本發明涉及污泥處理技術領域，具體公開了一種污泥固化劑及其制備方法和使用方法。
背景技術：
隨著大量污水處理廠的投產運行，污泥產量將大幅度的增加。據文獻報道，2011年我國污水排放總量達482.4億噸，產生剩余污泥(干質量)847萬噸，并且每年排放的剩余污泥量以年均約10％的速度遞增。另外，在污水生物處理過程中，微生物群與污水中的有機物接觸，攝取水中生物分解的成份進行生長繁殖，在該過程中增生的膠羽形成菌會與自身分泌的胞外聚合物、水相中的剩余懸浮固體、絲狀菌、真菌、原生動物、以及二價鈣、鎂離子，共同聚集連結成大小約數百微米的污泥膠羽，其結構疏松，含水率極高，并有巨大表面積與高度親水性，帶有大量結合水，導致污泥處理難度增大。因此，污泥的處理與處置日漸成為考核污水處理廠運行績效的重要指標。
污泥中的水分按其狀態共分為四種：1)間隙水，間隙水是污泥顆粒包圍的游離水分，一般占污泥總含水量的70％左右；2)毛細水，毛細水是污泥顆粒之間或顆粒裂隙中由于毛細作用與污泥顆粒結合在一起的水分，占總水量的20％左右；3)吸附水，吸附水是由于表面張力的作用吸附在污泥顆粒表面的水分，由于污泥顆粒小，具有極強的表面吸附力；4)結合水，結合水是包含在污泥微生物細胞內的水分，只有改變污泥顆粒的內部結構才能將結合水分離；結合水和吸附水共占污泥中總含水量的10％左右。
污泥脫水實際上指的是去除污泥中的間隙水。間隙水理論上容易脫除，但是由于污泥是由絮狀的膠體集合而成，顆粒很細而且很軟，由于軟顆粒具有一定的壓縮性，當外力增加時，顆粒會在過濾介質表面形成一層空隙非常小的“膜”，從而使水很難通過，脫水也就顯得異常困難。
污泥的調質處理是污泥脫水的關鍵環節和核心技術。調質處理就是破壞污泥的膠態結構，減少泥水間的親和力，改善污泥的脫水性能。
中國專利CN101955312B公開了一種污泥調理劑及其使用方法，該調理劑采用添加生物酶并用于生化污泥的治理，利用酸和酶破壞污泥中的胞外聚合物，改善脫水效果，可使污泥干度從20～30％提高到40～50％。該發明調理劑需要纖維素和半纖維素酶，調理時間也高達240分鐘，成本較高，且有機質含量高，不能避免濾餅容易壓縮變形的問題。
中國專利CN101967035A公開了一種城市污泥脫水調理劑，調理劑采用陰離子型PAM與殼聚糖制備，有效降低了陰離子型PAM用量，提高污泥脫水性能。該發明調理劑為有機成分，成本偏高，難降解且有生物毒性，此外，沒有無機調理劑難以形成強硬網狀骨架結構，不能改進污泥的不可壓縮性，無法提高壓濾效率。
中國專利CN104926075A公開了一種剩余污泥深度脫水調理劑，該調理劑采用稻殼粉作為污泥脫水調理劑，可以克服目前FeCl3和CaO會腐蝕焚燒設備、有機質減少不利于焚燒等缺陷。該發明所使用調理劑不能改善污泥的脫水性、提高污泥抗壓強度，污泥深度脫水后含水率不能得到明顯降低。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有的缺陷，提供一種污泥固化劑及其制備方法和使用方法，該污泥固化劑與機械脫水設備聯合使用，可將污泥含水率由75～85％降至45～60％，同時降低處理時間，提高處理效率。
為了實現以上目的，本發明通過包括以下技術方案實現的：一種污泥固化劑，包括液態組合物和固態組合物，所述液態組合物的投加量占污泥投加量的1-6％，所述固態組合物的投加量占污泥投加量的1-6％。
優選地，所述液態組合物包括以下重量份的組分：硅酸鈉2～8份，氯化鎂20～40份，硫酸亞鐵20～40份，有機絮凝劑1～2份，減水劑2～8份，水90～392份。
優選地，所述固態組合物包括氧化鈣。
進一步優選地，所述固態組合物還包括骨架劑，所述骨架劑與所述氧化鈣的重量比為(0.1～3):1，所述骨架劑由草木灰、粉煤灰和硅藻土中的一種或多種組成。
優選地，所述有機絮凝劑為十八烷基三甲基氯化銨。
優選地，所述減水劑由木質磺酸鹽和萘磺酸鹽甲醛聚合物組成，所述木質磺酸鹽和所述萘磺酸鹽甲醛聚合物的重量比為1:(2～3)。
優選地，所述氧化鈣、所述草木灰、所述粉煤灰和所述硅藻土的含水率均小于2％。
