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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日(21)申请号201610802357.0(22)申请日2016.09.05(71)申请人南京大学地址210093江苏省南京市栖霞区仙林大道163号(72)发明人唐朝生 王鹏 孙凯强 陈志国 徐士康 王德银 (74)专利代理机构南京知识律师事务所32207代理人蒋海军(51)Int.Cl.C02F11/12(2006.01)C02F11/00(2006.01)(54)发明名称一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法(57)摘要本发明公开了一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，属于污泥处理技术领域。本发明首先将加筋材料纤维掺入到污泥中，充分搅拌后进行机械脱水，然后将黏性土、石英砂及水泥掺入到污泥中，搅拌均匀后养护，对污泥进行固化/稳定化处理。本发明中纤维的掺入能够增加污泥的压缩量，显著改善污泥的机械脱水效率和固结效果；其次，存留在污泥中的纤维为后续污泥的固化/稳定化过程提供了柔性骨架，有效提高了污泥固化体的强度；黏性土和石英砂的加入能提高污泥中无机结合料的含量，改善水泥的固化效果。此外，黏性土中含有的黏土矿物对污泥中的重金属具有一定吸附作用；石英砂能进一步改善纤维和污泥界面间的力学作用方式和传递效率。权利要求书1页说明书8页附图2页CN106277703A2017.01.04CN106277703A1.一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其步骤为：步骤一、将一定量的纤维与污泥充分搅拌，使纤维在污泥中均匀分散，然后进行机械脱水处理；步骤二、在脱水后的纤维加筋污泥中再加入一定量的添加材料和固化材料，充分搅拌后养护。2.根据权利要求1所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤一中使用的纤维为人工合成波形纤维或者自然植物纤维中的一种。3.根据权利要求2所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：所述的人工合成波形纤维原材料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙。4.根据权利要求2所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：所述的自然植物纤维为剑麻纤维、椰子纤维、棕榈纤维或甘蔗渣。5.根据权利要求2～4任一项所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤一中纤维的掺量占污泥重量的0.05％-0.8％。6.根据权利要求5所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：所述的人工合成波形纤维的长度为30-60mm，直径为0.8-1.2mm，波高为0.2-0.3mm，波长为3.5-4.5mm。7.根据权利要求6所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤二所述的添加材料为黏性土和石英砂，固化材料为普通硅酸盐水泥。8.根据权利要求7所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤二中黏性土的用量为污泥重量的15％-30％，石英砂的用量为污泥重量的10％-20％，硅酸盐水泥的用量为污泥重量的15％-25％。9.根据权利要求8所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤一中将纤维掺入污泥时，先将纤维等分成多份，每次将一小份纤维均匀撒在污泥表面，然后采用电动搅拌器充分搅拌，使纤维在污泥中均匀分散，待所有纤维加入后，再对污泥进行机械脱水处理。10.