一种疏浚淤泥的有机脱水剂

技术领域

本发明涉及资源环境保护技术领域，具体涉及一种疏浚淤泥的有机脱水剂。

背景技术

在我国港口、湖泊和河道底泥清淤过程中，会产生大量的且含有污染物的高含水量淤泥。我国每年都需要对长江、黄河、海河、淮河等江河及洞庭湖、鄱阳湖等重要水域进行疏浚，淤泥疏浚量达到以亿立方米计算。各流域的港口每年淤泥疏浚量以几百万立方米计算。淤泥含水率高、粘粒含量高、压缩性强、强度低，堆放不但占用大量土地，难以被工程直接利用，而且淤泥本身所还有的有机物质发酵发散出异味气体也会二次污染环境。因此，疏浚淤泥资源化处置问题，是我国经济高速发展时期难以回避的亟待解决的问题。

现有技术中采用微生物进行疏浚淤泥，例如CN102815854A通过以秸秆等有机物作为底物，厌氧发酵腐熟，埋入淤泥堆场，预设真空管网系统，实现快速干化淤泥的效果；在疏浚底泥中设置就地处理系统对疏浚底泥等进行就地处理，例如CN107935357A，通过设置疏浚底泥就地处理系统来进行处理，系统包括中空圆柱池体、碗形池体、实体圆柱、布水排水层、第二净化层、第一净化层，、中空圆柱池体内自下而上依次设有过滤层、污泥脱水网、底泥脱水单元，通过设置系统就地进行干化处理；将疏浚污泥进行处理为其它可利用的材料，例如CN109555135将疏浚淤泥免烧结陶粒混凝土植生砌块，实现资源再利用；CN103183499A通过将疏浚污泥预处理后采用垃圾焚烧的方式将废弃物变废为宝；等等，现有技术处理疏浚污泥的方式多样化，各有优劣。

采用药剂对污泥进行脱水处理，属于比较常见的处理方法。例如CN112142293A提供一种调理型污泥脱水药剂及富营养化水体疏浚泥制作种植土的方法，该药剂具有聚合硫酸铝、锯末和保水剂。CN109231792A公开了一种采用壳聚糖作原料制得的污水污泥脱水剂，显著改善了对剩余污泥的脱水性能，降低了剩余污泥的处理成本，提高了给水污泥的资源化利用率，但仍存在制备过程复杂、成本高昂、脱水效果不理想、投药量大等缺点。

目前疏浚淤泥固化工程案例上，较为常用的脱水方法为投加大量钙盐对淤泥进行调理，再用隔膜板框机进行机械脱水。该方法可以有效对淤泥进行快速脱水，但钙盐的投加同时也带来较多弊端，如：投加钙盐导致的污泥增量；加速脱水设备结垢老化；泥饼、滤液pH升高，pH可高达12以上，不利于污泥后续处置；滤液需要大量酸性物质把pH回调至6~9范围，该操作不仅增加了现场操作安全风险还增加了运行费用。

因此，很有必要研发一种成本低廉、绿色环保、脱水效果好的疏浚淤泥的有机脱水剂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂，可解决现有技术中污泥脱水成本高、污泥脱水后存在二次污染、脱水效果差、投药量大等技术缺陷。

基于疏浚淤泥含水率高、颗粒细、可塑性高、结合力强、收缩率大等特性，可以分为：（1） 营养物质，包括氮磷化合物；（2）大量有机物，如碳水化合物，包括油和油脂；（3）重金属，包括Mn、Pb、Cd、Zn、Hg、Cr、Cu、Zn 等。本发明提供的疏浚淤泥的有机脱水剂力求在基于疏浚淤泥的特性，通过以下技术方案进行实现疏浚淤泥的有效脱水：

一方面，本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂，按照重量份数计，其组成如下：改性纳米纤维素膨润土粉末为40~65份，甲基丙烯酰胺5~10份，活性生物炭15~30份，改性淀粉为0.5~3份，破泡剂0.5~2份，壳聚糖0.5~2份，二氧化硅1~5份，羟基氯化铝0.5~2份，腐植酸0.1~5份。