優選地，所述氧化鈣、所述草木灰、所述粉煤灰和所述硅藻土均為粉末狀，粒徑均為200-500目。采取粉末狀的氧化鈣、草木灰、粉煤灰和硅藻土，有利于固態組合物與污泥快速發生反應，縮短反應時間，提高污泥改性效果。
草木灰、粉煤灰和硅藻土投加與否與所需處理污泥的泥性以及所需達標要求有關系：
當處理污泥中有機質含量(VSS/TSS)低于45％，且達標要求為含水率55～60％時，所述固態組合物為氧化鈣；
當處理污泥有機質含量(VSS/TSS)低于45％，且達標要求為含水率45～55％時，所述固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣1～3份，草木灰1～4份；
當處理污泥有機質含量(VSS/TSS)高于45％，且達標要求為含水率55～60％時，所述固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣3～5份，草木灰1～4份，硅藻土1～2份；
當處理污泥有機質含量(VSS/TSS)高于45％，且達標要求為含水率45～55％時，所述固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣3～5份，草木灰1～2份，粉煤灰1～2份，硅藻土1～2份；其中，有機質含量(VSS/TSS)是指的污泥可揮發有機質占污泥固體物質總量的重量百分比。
本發明公開一種制備上述所述的污泥固化劑的方法，包括以下步驟：
1)干燥：采用以下A1或B1方式進行：
A1、取所述氧化鈣于105-110℃條件下進行加熱烘干，將含水率降至2％以下；
B1、取所述氧化鈣和所述骨架劑分別于105-110℃條件下進行加熱烘干，將含水率降至2％以下；
2)制備固態組合物：采用以下A2或B2方式進行：
A2、采用粉碎機將所述氧化鈣分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將所述氧化鈣的粒徑控制在200～500目，形成固態組合物；
B2、采用粉碎機將所述氧化鈣和所述骨架劑分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將所述氧化鈣和所述骨架劑的粒徑控制在200～500目；將經過處理的所述氧化鈣和所述骨架劑按照重量配比混合均勻，形成固態組合物；
3)制備液態組合物：采用A3方式進行：
A3、將所述硅酸鈉、所述氯化鎂、所述硫酸亞鐵、所述有機絮凝劑和所述減水劑按照重量配比溶解至所述水中，混合均勻，形成液態組合物。
本發明還公開一種使用上述所述的污泥固化劑的方法，其包括如下步驟：
1)將污泥與所述液態組合物加入至混合裝置中，在常溫下攪拌30-120s，得到混合物；其中，所述液態組合物與所述污泥的重量比為(1～6):100；
2)向所述混合物中加入所述固態組合物，在常溫下攪拌2-5min，然后機械脫水，實現污泥的固化減量化；其中，所述固態組合物與所述污泥的重量比為(1～6):100。
優選地，所述污泥來自于污水處理廠污泥、河道淤泥、厭氧沼渣和危險固體廢棄物中一種，其含水量為75～85％。
優選地，在所述步驟2)中，與液態物質投加點間距0.8-1.2m處，向所述混合物中加入所述固態組合物。與液態物質投加點間距0.8-1.2m處，主要是為了使得液態組合物與污泥充分反應，改變污泥內部構造，有利于固態組合物與污泥混合的均勻性，同時可以提高污泥改性效果，降低固化劑投加量。
一般來講，含水率75～85％污泥多呈粘稠流態，污泥內部孔隙少，孔隙尺寸主要位于10～150μm之間；污泥顆粒相互連接，多呈片狀，顆粒尺寸主要位于20～150μm之間；無網狀或柱狀結晶體。本發明加入的液態組合物使得污泥內部孔隙數量增多、孔隙尺寸增大，孔隙尺寸主要位于30～80μm之間；污泥顆粒相對獨立，粒狀居多，顆粒尺寸主要位于40～80μm之間。加入固態組合物后污泥內部孔隙數量、孔隙尺寸以及顆粒尺寸基本維持不變，污泥內部細胞壁破解，產生網狀和柱狀結晶體，污泥脫水性能和抗壓強度進一步提高。經機械脫水后污泥呈片狀固態，污泥內部孔隙數量較改性污泥有所減少、孔隙尺寸減小，孔隙尺寸主要位于15～40μm之間；污泥顆粒相對獨立，粒狀居多，顆粒尺寸主要位于40～80μm之間；存在網狀和柱狀結晶體。
