技术领域
[0001] 本
发明属于资源环境领域，涉及污泥的资源化利用与对污泥中含有的重金属的
固化，具体以污泥基制备磷酸钾镁
水泥材料，并固化污泥中含有的重
金属离子。
背景技术
[0002] 随着我国社会经济的不断发展和城市化
进程的加快，市政污水和污泥的产量急剧增加。污泥含有大量的水分、致病菌、病原体、重金属、盐类及难分解的有机物等，它
味道难闻，体积大而易腐化发臭。如果不经处理处置随意堆放，污泥中的污染物会转移到环境中，污染空气、
地下水和
土壤，对自然环境造成严重的威胁和影响。污泥的处理处置遵循固废处理处置的三化原则：减量化、无害化与资源化。目前其再利用的方法有：卫生填埋、海洋倾倒、直接利用(农用、堆肥等)、焚烧、低温
热解和作为建材等。
[0003] 污泥卫生填埋始于20世纪60年代，是一项比较成熟的污泥处置技术。污泥既可单独填埋也可与生活垃圾和
工业废弃物一起填埋。这种处置方法简单、易行、成本低，污泥又不需要高度脱水，适应性强。填埋场一般为废弃的矿坑或天然的低洼地。污泥卫生填埋方法操作相对简单，处理成本低，适用性强，但是，污泥填埋只是在表观上延迟污泥带来的污染，且近年来污泥填埋的负面效应越来越大，因此带来的土壤及地下水污染越来越引起人们的重视，各国均在逐年降低污泥的填埋比例。
[0004] 污泥的海洋倾倒是指直接将污泥排入大海而不做预处理，处置方法虽然经济且操作简单，但会对海洋的生态环境产生污染，危及
生物安全。污泥的海洋倾倒会对海洋的生态环境产生污染，危及生物安全。美国在1991年禁止了污泥海洋倾倒，另外，西非国家经济共同体在1991年颁布了对城市污
水处理的直接指令，规定从1998年起不可向
水体倾倒污泥。
[0005] 污泥土地利用是把污泥或干燥化后污泥以及经过
发酵化形成的生物固体，应用于林地、果园、草地、市政绿化、育苗基质以及严重扰动的土地复垦与重建等。污泥中的养分(如氮和磷)、有机质施用于花园、林地、景观美化，增加土壤肥
力，促进作物生长的效果。但是，污泥中含有大量的病原菌，以及多氯联苯等难降解的有毒有害物，特别是污泥中所含的重金属限制了土地对污泥利用的适应性，所以必须严格按照国家相关标准进行污泥利用，污泥在土地利用前，必须经过无毒无害化处理，否则污泥会对环境做成危害。所以污泥的土地直接利用会受到很大程度的限制。
[0006] 污泥焚烧是将污泥置入焚烧炉内，在通入过量空气情况下，进行完全焚烧，使污泥中的可燃成分在高温下充分燃烧，最终成为稳定的灰渣，最大限度地减少污泥体积，使污泥最终处置极为方便。1t干污泥焚烧后仅产出0.36t灰渣，减量化效果显著。但是，污泥直接焚烧，成本很高，操作管理复杂，会产生有毒有害气体和
烟尘，如NOx、SOx、HCl等，及噪声、震动、热和
辐射等污染，特别是在经过不充分燃烧的过程时会产生二噁英等有害气体，在大气控制方面还存在一定的技术问题，并且
稳定性方面也存在着一些问题。
[0007] 城市污泥低温热解是一种发展中的
能量回收型污泥热化学处理技术。它通过在催化剂作用下无
氧加热干燥污泥至一定
温度(<500℃)，由干馏和
热分解作用使污泥转化为油、反应水、不凝性气体和炭4种可燃产物，正常产率为200～300L(油)/吨(干泥)，其性质与柴油相似。低温热解是能量净输出过程，成本低于直接焚烧。然而现阶段，污泥的低温热解技术还不够成熟，低温热解过程中会产生的气体气味极度难闻，也会产生有毒性的气体污染环境，燃烧时会产生一定有害物质。由于污泥热解特性较为复杂，很多因素影响热解产物的生产，热解过程较难控制，因此很难对污泥热解特性做一个全面的、适用性广的标准。
[0008] 污泥是一种黏土质资源，同时含有大量的Si、Al、Ca、Fe等成分，将其干化、磨细后与黏土或
粉煤灰按一定比例掺和，在高温下
烘焙烧结可使污泥稳定化，并用于制成
建筑材料。若能综合利用最终可达到污泥的稳定化、无害化和资源化。在资源化处理处置方向，主要研究污泥焚烧残渣的成分、矿物结构等理化性质的资源化利用价值，目前主要研究集中在将污泥残渣作为原料制备建筑材料，同时固化残渣中的重金属离子，使其实现无害化与资源化。
[0009] 为此，有必要设计一种污泥基磷酸钾镁水泥及其制备方法，能够克服现有污泥处理技术的弊端。
发明内容
[0010] 本发明的主要目的是提供一种污泥基磷酸钾镁水泥及其制备方法，用来克服现有污泥处理技术的弊端。