进一步地，所述破泡剂包括30％双氧水、碳酸氢钠中的一种或多种。

进一步地，所述壳聚糖为羧甲基壳聚糖、羟乙基壳聚糖或羟丙基壳聚糖。

进一步地，所述改性纳米纤维素膨润土粉末制备过程如下：

步骤一、将葵花籽壳经碱煮、酸浸提后脱水得葵花籽壳纤维素；

步骤二、将膨润土、聚丙烯酰胺混合反应得到改性膨润土；

步骤三、将葵花籽壳纤维素与尿素溶液混合冷冻，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液与过硫酸铵、改性膨润土搅拌反应，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

进一步地，所述改性纳米纤维素膨润土粉末制备过程如下：步骤一、将收集的葵花籽壳水洗、脱脂、烘干，粉碎，将葵花籽壳粉分散于蒸馏水中，煮沸后趁热过滤，将得到的滤渣加入氢氧化钠溶液中，置于水浴中浸提，过滤，水洗滤渣至中性；将二次滤渣放入盐酸溶液中，置于水浴浸提，取出过滤，水洗滤渣至中性；用乙醇脱水，在50~55℃下干燥，粉碎，过筛，得葵花籽壳纤维素；

步骤二、将膨润土、聚丙烯酰胺混合，加入去离子水，放入容器中，恒温水浴中，在搅拌反应一段时间，离心过滤，将滤饼干燥，得到改性膨润土；

步骤三、将葵花籽壳纤维素与尿素溶液混合，搅拌后置于冰箱冷冻层中冷冻，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液加入容器中，水浴调温，加入适量过硫酸铵，搅拌，继续加入适量改性膨润土，继续搅拌反应，将得到的悬浮液洗涤至中性，沉析，冷冻干燥，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

进一步地，所述步骤一具体为：将收集的葵花籽壳水洗、脱脂、烘干，粉碎后过80目筛，待用，按照质量比为1:5的料液比将葵花籽壳粉分散于蒸馏水中，煮沸10~15分钟后趁热过滤，将得到的滤渣加入10~12倍量的浓度为3wt%的氢氧化钠溶液中，调节pH至11~12，置于80~85℃的水浴中浸提3.5~4小时，过滤，水洗滤渣至中性；将二次滤渣放入10~12倍量的10wt%的盐酸溶液中，调节pH至1~2，置于60~65℃水浴浸提2~3小时，取出过滤，水洗滤渣至中性，最后用体积分数75%的乙醇脱水，在50~55℃下干燥，粉碎，过100目筛，得葵花籽壳纤维素。

进一步地，所述步骤二具体为：将膨润土、聚丙烯酰胺混合，加入6~7倍量的去离子水，放入容器中，恒温水浴中，在300~400转/分的转速下搅拌反应一段时间，离心过滤，将滤饼放入80~90℃下干燥，得到改性膨润土。

进一步地，所述步骤三具体为：将葵花籽壳纤维素与20~25倍量的12wt%的尿素溶液混合，搅拌5~10分钟后置于冰箱冷冻层中冷冻90~100分钟，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液加入容器中，水浴调温50~55℃，加入适量过硫酸铵，以200~300转/分搅拌10~15分钟，继续加入适量改性膨润土，继续搅拌反应90~120分钟，将得到的悬浮液用去离子水洗涤至中性，再用乙醇沉析3~4次，冷冻干燥，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

进一步地，所述活性生物炭材料的制备过程如下：

（1）将葵花籽壳烘干后粉碎成混合粉末待用；

（2）取待疏浚污泥搅拌制成浆料，添加葵花籽壳粉末，制成浆团，并进行风干处理，风干处理后放入炭化炉中，在惰性气体保护下升温炭化，得到炭化料；

（3）将炭化料放入活化炉中，并在高纯N

（4）将步骤（3）中的活化料冷却后经洗涤、干燥即得活性生物炭材料。

进一步地，所述活性生物炭材料的制备过程如下：

（1）将葵花籽壳在80~90℃的条件下烘干2~4h，然后粉碎成100~150目混合粉末待用；

（2）取待疏浚污泥搅拌制成浆料，添加疏浚污泥相同重量的葵花籽壳粉末，制成浆团，并进行风干处理5~10小时，风干处理后放入炭化炉中，在氩气气体保护下以5℃/min升温至200~300℃炭化1~3小时，得到炭化料；