綜上所述，本發明提供一種污泥固化劑及其制備方法和使用方法，本發明的有益效果：
本發明提供的一種污泥固化劑，采用較易獲取的藥劑，且藥劑干物質投加量僅為含水率75～85％污泥質量的2～6％，極大的節約了運行成本。本發明通過液態組合物與固態組合物聯合使用，提高污泥抗壓強度與脫水性能，利于后續污泥機械脫水。
進一步，本發明通過藥劑改性與機械脫水協同作用，可將含水率75～85％的污泥脫水至含水率45～60％，減少了污泥體積，降低了運輸成本，利于后期污泥的處置。
進一步，本發明在污泥脫水調理及脫水過程中不會引入或產生毒副產品，避免了再次污染環境。
具體實施方式
下面結合實施例進一步闡述本發明。應理解，實施例僅用于說明本發明，而非限制本發明的范圍。
實施例1
一種污泥固化劑，包括液態組合物和固態組合物，按污泥投加量為100噸計，液態組合物的投加量為4噸，其中，液態組合物包括以下重量份的組分：硅酸鈉6份，氯化鎂40份，硫酸亞鐵30份，有機絮凝劑2份，減水劑6份，水252份；有機絮凝劑為十八烷基三甲基氯化銨。固態組合物的投加量為5噸，固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣3份，草木灰1份，粉煤灰1份，硅藻土2份。
污泥固化劑的制備方法，包括以下步驟：
1)將氧化鈣、草木灰、粉煤灰和硅藻土，在105℃條件下加熱烘干9小時，將含水率降至2％以下；
2)采用粉碎機將氧化鈣、草木灰、粉煤灰和硅藻土分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將氧化鈣、草木灰、粉煤灰和硅藻土的粒徑控制在200～500目；
3)在常溫下，將經過處理的氧化鈣、草木灰、粉煤灰和硅藻土按照污泥固化劑中固態組合物的配比混合均勻，形成固態組合物；
4)將硅酸鈉、氯化鎂、硫酸亞鐵、有機絮凝劑、減水劑按照重量配比溶解至水中，混合均勻，形成液態組合物。
污泥固化劑的使用方法，其包括如下步驟：
1)將含水率為76％、有機質含量為49％的污泥與液態組合物加入到混合裝置中，在常溫下攪拌40s，攪拌均勻，得到混合物；其中，液態組合物投加量為污泥的重量的4％。
2)與液態組合物投加點間距1米處，向混合物中加入固態組合物，在常溫下攪拌3min，機械脫水，實現污泥的固化；固態組合物投加量為污泥的重量的5％。
3)檢測處理后的污泥含水率。
實施例2
一種污泥固化劑，包括液態組合物和固態組合物，按污泥投加量為100噸計，液態組合物的投加量為4噸，其中，液態組合物包括以下重量份的組分：硅酸鈉4份，氯化鎂40份，硫酸亞鐵30份，有機絮凝劑2份，減水劑2份，水200份；而固態組合物的投加量為5噸，固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣4份，草木灰2份，硅藻土1份。
污泥固化劑的制備方法，包括以下步驟：
1)將氧化鈣、草木灰和硅藻土，在105℃條件下加熱烘干8小時以上，將含水率降至2％以下；
2)采用粉碎機將氧化鈣、草木灰和硅藻土分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將氧化鈣、草木灰和硅藻土的粒徑控制在200～500目；在常溫下，將經過處理的氧化鈣、草木灰和硅藻土按照重量配比混合均勻，形成固態組合物；
3)將硅酸鈉、氯化鎂、硫酸亞鐵、有機絮凝劑、減水劑按照重量配比溶解至水中，混合均勻，形成液態組合物。
污泥固化劑的使用方法，其包括如下步驟：
1)將含水率為83％、有機質含量為49％污泥與液態組合物加入到混合裝置中，在常溫下攪拌50s，攪拌均勻，得到混合物；其中，液態組合物投加量為污泥的重量的4％。
2)與液態組合物投加點間距1米處，向混合物中加入固態組合物，在常溫下攪拌3min，機械脫水，實現污泥的固化；其中，固態組合物投加量為污泥的重量的5％。
3)檢測處理后的污泥含水率。
實施例3