根据权利要求9所述的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其特征在于：步骤二中添加材料先于固化材料加入污泥中，添加材料石英砂先于黏性土加入污泥中；添加材料在加入前先等分成多份，每次将一小份添加材料撒在污泥表面，然后采用电动搅拌器充分搅拌，使添加材料在污泥中均匀分散，待所有添加材料加入后，再一次性加入固化材料，采用电动搅拌器充分搅拌，使固化材料在污泥中均匀分散。权 利 要 求 书1/1页2CN106277703A2一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法技术领域[0001]本发明涉及污泥处理技术领域，更具体地说，涉及一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法。背景技术[0002]随着我国城市化进程的加快，市政污泥的产量急剧增加，污泥产量的增加给生态环境带来了严重的威胁，如何安全处理和处置污泥是维持城市可持续发展必须要解决的关键问题。由于污泥初始含水率极高(95％)，经过机械脱水后含水率仍然较高，达80％左右，高含水率不仅使污泥的体积居高不下，而且使污泥的力学性质比较差，严重限制了其处理处置的效率。因此，通过降低含水率来减小污泥体积，及增加脱水后污泥的力学性质，进而降低后端处置技术难度及处理费用已经成为污泥处理处置的核心问题。将污泥的前期脱水和后期处置相结合，寻找经济高效的处置方式是目前解决污泥处置难题的关键。[0003]国际上对于污泥一般采用焚烧、填埋、堆肥、固化等方法进行处理，但考虑到我国目前的环境及经济水平尚不能承受焚烧技术的广泛使用，又由于工业污水与生活污水的混合收集造成污泥中普遍存在重金属而使得堆肥技术难以应用。填埋技术因为污泥含水率过高、强度极低也存在种种问题。[0004]根据我国污泥处理处置现状，从经济可行的角度出发，通过固化技术将污泥转化为可以再生利用的岩土工程材料或作为填埋处置的预处理手段，是符合我国国情的后端处置技术之一。采用固化技术处理污泥，可以降低污泥的含水率，提高污泥的强度，且稳定污泥中的有毒有害物质。[0005]目前国内对于污泥的固化主要以水泥和石灰这两类无机固化剂为主，再添加一些辅助固化材料，如粉煤灰、矿渣等。然而，污泥由于高含水率、高有机物含量及富含重金属等因素会阻碍水泥、石灰水化产物的形成，从而极大制约水泥、石灰的固化/稳定化效果，使得固化体的抗压强度低于填埋要求。根本原因是污泥中有机质含量高，无机固体颗粒成分少，无法为水泥水化产物构建有效的骨架。[0006]为了能提高污泥前期的脱水效率，文献[1](王鹏，唐朝生，孙凯强等.纤维加筋市政污泥固结特性试验研究.工程地质学报,2015,23(4):687-694.)提出在污泥中加入聚丙烯短丝纤维，以增强污泥的渗透性，取得了一定的效果。但该文献中只对聚丙烯短丝纤维加筋污泥在固结过程中的脱水特性进行了初步研究，对污泥脱水后的力学性质没有进行后续的研究，且纤维加筋是一种物理作用方式，无法对污泥中的有毒有害物质进行固化/稳定化处理。此外，仅仅经过机械脱水后的污泥仍然具有较高的含水率，纤维加筋的力学效果不能得到有效发挥。还必须强调的是，纤维加筋的力学效果受许多因素的影响，如纤维种类、掺量、长度、直径和被加筋对象的物理性质等，涉及非常复杂的科学问题，需要开展大量研究工作对相关技术方法和原理进行筛选、优化。而文献[1]的研究内容过于简单，也未针对上述关键力学性质问题、选材问题和后续固化工艺问题提出具有实质参考价值的信息。因此，单独采用现有技术和方法并不能达到同时提高污泥前期脱水效率和后期力学强度的目的，说 明 书1/8页3CN106277703A3无法满足一般资源化利用要求。发明内容[0007]1.发明要解决的技术问题[0008]本发明的目的在于解决现有技术中污泥机械脱水效率低及后期固化/稳定化后固化体力学性质差等问题，提供了一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法；本发明采用人工合成波形纤维或自然植物纤维作为加筋材料，由于波形纤维特殊的波形结构，其与被加筋体界面之间的接触特征和微观力学作用特征得到改善，能进一步提高污泥的机械脱水效率，且对于后期强度的效果也明显好于现有技术中采用直线形纤维的技术方案；而与人工合成纤维不同的是，自然植物纤维具有较好的降解性，来源广泛，成本低廉，在污泥中掺入自然植物纤维在改善污泥机械脱水效率及改善污泥力学性质的同时，还能实现废物利用，具有很好的经济效益。