·mH2O

（4）铝酸四钙的水合反应

4CaO·AlO3+Fe2O3+xH2O→3CaO·AlO3·mH2O+CaO·FeO·nH2O

通过水泥固化技术提高强度的主要机要是：

水泥水化反应产生的水化硅酸钙对固体废物颗粒产生的胶结作用。

由于污泥的含水率很高，无机固体颗粒成分在其中的含量非常少，水泥水化反应形成的水化产物是固体处理后所形成强度的主要来源，而从污泥自身来说对强度的贡献不大。

而且水泥水化反应对污泥中的重金属来说还具有一定的阻碍作用。

水泥固化法主要有以下的优点：

1）处理重金属的废物时十分有效；

2）工艺和设备，设备动力消耗、投资和运行费用都不高，使用的水泥和其他添加剂价格低廉；

3）常温下即可进行，操作条件简单，尤其对电镀污泥处理效果非常好；

4）固化强度和长期稳定性较好，对风化和受热有一定的抵抗力，因而有较高的利用价值；

5）水泥固化法在对含有有害物质的污泥固化法中，是最经济的一种。

其缺点是由于空隙率较高，浸出率也会比较大，通常会达到10-4～10-6g/（cm2.d）;其次是固化后增容较大，增容比可达1.54.尽管如此，水泥固化仍被应用与工程中。

本实验将利用水泥固化处理方法。

2.3.2石灰固化法

另一种经济有效的土壤固化稳定类材料是生石灰混合粉煤灰。

它能够将重金属污染的土壤中的铅、三价和六价铬有效的固化稳定，使之满足的TCLP浸出标准。

浸出液的PH值在9～12之间变化时，由于在化学吸附和高PH环境下重金属形成了难溶化合物两方面的原因，使其具有相对较好的固化稳定效果。

固化土体的强度特性可以在硫酸盐的使用后固化土水化后形成钙矾石而改变，使处理后的土能够满足工程需要。

2.3.3沥青固化法

沥青固化法是借助材料的不透水性，把污泥的表面包覆和固定，以避免有害物质的溶出，而化学变化在其中并不涉及。

在固化过程中，必须将污泥的粒径大小及水分进行调整，同时将杂质尽量降低，以便处理物能够被沥青包覆层完全覆盖。

第三章污泥固化处理实验研究

对污泥进行水泥固化，固化体产生强度的机理主要是水泥水化反应生成的水化硅酸钙对固体废物颗粒产生胶结作用。

由于污泥含水率高，其中的无机固体颗粒成分较少，所以污泥颗粒对固化的强度的贡献很少，固化体的强度主要是依靠水泥水化反应形成的水化产物。

要获得一定强度的固化体就需要消耗大量的水泥，导致其处理费用非常高，到目前为止不能被国内市场广泛接受，影响了污泥固化在我国的应用和推广[7]。

针对这些问题，本实验通过添加本土与水泥反应形成骨架，提高固化体无机固体颗粒成分，进而达到提高固化污泥强度与降低处理成本的技术目标。

3.1材料与仪器

污泥取自xx市xx村污水处理厂经脱水后的污泥,取回后采用聚乙烯袋封存,排除空气,浸泡在水中以保持其原始含水率,在密封、遮光的环境中保存防止污泥失水和降解,污泥的各项性质见表1;外加剂本地土取自xx市的普通土,本地土的主要成分见表2；普通硅酸盐水泥,主要成分见表3。

表1污泥的各项性质

项目含水率/%密度PH值TOC总氮总磷氨氮热值

测定结果79.011.157.8249.515.6781.78813.16314.746

表2本地土的化学成分

矿物成分平均含量/%

Fe2O34.66

Al2O312.43

CaO8.49

MgO2.38

TiO20.83

SiO255.04

SO30.06

KO22.44

Na2O1.64

烧失量10.79

合计98.76

表3水泥的基本性质

项目GB175-1999标准

细度0.08mm筛余/%　　　　　　　≤１０

标准稠度　　　　　　—

初凝时间/min　　　　　　≥４５

终凝时间/h　　　　　　≤１０

安定性合格

ISO胶砂强度2d抗折/MPa　　　　　　　　　　　≥２.５

28d抗折/MPa　　　　　　　　　　≥５.５

ISO胶砂强度2d抗压/MPa　　　　　　　　　　　≥１１.０

28d抗压/MPa　　　　　　　　　　≥３２.５

三氧化硫/%　　　　　　　　　　　　　　　　　　≤３.５

氧化镁/%　　　　　　　　　　　　　　　　　　　≤５.０

烧失量/%　　　　　　　　　　　　　　　　　　　≤５.０

电动应变式无侧限压缩仪;TG12M型离心脱水机；1013型鼓风电热恒温干燥箱；TG328A型分析天平；S550型电镜扫描电子显微镜；751GW型分光光度计；D251型电动搅拌机；马弗炉等。

3.2实验方法

将本地土按比例掺入污泥当中,充分搅拌均匀后,加入水泥进行搅拌,根据土工实验规范的要求（试样高度和直径比为2~2.51）,试样直径为4.5cm,高度为8.0cm,分3层装入制样模具,每层振动2min后再装入下一层。

制样置于恒温恒湿箱中养护,1d后脱模。

继续养护至试验龄期进行无侧限抗压强度实验。

3.3结果与讨论

3.3.1水泥掺入量a及本地土掺入量b与固化污泥强度（7d）龄期的关系[8]

固化污泥的强度受污泥的初始含水率、固化材料的种类和掺入量及养护条件等因素影响[9]。

本实验先固定初始含水率79.01%及养护龄期7d,以本地土为辅助添加剂,进行强度配比实验,实验方案见表4。

掺入量指每千克污泥中掺入的水泥或本地土质量,实验结果见图1、图2

表4固化污泥实验方案

编　　　　水泥掺入量　　　　　　　　　　　　　　本地土掺入量

号　　　　/（kg.kg-1）　　　　　　　　　　　　/（kg.kg-1）　

１　　　　0.05　　　　　　　　　　0　0.1　0.2　0.4　0.6　0.8　1.2　1.5　2.0　2.5

２　　　　0.10　　　　　　　　　　0　0.1　0.2　0.4　0.6　0.8　1.2　1.5　2.0　2.5

３　　　　0.15　　　　　　　　　　0　0.1　0.2　0.4　0.6　0.8　1.2　1.5　2.0　2.5

４　　　　0.20　　　　　　　　　　0　0.1　0.2　0.4　0.6　0.8　1.2　1.5　2.0　2.5

５　　　　0.40　　　　　　　　　　0　0.1　0.2　0.4　0.6　0.8　1.2　1.5　2.0　2.5

由图1和图2可知:

1单独采用水泥（本地土加入量为0的条件）对污泥进行固化时固化污泥的强度很低,随水泥量的增加,其强度增加的量很小,根据实验结果推算,即使水泥用量是所要处理的污泥质量25%时,其强度仅29k