一種污泥固化劑，包括液態組合物和固態組合物，按污泥投加量為100噸計，液態組合物的投加量為4噸，其中，液態組合物包括以下重量份的組分：硅酸鈉4份，氯化鎂30份，硫酸亞鐵20份，有機絮凝劑1份，減水劑4份，水220份；固態組合物的投加量為5噸，固態組合物包括以下重量份的組分：氧化鈣4份，草木灰2份。
污泥固化劑的制備方法，包括以下步驟：
1)將氧化鈣和草木灰在110℃條件下加熱烘干10小時，將含水率降至2％以下；
2)采用粉碎機將氧化鈣、草木灰分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將氧化鈣、草木灰的粒徑控制在200～500目；在常溫下，將經過處理的氧化鈣、草木灰按照重量配比混合均勻，形成固態組合物；
4)將硅酸鈉、氯化鎂、硫酸亞鐵、有機絮凝劑、減水劑按照重量配比溶解至水中，混合均勻，形成液態組合物。
污泥固化劑的使用方法，其包括如下步驟：
1)將含水率為83％、有機質含量為43％污泥與液態組合物加入到混合裝置中，在常溫下攪拌50s，攪拌均勻，得到混合物；液態組合物投加量為污泥的重量的4％。
2)與液態組合物投加點間距1米處，向混合物中加入固態組合物，在常溫下攪拌4min，機械脫水，實現污泥的固化。固態組合物投加量為污泥的重量的5％。
3)檢測處理后的污泥含水率。
實施例4
一種污泥固化劑，包括液態組合物和固態組合物，按污泥投加量為100噸計，液態組合物的投加量為4噸，其中，液態組合物包括以下重量份的組分：硅酸鈉7份，氯化鎂36份，硫酸亞鐵32份，有機絮凝劑2份，減水劑5份，水280份；固態組合物的投加量為4噸，固態組合物為氧化鈣。
污泥固化劑的制備方法，包括以下步驟：
1)將氧化鈣在110℃條件下加熱烘干9小時，將含水率降至2％以下；
2)采用粉碎機將氧化鈣分別逐級破碎至1mm以下，采用球磨機分別進行球磨、破碎、球磨后將氧化鈣的粒徑控制在200～500目，形成固態組合物；
3)將硅酸鈉、氯化鎂、硫酸亞鐵、有機絮凝劑、減水劑按照重量配比溶解至水中，混合均勻，形成液態組合物。
污泥固化劑的使用方法，其包括如下步驟：
1)將含水率為83％、有機質含量為42％污泥與液態組合物加入到混合裝置中，在常溫下攪拌60s，攪拌均勻，得到混合物；液態組合物投加量為污泥的重量的4％。
2)與液態組合物投加點間距1米處，向混合物中加入固態組合物，在常溫下攪拌4min，機械脫水，實現污泥的固化。固態組合物投加量為污泥的重量的4％。
3)檢測處理后的污泥含水率。
測試結果
表1實施例1至4使用污泥固化劑處理后污泥的含水率變化結果
從表1可看出：實施例1至4均通過藥劑改性與機械脫水協同作用，能夠大大降低污泥的含水率，減少污泥體積；實施例1將污泥(原含水率為76％、有機質含量為49％)的含水率降低至45％，實施例2將污泥(原含水率為83％、有機質含量為49％)的含水率降低至56％，實施例3將污泥(原含水率為83％、有機質含量為43％)的含水率降低至47％，實施例4將污泥(原含水率為83％、有機質含量為42％)的含水率降低至57％。所以，在實際污泥處理中，根據污泥中有機質含量以及含水率達標要求，判斷是否添加骨架劑，避免不必要的經濟成本。
綜上，本發明通過藥劑改性與機械脫水協同作用，可將含水率75～85％的污泥脫水至含水率45～60％，減少了污泥體積，降低了運輸成本，利于后期污泥的處置，本發明在污泥脫水調理及脫水過程中不會引入或產生毒副產品，避免了環境污染。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并非對本發明任何形式上和實質上的限制，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還將可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護范圍。凡熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，當可利用以上所揭示的技術內容而做出的些許更動、修飾與演變的等同變化，均為本發明的等效實施例；同時，凡依據本發明的實質技術對上述實施例所作的任何等同變化的更動、修飾與演變，均仍屬于本發明的技術方案的范圍內。