[0009]2.技术方案[0010]为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：[0011]本发明的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，其步骤为：[0012]步骤一、将一定量的纤维与污泥充分搅拌，使纤维在污泥中均匀分散，然后进行机械脱水处理；[0013]步骤二、在脱水后的纤维加筋污泥中再加入一定量的添加材料和固化材料，充分搅拌后养护。[0014]更进一步地，步骤一中使用的纤维为人工合成波形纤维或者自然植物纤维中的一种。[0015]更进一步地，所述的人工合成波形纤维原材料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙，该材料类型纤维具有强度高、分散性好、化学稳定性强等优点。[0016]更进一步地，所述的自然植物纤维为废弃的剑麻纤维、椰子纤维、棕榈纤维或甘蔗渣，该类型纤维强度高、无污染、易降解，作为工业废料，其来源广泛，且对它们的利用实现了变废为宝。[0017]更进一步地，步骤一中纤维的掺量占污泥重量的0.05％-0.8％；当纤维掺量少于0.05％时，由于纤维数量有限，无法在污泥中相互搭接成网，其加筋效果提升不明显，当掺量大于0.8％时，过多的纤维会在污泥中成团，难以分散，加筋效果反而变差。基于大量试验分析，本发明提出的最优掺量为0.2％。[0018]更进一步地，所述的人工合成波形纤维的长度为30-60mm，直径为0.8-1.2mm，波高为0.2-0.3mm，波长为3.5-4.5mm。在该结构参数下的纤维/污泥界面作用力能得到有效发挥。当纤维长度小于30mm时，由于波浪周期少导致有效加筋长度过短，加筋效果不明显，当纤维长度大于80mm时，相同掺量条件下分散在污泥中的纤维数量减小，且搅拌过程中难以分散均匀，不利于发挥纤维的加筋效果。当纤维直径小于0.8mm时，纤维在外力作用下波形结构易发生变形，加筋效果降低，而当纤维直径大于1.2mm时，相同掺量条件下分散在污泥中的纤维数量减小，也不利于发挥纤维的加筋效果。当纤维的波高介于0.2-0.3mm时，其与污泥界面间的咬合效果和力学传递效率能达到最佳。当波长小于3.5mm时，波形纤维的加工难度显著提高，对材料和工艺要求提高，成本增加，当波长大于4.5mm时，单位长度纤维上的说 明 书2/8页4CN106277703A4有效波浪周期减小，加筋效果降低。上述结构参数是经过大量试验验证和优选最终确定的，增大或减小上述结构参数均会削弱纤维加筋污泥的综合性能。[0019]更进一步地，所述的自然植物纤维长度为40-100mm。[0020]更进一步地，步骤二所述的添加材料为黏性土和石英砂，黏性土中砂含量小于10％，粉粒含量小于70％，黏粒含量大于30％。黏性土为风干粉末状态，粒径小于2mm。符合上述颗分参数范围的黏性土在自然界中分布较广，容易获取，且相对较高含量的黏粒对污泥中的重金属具有一定的吸附作用，能改善稳定化效果。石英砂粒径为0.5-2mm，为无水状态。固化材料为普通硅酸盐水泥。[0021]更进一步地，步骤二中黏性土的用量为污泥重量的15％-30％，石英砂的用量为污泥重量的10％-20％，硅酸盐水泥的用量为污泥重量的15％-25％。[0022]更进一步地，步骤二中的养护时间为7-28天。[0023]更进一步地，步骤一中将纤维掺入污泥时，先将纤维等分成多份，每次将一小份纤维均匀撒在污泥表面，然后采用电动搅拌器充分搅拌，使纤维在污泥中均匀分散，待所有纤维加入后，再对污泥进行机械脱水处理。[0024]更进一步地，步骤二中添加材料先于固化材料加入污泥中，添加材料石英砂先于黏性土加入污泥中；添加材料在加入前先等分成多份，每次将一小份添加材料撒在污泥表面，然后采用电动搅拌器充分搅拌，使添加材料在污泥中均匀分散，待所有添加材料加入后，再一次性加入固化材料，采用电动搅拌器充分搅拌，使固化材料在污泥中均匀分散。[0025]3.有益效果[0026]采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：[0027](1)本发明的一种纤维物理加筋和化学固化共同作用的污泥处理方法，在污泥中加入纤维，使污泥的渗透系数显著增加，从而改善污泥机械脱水效率，在同等荷载条件下使污泥减容更多；[0028](2)本发明的一种