一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法技术

本发明专利技术涉及高效固定城市污泥中重金属铅的方法，可以封闭重金属类污染物，限制其生化反应，有效地防止污染物对环境产生再次污染的问题，其解决的技术方案是，包括以下步骤：（1）城市污泥预处理；（2）材料选择；（3）确定污泥中各形态铅的含量；（4）确定水泥和碱石灰的最佳掺比；（5）制备改性水泥；本发明专利技术方法简便，操作方便，成本低，重金属铅的稳定效果十分明显，并通过该方法的实施改善土壤环境，处理效果好、零污染，适用于大量污泥的处置，可以封闭重金属类污染物，限制其生化反应，最有效地防止污染物对环境产生再次污染，是固定城市污泥中重金属铅的方法上的创新。

A method for high efficiency fixation of heavy metal lead in municipal sludge

The invention relates to a method for heavy metal lead, fixed city sludge, heavy metal pollutants can be closed, limiting the biochemical reaction, effectively prevent pollutants once again produce pollution to the environment, the technical scheme is that includes the following steps: (1) city sludge pretreatment; material selection; (2) (3) to determine the content of various forms of lead in sludge; (4) to determine the best cement and lime ratio; (5) preparation of modified cement; the method is simple, convenient operation, low cost, stable effect of Pb is very obvious, and improve soil environment through the implementation of the method, good treatment effect, zero pollution, suitable for a large number of sludge disposal can be closed, heavy metals, limiting their biochemical reactions, most effectively prevent pollutants once again produce pollution to the environment, the city is fixed Innovation in the method of heavy metal lead in municipal sludge.

