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一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法
申请号	CN201511023099.8	申请日	2015-12-29	公开(公告)号	CN105418145A	公开(公告)日	2016-03-23
申请人	山东大学;			发明人	裴海燕; 陈洋; 胡文容; 孟盼盼; 邵媛媛; 李政;
摘要	本发明涉及一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，所述的陶粒制备方法主要包括原材料的预处理、成球、烧制和冷却四个阶段。本发明选取粒径为6～8mm的生料球在105℃干燥2h脱去水分，300～400℃条件下预热20～30min，1150℃条件下焙烧 8～10min，冷却后即得陶粒成品。本发明通过控制物料配比、成球机转速、粘合剂喷洒方式、焙烧时间与温度等条件制得比表面积大、磷吸附性能强的陶粒，可用作污水处理系统的填料，实现了给水厂污泥的资源化利用。
权利要求	1.一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，包括原材料的预处理、成球、烧制和冷却四个阶段，其特征在于所述陶粒的制备方法是： (1)将给水厂污泥自然风干，放入粉碎机中磨碎，用100～120目的标准筛进行筛分； (2)将给水厂污泥与粘土均匀混合得到成球物料，加入到成球机中制备生料球，成球过程中喷洒硅酸钠溶液作为粘合剂； (3)成球后筛选出粒径为6～8mm的生料球，放入烘箱中在105℃条件下干燥2h脱去水分，移入马弗炉在300～400℃条件下预热20～30min，继续升温至1150℃焙烧8～10min； (4)关闭马弗炉加热电源，待温度降到400℃后打开炉门，自然冷却至室温，即得到陶粒成品。 2.根据权利要求1所述的一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，其特征在于成球物料由给水厂污泥和粘土按(3～4)：1的质量比均匀混合而成。 3.根据权利要求1所述的一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，其特征在于成球过程中控制成球机转速在30～40r/min。 4.根据权利要求1所述的一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，其特征在于成球过程交替添加(喷洒)成球物料与硅酸钠溶液，硅酸钠溶液的质量分数为0.5～ 2.0％，硅酸钠溶液用量是成球物料质量10％～15％。
说明书全文	一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法一、技术领域 [0001] 本发明涉及一种多孔型吸磷陶粒，属于污泥陶粒技术领域。二、技术背景 [0002] 目前我国的给水厂主要通过混凝、沉淀、过滤和消毒等一系列工艺净化水源，去除原水中的悬浮物质、胶体物质等杂质，以管网分配的形式将净化后的水供给用户。在饮用水生产过程中会产生大量污泥，主要来自沉淀池的排泥水和反冲洗装置的冲洗废水。2014年，全国城市水厂脱水污泥(含水率70％)年产量接近2200万吨，随着我国人口的不断增加及城巿化进程的日益加快，给水厂的数量和规模不断扩大，给水厂产生的污泥量也将日益增加，因此合理处置给水厂污泥成为当前亟需解决的问题。 [0003] 给水厂污泥是一种潜在的可回收利用的资源，并且存在巨大的商业价值。当前，给水厂污泥的处置主要集中在排泥水的直接排放、脱水泥饼的海洋投弃、陆上埋弃、卫生填埋、铝盐铁盐的再生、土地利用和建材利用等方面，但是存在引发二次污染、后续处理费用高等问题。给水厂污泥的主要成份是水源水中带来的大量泥沙、杂质及水厂投加的混凝剂，其主要成份以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主，基本满足制备陶粒原料的成份范围要求，因此以给水厂污泥为主要原料，加以一定量的辅料、添加剂，经过烧胀制成具有一定强度的轻质陶粒，可以大量消耗脱水污泥，既能解决污泥最终处置的问题，又能解决陶粒原料短缺的问题，尤其符合我国固废处理的无害化、减量化和资源化原则，是一条可持续发展的新路。 [0004] 在给水厂污泥用作污水处理中，其除磷的核心理论是由于污泥中含有非晶体铝离子，这些非晶体铝离子对污水中的磷具有吸附作用，并能将可溶性的磷固化。常规饮用水处理技术普遍采用混凝工艺，而新型混凝剂聚合氯化铝等逐渐取代了硫酸铝和氯化铁，使得大量铝离子最终沉积于给水厂污泥中，对磷具有较强的吸附能力。 [0005] 在目前的专利或研究中，利用给水厂污泥制备吸磷陶粒的研究较少，在申请号为201010130425.6中公开了《一种以自来水厂污泥为主料烧制轻质陶粒的方法》，该专利中将制得的陶粒用于建材行业；在申请号为201410334856.2中公开了《一种陶粒生产方法及陶粒和陶粒的应用》，该专利中给水厂污泥添加量较少，仅为10～30％。这些专利申请中制备的陶粒存在给水污泥添加量较少、比表面积不高等问题。本发明用给水厂污泥这一工业副产物制备陶粒，并针对目前存在的问题优化了给水厂污泥陶粒的生产工艺，研究了给水厂污泥陶粒的性能及磷吸附特性，探讨了给水厂污泥陶粒用于污水处理系统除磷的可行性，实现了对给水厂污泥的资源化利用。三、发明内容 [0006] 本发明的目的在于：提供了一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法。所述的多孔型吸磷陶粒具有较强的磷吸附性能。 [0007] 为实现上述目的，本发明所采用技术方案的制备步骤是： [0008] (1)将给水厂污泥自然风干，放入粉碎机中磨碎，用100～120目的标准筛进行筛分； [0009] (2)将给水厂污泥与粘土均匀混合得到成球物料，加入到成球机中制备生料球，成球过程中喷洒硅酸钠溶液作为粘合剂； [0010] (3)成球后筛选出粒径为6～8mm的生料球，放入烘箱中在105℃条件下干燥2h脱去水分，移入马弗炉在300～400℃条件下预热20～30min，继续升温至1150℃焙烧8～10min； [0011] (4)关闭马弗炉加热电源，待温度降到400℃后打开炉门，自然冷却至室温，即得到陶粒成品。 [0012] 本发明中，所述的步骤(2)中给水厂污泥和粘土按(3～4)：1的质量比均匀混合。 [0013] 本发明中，所述的步骤(3)中控制成球机转速在30～40r/min。 [0014] 本发明中，所述的步骤(3)中成球过程交替添加(喷洒)成球物料与硅酸钠溶液，硅酸钠溶液的质量分数为0.5～2.0％，硅酸钠溶液用量是成球物料质量10％～15％。 [0015] 本发明具有的有益效果： [0016] 本发明所制备的陶粒表面粗糙，均匀布满直径为1～2mm的粒状突起，并且有丰富的微孔结构，微孔间隙较大(1～5μm)，具有较强的物理吸附能力；本发明所制备的陶粒具有机械强度高，孔隙率高，比表面积大的特点，这些特点适合用作污水处理系统的填料；本发明将给水厂污泥用作廉价、高效、新型的污水处理系统除磷材料对于控制水体富营养化具有较大的应用前景。本发明用给水厂污泥生产陶粒用于污水处理系统，实现了给水厂污泥的无害化、资源化和产业化处理，有利于保护土地资源和水资源，降低建设投资、运行费用，在经济社会和环境等方面都具有较高的使用价值。四、附图说明 [0017] 图1为本发明的污泥陶粒的表观结构图； [0018] 图2为本发明的污泥陶粒的3000倍电镜微观表面结构图； [0019] 图3为本发明的多孔型吸磷陶粒对磷的等温吸附曲线图。五、具体实施方式 [0020] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明。 [0021] 实施例1 [0022] 一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，具体方法如下： [0023] 给水厂污泥陶粒的生产工艺主要包括原材料的预处理、成球、烧制和冷却四个阶段。 [0024] (1)预处理 [0025] 将给水厂污泥自然风干，放入粉碎机中磨碎，用100目的标准筛(筛孔尺寸0.15mm)进行筛分。 [0026] (2)成球 [0027] 将给水厂污泥和粘土按3：1的质量比均匀混合，加入到成球机制备生料球，成球过程中喷洒质量分数为0.5％硅酸钠的溶液作为粘合剂，硅酸钠溶液用量是成球物料质量10％，控制成球机转速为40r/min。 [0028] (3)干燥 [0029] 成球后筛选出粒径为6～8mm的生料球，放入烘箱中在105℃条件下干燥2h脱去水分，移入马弗炉在300℃条件下预热20min，继续升温至1150℃焙烧8min。 [0030] (4)冷却 [0031] 关闭马弗炉加热电源，待温度降到400℃后打开炉门，自然冷却至室温，即得到陶粒成品。 [0032] 陶粒成品的外观为灰褐色表面粗糙有粒状突起的球形固体，不均系数K80为1.8，3 2 表观密度为1.35～1.40g/cm，筒压强度为4.2～4.5Mpa，比表面积为4.7～4.9m/g，1h吸水率为8％～13％，孔隙率为43％～47％，破碎率≤1.0％，盐酸可容率≤0.8％，灼烧减量≤0.03％。 [0033] 实施例2 [0034] 一种用给水厂污泥制备多孔型吸磷陶粒的方法，具体方法如下： [0035] 给水厂污泥陶粒的生产工艺主要包括原材料的预处理、成球、烧制和冷却四个阶段。 [0036] (1)预处理 [0037] 将给水厂污泥自然风干，放入粉碎机中磨碎，用120目的标准筛(筛孔尺寸0.125mm)进行筛分。 [0038] (2)成球 [0039] 将给水厂污泥和粘土按4：1的质量比均匀混合，加入到成球机制备生料球，成球过程中喷洒质量分数为2.0％硅酸钠的溶液作为粘合剂，硅酸钠溶液用量是成球物料质量15％，控制成球机转速为30r/min。 [0040] (3)干燥 [0041] 成球后筛选出粒径为6～8mm的生料球，放入烘箱中在105℃条件下干燥2h脱去水分，移入马弗炉在400℃条件下预热30min，继续升温至1150℃焙烧10min。 [0042] (4)冷却 [0043] 关闭马弗炉加热电源，待温度降到400℃后打开炉门，自然冷却至室温，即得到陶粒成品。 [0044] 陶粒成品的表观结构如图1所示，由图中可以看出，污泥陶粒表面粗糙，光滑度低，陶粒表面均匀布满直径为1～2mm的粒状突起，大幅度提升了多孔型吸磷陶粒的表面积，带来丰富的微孔结构。 [0045] 陶粒成品的微孔结构如图2所示，由图中可以看出，陶粒表面充满了大大小小的孔穴，有很多沟壑，并且有丰富的微孔结构，微孔孔径范围为1～5μm，具有较强的物理吸附能力。 [0046] 本发明的多孔型吸磷陶粒，具有较强的磷吸附性能，等温吸附特征符合Langmuir方程，具体的研究试验方法如下： [0047] 主要试剂：5％过硫酸钾溶液、10％抗坏血酸、钼酸盐溶液、磷酸盐储备液及标准液、酚酞、氢氧化钠溶液(1mol/L)、硫酸溶液(1mol/L) [0048] 主要实验仪器：UV-2450紫外分光光度计；MLS-3750高压蒸汽灭菌器；恒温振荡器(HZQ-R)；抽滤器(GM-0.33II)；FA1004型电子分析天平；干燥器；移液枪。 [0049] 将优级纯的磷酸二氢钾(KH2PO4)于110℃干燥2h，在干燥器中放冷。称取0.2197g溶于水，移入1000ml容量瓶中。加(1+1)硫酸5ml，用水稀释至标线，此溶液用水稀释至标线，此溶液中每毫升含50.0μg磷(以P计)，作为KH2PO4贮备液。 [0050] (1)称取原料20g，置于500ml KH2PO4溶液中，在室温25℃条件下145r/min振荡，分别在1、2、4、6、8、12、24、36、48、72h取样，在4000r/min转速下离心，取其上清液，比色测定，计算所制备陶粒对磷的最大吸附量达319mg/kg。 [0051] (2)称取原料10g置于250ml锥形瓶中，分别加入100mL不同浓度的KH2PO4溶液(0、5.0、10、20、30、40、50mg/L)，置于恒温摇床中，以145r/min，(25±1)℃振荡72h后，0.45μm滤膜过滤，钼锑抗紫外分光光度法于700nm处比色测定滤液的磷浓度，根据浓度变化，研究所制备陶粒对磷的吸附特性。 [0052] 所制备陶粒对磷的等温吸附曲线如图3所示，等温吸附过程可以分为两个阶段：初始阶段，随着溶液浓度的增加，陶粒对磷的吸附量迅速增大，吸附等温线比较陡；当溶液浓度增大到一定程度后，吸附作用逐渐减弱，进一步增加溶液浓度，磷吸附量增长缓慢，吸附作用趋于平衡。

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