[0011] 本发明是这样实现的，一种污泥基磷酸钾镁水泥，由液态基和固态基混合而成，其中所述固态基由含镁化合物、含钾磷化合物、
缓凝剂以及污泥残渣组成。
[0012] 本发明的进一步技术方案是：所述污泥残渣占所述固态基总
质量的5-50％；所述絮凝剂占所述固态基总质量的5-20％；其余为含镁化合物和含钾磷化合物，其中所述含钾磷化合物与所述含镁化合物的摩尔比例为1:3-5。
[0013] 本发明的进一步技术方案是：所述液态基和所述固态基之间的质量比为0.15-0.35：1。
[0014] 本发明的进一步技术方案是：所述液态基为去离子水。
[0015] 本发明的进一步技术方案是：所述含镁化合物为氧化镁。
[0016] 本发明的进一步技术方案是：所述含镁化合物为重烧氧化镁。
[0017] 本发明的进一步技术方案是：所述含钾磷化合物为磷酸二氢钾。
[0018] 本发明的进一步技术方案是：所述缓凝剂为
硼砂。
[0019] 本发明的另一目的在于公开一种污泥基磷酸钾镁水泥的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0020] 步骤A：固态基配置步骤，所述固态基配置步骤系将重烧氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂和污泥残渣按照一定比例混合；
[0021] 步骤B：凝胶材料制备步骤，所述凝胶材料制备系将去离子水加入步骤A配好的固态基中，搅拌；
[0022] 步骤C：固化步骤，所述固化步骤系将步骤B获得的凝胶材料倒入试模中，并插捣和震实，将试件表面刮平；
[0023] 步骤D：养护步骤，所述养护步骤系待步骤C中试件固化后脱模，在空气中养护，固化时间为2-3h。
[0024] 本发明的进一步技术方案是：所诉步骤A中现将重烧氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂按比例混合均匀后再加入污泥残渣。
[0025] 本发明的有益效果是：本方案提供的污泥基磷酸钾镁水泥及其制备方法利用污泥残渣制备污泥基磷酸钾镁水泥材料，实现了污泥残渣的资源化利用，为污泥的处置提供了一种新的方案，同时对污泥残渣中的重金属离子进行固定化，防止重金属离子对环境造成二次污染。加入5-50％的污泥残渣的污泥基磷酸钾镁水泥材料的7d抗压强度为16-40MPa，具有较高的强度，且对污泥中重金属离子，尤其是的固化效果明显。
附图说明
[0026] 为了更清楚地说明本
申请实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027] 图1是本发明实施例提供的污泥基磷酸钾镁水泥的制备方法的示意图。
[0028] 图2是本发明实施例提供的污泥基磷酸钾镁水泥对重金属离子固化实验中
浸出液的选取步骤。
[0029] 图3是本发明实施例提供的污泥基磷酸钾镁水泥对重金属离子固化效果实验的实验步骤。
具体实施方式
[0030] 本发明提供一种污泥基磷酸钾镁水泥及其制备方法。以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0031] 一种污泥基磷酸钾镁水泥，由液态基和固态基混合而成，其中所述固态基由含镁化合物、含钾磷化合物、缓凝剂以及污泥残渣组成。本方案利用磷酸钾镁水泥对污泥残渣中的重金属离子进行固定化，防止重金属离子对环境造成二次污染。
[0032] 所述污泥残渣占所述固态基总质量的5-50％；所述絮凝剂占所述固态基总质量的5-20％；其余为含镁化合物和含钾磷化合物，其中所述含钾磷化合物与所述含镁化合物的摩尔比例为1:3-5。所述液态基和所述固态基之间的质量比为0.15-0.35：1。
[0033] 在本方案中，所述液态基为去离子水。所述含镁化合物为重烧氧化镁。所述含钾磷化合物为磷酸二氢钾。所述缓凝剂为硼砂。
[0034] 重烧氧化镁也称重烧镁，是一种化学物质，是指菱镁矿在1800℃
煅烧时，二氧化
碳完全逸出，氧化镁形成方镁石致密
块体。这种重烧镁具有很高的耐火度。其主要成分为氧化镁，选用天然特级菱镁
矿石经浮选提纯、轻烧、细磨、高压压球、超高温油竖窑煅烧而成。
[0035] 此外，也可以使用其他的缓凝剂，如硼酸、三聚磷酸钠、复合缓凝剂等，其中由于硼砂缓凝效果相对较好，所以一般采用硼砂作为缓凝剂。