【技术实现步骤摘要】
一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法
本专利技术涉及城市污泥中重金属处理处置的
，特别是一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法。
技术介绍
城市污泥是城市污水处理厂在污水净化处理过程中产生的沉积物。它的体积虽然只占到处理污水体积的相当小的部分，但是处理污泥所需要的费用却将近达到污水厂总运行费用的一半。最近几年，我国的污泥产生量持续增加，而且污泥容易发生腐败，有难闻性气味，污泥的含水率能达到99％。最近几年，国家领导不断重视环境的发展，严格要求工厂的污水达到排放标准了才能排放，但是污泥的处置方法仍然处于基础研究阶段。大部分污水处理厂大都运用直接排放、填埋的方法处理含有多种有害污染物的污泥，这种处置使污泥对环境以及人体健康都产生了不良影响。所以，积极的处置与处理污泥是当今社会十分必要和紧迫的任务。当前，污泥填埋、倒海等处理方式对比污泥的农用以及园林绿化利用来说，这两种处置方法并不适用于我国现在的发展。污泥中大都含有丰富的有机物和元素，可以很好地改良土壤物理性状和作为良好的植物养分来源，所以污泥农用以及园林绿化利用可以说是一种最为节约成本、最有未来前景的处置方法。目前世界面临的最大问题是污泥不能够最大化地利用，英国等地的利用率也仅在40％多。污泥中含有大量的重金属是污泥利用率下降的重要原因。我国污水处理厂的污泥中Pb、Cd、Cu、Mn等重金属元素含量经常超标，而且没有对这些污泥进行任何有效性地处理，这种做法就造成了污泥的利用率低，同时也再次污染了环境。所谓“有机”只是人为控制让产品不受农药等污染物的危害，但是如果土壤或污泥中含有的大量重金属通过根系进入食物中，人类的健康同样不可避免的受到危害。为了整个地球的和谐发展，不仅政府要积极地采取应对措施，个人也要从自身做起，尽量最小程度地向环境中排放重金属废物。如何将产量大、组分复杂多变的污泥，采用科学方法处理后，使其能够减量化、稳定化、无害化以及资源化，这一课题已引起学者的广泛关注。表1统计了我们国家从1994年到2001年污泥中重金属的含量。表1我国城市污水处理厂污泥中重金属含量水泥的出现基于人类在长期实践中的持续探索、不断积累，历史上建筑学的进步造就了它的发展。水泥是一种建筑用胶凝材料，有人说它是建筑的“粮食”，人类文明发展过程中离不开它，现代社会无论高楼大厦还是普通平房的建设都离不开他。现今，全球水泥产量已经达到20多亿吨，是当今社会必不可少的大宗产品。如何利用这种大众化产品降低污泥中重金属的毒性是值得学者们思考的问题。合理利用水泥稳定化处理污泥中的重金属，对于减少污泥中重金属对环境和人体的危害具有重要意义。现阶段，水泥被广泛应用于固化/稳定化处理污泥重金属中。水泥在发生水化后体系的强度有所增强，pH也有所提高。水泥的水化不仅使废弃物的强度得到提高，而且很大程度上稳定了危险废弃物内部的有害污染物，降低了污染物的转移效率。硅酸三钙是水泥熟料中含量最多的组分，通常占材料总量的50％左右，有时高达60％。硅酸钙的水化产物的化学成分不稳定，常随着水相中钙离子的浓度、温度、使用的添加剂、养护程度而发生改变，而且形态不固定。在常温下，硅酸三钙水化反应会生成水化硅酸钙和氢氧化钙；硅酸二钙的水化反应与硅酸三钙并没有什么差别，只是其水化速率低于硅酸三钙；迅速、放热快是铝酸三钙水化反应的一大特点；水泥熟料中铁相固溶液的水化速率稍稍低于铝酸三钙。溶解过程、界面反应和固态反应很大程度上决定水化产物和微观结构特征，根据泰勒的观点可以将水泥水化进行划分，如表2所示。表2水泥水化机理在污泥与水泥混合后体系就会发生水化反应。污泥中的重金属吸附在污泥表面，这就导致了重金属影响水泥的水化反应。一种凝胶状结构能够包围水泥。锌、铅等重金属在城市污泥中的含量较高，高含量的重金属都会影响水泥的水化反应，同时影响自身向更稳定的化学形态转变。研究表明水泥中含有氧化锌会延长水泥的凝结时间，同时减小对其早期强度的影响。试验发现铝酸三钙和硅酸三钙的水化作用并没有明显地受到Cu(OH)2的影响，但是水泥在发生水化反应后的强度会降低。试验发现一些铅类化合物的加入使主要的放热时间推迟，在水泥凝结作用结束，一部分这类化合物又促进了水泥的水化速率，然而一部分铅类化合物则抑制了水化速度。因此，结合以上，专利技术一种固定城市污泥中重金属铅的方法势在必行。
技术实现思路
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本专利技术之目的就是提供一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法，可以封闭重金属类污染物，限制其生化反应，有效地防止污染物对环境产生再次污染的问题。本专利技术解决的技术方案是，包括以下步骤：(1)城市污泥预处理；(2)材料选择；(3)确定污泥中各形态铅的含量；(4)确定水泥和碱石灰的最佳掺比；(5)制备改性水泥。本专利技术提供了一种利用不同材料去固定活性污泥中重金属铅的方法，方法简便，操作方便，成本低，重金属铅的稳定效果十分明显，并通过该方法的实施改善土壤环境，该方法处理效果好、零污染，适用于大量污泥的处置，可以封闭重金属类污染物，限制其生化反应，最有效地防止污染物对环境产生再次污染，且对于实际大批量污泥的处理具有较强的可行性，是固定城市污泥中重金属铅的方法上的创新。附图说明图1为本专利技术原污泥中铅的化学形态分布。图2为本专利技术铅有机物结合态含量变化。图3为本专利技术铅残渣态含量变化。图4为本专利技术铅可交换态含量变化。图5为本专利技术铅碳酸盐结合态含量变化。图6为本专利技术铅铁锰氧化物结合态含量的变化。图7为本专利技术铅有机物结合态含量的变化。图8为本专利技术铅残渣态含量变化。图9为本专利技术400℃下焙烧的改性水泥固化铅的效果随时间的变化。图10为本专利技术600℃下焙烧的改性水泥固化铅的效果随时间的变化。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。本专利技术在具体实施时，包括以下步骤：(1)城市污泥预处理：对城市重金属污泥进行干化预处理，使重金属污泥含水率降至60wt％以下；(2)材料选择：1)水泥水泥是普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥为在硅酸盐水泥熟料中加入6％-20％的混合材料、1.8％～2.5％的石膏制成的，所述的混合材料为石灰石、粒化高炉矿渣的一种或两种的混合；2)碱石灰碱石灰是市售普通建筑用的碱石灰；(3)确定污泥中各形态铅的含量称取一定量的污泥烘干，并且将其研磨破碎过100目筛，称取1.0g过筛的污泥放在50mL离心管中，运用Tessier五步提取法逐步提取出各形态的铅，然后用原子吸收法测定铅的吸光度，在标准曲线上求得其含量并计算各形态铅所占百分比，Tessier五步提取法具体是：B1(可交换态)：向污泥样品中加入lmol/LMgCl2(pH＝7.0)8mL，于室温振荡1h，4000r/min离心20min,取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B2(碳酸盐结合态)：测定B1后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；向上一态残渣加1mol/LNaAc-HAc(pH＝5.0)8mL，室温下振荡8h，4000r/min离心20min,取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B3(铁锰氧化物结合态)：测定B2后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；上一态残渣中加入20mL0.04mol/LNH2OH·HCl，在96℃水浴中断续搅拌，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）城市污泥预处理：对城市重金属污泥进行干化预处理，使重金属污泥含水率降至60wt%以下；（2）材料选择：1）水泥水泥是普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥为在硅酸盐水泥熟料中加入6%‑20%的混合材料、1.8％～2.5％的石膏制成的，所述的混合材料为石灰石、粒化高炉矿渣的一种或两种的混合；2）碱石灰碱石灰是市售普通建筑用的碱石灰；（3）确定污泥中各形态铅的含量称取一定量的污泥烘干，并且将其研磨破碎过100目筛，称取1.0g过筛的污泥放在50 mL离心管中，运用Tessier五步提取法逐步提取出各形态的铅，然后用原子吸收法测定铅的吸光度，在标准曲线上求得其含量并计算各形态铅所占百分比，Tessier五步提取法具体是：B1：向污泥样品中加入l mol/L MgCl2 8mL，于室温振荡1h，4000 r/min离心20min,取出上层清液定容至25 mL比色管中待测；B2：测定B1后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；向上一态残渣加1 mol/L NaAc‑Hac 8 mL，室温下振荡8h，4000 r/min离心20 min,取出上层清液定容至25 mL比色管中待测；B3：测定B2后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；上一态残渣中加入20 mL 0.04 mol/L NH2OH·HCl，在96℃水浴中断续搅拌，以4000 r/min离心20 min，取出上层清液定容至25 mL比色管中待测；B4：测定B3后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；向上一态残渣中加3 mL 0.02 mol/L HNO3溶液和5 mL 30%的用硝酸调节pH至2的H2O2，85℃下加热2 h，偶尔搅拌，然后加入3 mL H2O2，85℃间隙搅拌3 h，取出冷却25℃后，加入2 mol/L NH4Ac 5 mL，在摇床振荡0.5 h后离心20 min，取出上层清液定容至25 mL比色管中待测；B5：经过上述4步浸出的固体残渣接着经过HCl、HClO4、HF、HNO3消解，消解后于50 mL容量瓶中定容待测；（4）确定水泥或碱石灰的最佳掺比在每份15g污泥中分别加入不同比重的碱石灰或水泥，碱石灰用量为15g原污泥中B1、B2、B3三种不稳定态形态的铅含量总和的6‑20%，水泥用量为原污泥中B1、B2、B3三种不稳定态形态的铅含量总和的10‑35%，和污泥搅拌均匀，放在温室中培养5‑7天，用Tessier五步提取法提取每份污泥中各种形态的铅含量，然后测其吸光度并计算出各形态铅所占百分比，根据对比得出水泥或碱石灰最佳掺比；（5）制备改性水泥将最佳掺比的水泥和碱石灰混合，得改性水泥混合物，经过研磨破碎过100目筛网，将改性水泥混合物放在马弗炉中焙烧，固化即可。...

【技术特征摘要】
1.一种高效固定城市污泥中重金属铅的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）城市污泥预处理：对城市重金属污泥进行干化预处理，使重金属污泥含水率降至60wt%以下；（2）材料选择：1）水泥水泥是普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥为在硅酸盐水泥熟料中加入6%-20%的混合材料、1.8％～2.5％的石膏制成的，所述的混合材料为石灰石、粒化高炉矿渣的一种或两种的混合；2）碱石灰碱石灰是市售普通建筑用的碱石灰；（3）确定污泥中各形态铅的含量称取一定量的污泥烘干，并且将其研磨破碎过100目筛，称取1.0g过筛的污泥放在50mL离心管中，运用Tessier五步提取法逐步提取出各形态的铅，然后用原子吸收法测定铅的吸光度，在标准曲线上求得其含量并计算各形态铅所占百分比，Tessier五步提取法具体是：B1：向污泥样品中加入lmol/LMgCl28mL，于室温振荡1h，4000r/min离心20min,取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B2：测定B1后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；向上一态残渣加1mol/LNaAc-Hac8mL，室温下振荡8h，4000r/min离心20min,取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B3：测定B2后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；上一态残渣中加入20mL0.04mol/LNH2OH·HCl，在96℃水浴中断续搅拌，以4000r/min离心20min，取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B4：测定B3后，去离子水洗涤残余物，离心弃去上层清液；向上一态残渣中加3mL0.02mol/LHNO3溶液和5mL30%的用硝酸调节pH至2的H2O2，85℃下加热2h，偶尔搅拌，然后加入3mLH2O2，85℃间隙搅拌3h，取出冷却25℃后，加入2mol/LNH4Ac5mL，在摇床振荡0.5h后离心20min，取出上层清液定容至25mL比色管中待测；B5：经过上述4步浸出的固体残渣接着经过HCl、HClO4、HF、HNO3消解，消解后于50mL容量瓶中定容待测；（4）确定水泥或碱石灰的最佳掺比在每份15g污泥中分别加入不同比重的碱石灰或水泥，碱石灰用量为15g原污泥中B1、B2、B3三种不稳定态形态的铅含量总和的6-20%，水泥用量为原污泥中B1、B2、B3三种不稳定态形态的铅含量总和的10-35%，和污泥搅拌均匀，放在温室中培养5-7天，用Tessier五步提取法提取每份污泥中各种形态的铅含量，然后测其吸光度并计算出各形态铅所占百分比，根据对比得出水泥或碱石灰最佳掺比；（5）制备改性水泥将最佳掺比的水泥和碱石灰混合，得改性水泥混合物，经过研磨破碎过100目筛网，将改性水泥混合物放在马弗炉中焙烧，固化即可。2.根据权利要求1所述的高效固定城市污泥中重金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：李印霞，刘碧波，刘帅霞，曲艳伟，武秀琴，范玲，崔树军，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41