[0036] 这些都是成本低廉、容易获得的常用化合物，且效果很好。例如，当镁磷比(MgO：KH2PO4)为4：1，硼砂掺量为10％，污泥掺杂量为10％，水灰比为0.15时，制备的污泥基磷酸钾镁水泥材料的7天抗压强度为37.44MPa，经TCLP重金属浸出测试表明，磷酸钾镁水泥对Pb、Cr、Cd、Cu等重金属离子均具有由较好的固化效果，其中对Pb的固化效果最为明显，高达
94.53％，大大降低了重金属离子对环境的危害。
[0037] 本发明的另一目的在于公开一种污泥基磷酸钾镁水泥的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0038] 步骤A：固态基配置步骤，所述固态基配置步骤系将重烧氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂和污泥残渣按照一定比例混合；其中，先将重烧氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂按比例混合均匀后再加入污泥残渣。
[0039] 步骤B：凝胶材料制备步骤，所述凝胶材料制备系将去离子水加入步骤A配好的固态基中，搅拌；
[0040] 步骤C：固化步骤，所述固化步骤系将步骤B获得的凝胶材料倒入试模中，并插捣和震实，将试件表面刮平；
[0041] 步骤D：养护步骤，所述养护步骤系待步骤C中试件固化后脱模，在空气中养护，固化时间为2-3h。
[0042] 图1是本发明实施例提供的污泥基磷酸钾镁水泥的制备方法的示意图。如图1所示，首先在磷酸钾镁水泥中掺入污泥残渣制备污泥基磷酸钾镁水泥，所用原料有重烧氧化镁(MgO)，选用的
磷酸盐为磷酸二氢钾(KH2PO4)，缓凝剂用硼砂(Na2B4O7·10H2O)，将重烧氧化镁、磷酸二氢钾及硼砂按一定的配比称量，将称量好的固体粉料混合，并加入适量污泥残渣后混匀，随后，加入去离子水，搅拌2～3分钟后，将搅拌好的胶凝材料净浆倒入试模中，并插捣、振实后，将试件表面刮平，由于磷酸钾镁水泥
凝结时间很快，试件在2～3小时后脱模，在空气中养护。
[0043] 为了进一步说明本方案制备出的污泥基磷酸钾镁水泥的有益效果，本方案进一步通过实验来证明了水泥对污泥中重金属的固化效果。
[0044] 验证实验采用了TCLP重金属浸出测试，其实验步骤如图3所示。TCLP是美国环境署
指定的重金属浸出效果评价方法，是国际公认的研究工业废弃物重金属浸出毒性的方法。本实验通过TCLP浸出实验，模拟自然酸性环境下对固体样品中的重金属进行浸出实验。该方法采用
醋酸缓冲溶液作为浸出液(有pH＝4.93，pH＝2.88的HAc-NaAc两种缓冲溶液，依据样品pH选择)，按液固比为20:1进行浸出实验，浸出时间为18h，浸出完毕后用0.45μm滤
膜过滤，滤液用容量瓶定容，用ICP检测溶液中的重金属含量。浸出液的选取步骤如图2所示。
[0045] TCLP浸出实验模拟了自然的酸性环境下，研究固体中重金属向环境迁移、浸出的行为，并用ICP测定其中重金属的浓度。本实验对污泥残渣和掺入10％污泥残渣制得的磷酸钾镁水泥固化体进行的TCLP实验，结果如表1所示。
[0046] 表1：污泥残渣、固化体TCLP浸出的重金属含量
[0047]
[0048] 可见，污泥残渣中的重金属经磷酸钾镁水泥固化后，浸出毒性显著下降，固化体中重金属Ni的浸出毒性甚至已经低于仪器的
检测限。其中，固化体中污泥残渣含量为10％，因此与之相比较的污泥残渣浸出含量应乘以10％。由图表可知，忽略低于检测限的Ni元素，固化体对重金属Pb的固化率最好，高达94.53％。对重金属Cr的固化率达63.94％，对重金属Cd的固化率达45.87％。在TCLP浸出实验中，固化体对Cu固化效果较差，固化率为20.11％；对Zn的固化效果最差，仅为4.14％。
[0049] 本方案提供的污泥基磷酸钾镁水泥及其制备方法利用污泥残渣制备污泥基磷酸钾镁水泥材料，实现了污泥残渣的资源化利用，为污泥的处置提供了一种新的方案，同时对污泥残渣中的重金属离子进行固定化，防止重金属离子对环境造成二次污染。加入5-50％的污泥残渣的污泥基磷酸钾镁水泥材料的7d抗压强度为16-40MPa，具有较高的强度，且对污泥中重金属离子，尤其是的固化效果明显。
[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