（3）将炭化料放入300~500℃的活化炉中，并在高纯N

另一方面，本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂的制备方法，具体步骤如下：

将甲基丙烯酰胺、二氧化硅混合，加入去离子水，30~60℃加热反应1~3小时，离心过滤，得到甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物；

将改性纳米纤维素膨润土粉末、活性生物炭、改性淀粉、羟基氯化铝、腐植酸、壳聚糖、甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物混合，得到有机脱水剂成分一；

将破泡剂和有机脱水剂成分一分别独立包装后再包装成有机脱水剂。

改性纳米纤维素膨润土粉末主要通过高分子化合物的吸附和桥联作用使微粒聚集在一起，形成较大絮体而沉降；

添加破泡剂，例如碳酸氢钠、30％双氧水产生大量气体，使得絮凝体内包覆的水具有通道逃逸；

本发明的活性生物炭材料采用待疏浚污泥和葵花籽壳粉末作为基础材料，实现废物再次利用；制备的材料不仅具有催化活性，具有吸附作用。

通过甲基丙烯酰胺、活性生物炭材料能消除污泥电荷作用，二氧化硅参与反应，甲基丙烯酰胺~二氧化硅将油、油脂和其它有机物降解，避免了有机物对聚合物的溶解和包覆，提高了脱水剂的脱水效果，甲基丙烯酰胺~二氧化硅的添加使得淤泥不会出现结块，流动性保持，吸水性有保留；

通过添加改性淀粉、羟基氯化铝作为絮凝剂或混凝剂，加剧污泥的松散结构，形成坚硬的网络骨架，并缓解亲水现象，以达到改善污泥脱水性能的效果；能将部分有效态元素进行置换，降低疏浚淤泥中的有害金属含量。

壳聚糖可同步固化河道淤泥中的重金属及盐离子，降低重金属污染风险；腐植酸是一种比表面积大、官能团多的还原性物质，可有效吸附和络合疏浚淤泥中有效态重金属，例如Mn、Pb、Cd、Zn、Hg、Cr、Cu、Zn 等。

相对于现有技术，本发明提供的技术方案具备有益效果如下：

1）本发明制备疏浚淤泥的有机脱水剂时，采用葵花籽壳作为基础材料，通过制备改性纳米纤维素膨润土粉末，可减少二次有机物的加入，通过纤维素与膨润土的复合形成较大絮凝材料，利于将污泥中的颗粒和可絮凝物质沉降；在改性淀粉和羟基氯化铝的协同作用下，加剧絮凝物网络骨架的形成，提高脱水性能；通过采用破泡剂产生气体，实现将沉降的絮凝物质中包裹的水释放逃逸，增加有机脱水剂的脱水效果，还能与部分异味气体反应，降低异味气体溢出；

2）在腐殖酸和壳聚糖的作用下，将絮凝物质中的重金属进行络合，形成细微通道，利于脱水效果的提高同时捕获污泥中的重金属离子；

3）将甲基丙烯酰胺与二氧化硅进行复合后再在活性生物炭材料的协同作用下，对其它有机物和油相进行降解处理，提高脱水效率；活性生物炭材料还具有吸附作用，可有效降低异味气体和油相，吸附非金属离子和重金属离子；

4）本发明所制得的有机脱水剂原料来源广泛，成本低，可有效降低污泥比阻、污泥含水率以及污水中重金属离子。

具体实施方式

以下实施例旨在说明本发明内容，而不是对本发明保护范围的进一步限定。

实施例1

本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂，按照重量份数计，其组成如下：改性纳米纤维素膨润土粉末为40份，甲基丙烯酰胺10份，活性生物炭15份，改性淀粉为0.5份，破泡剂2份，壳聚糖2份，二氧化硅1份，羟基氯化铝2份，腐植酸0.1份。

所述破泡剂为过氧化钙。

所述改性纳米纤维素膨润土粉末制备过程如下：

步骤一：将收集的葵花籽壳水洗、脱脂、烘干，粉碎后过80目筛，待用，按照质量比为1:5的料液比将葵花籽壳粉分散于蒸馏水中，煮沸10~15分钟后趁热过滤，将得到的滤渣加入10倍量的浓度为3wt%的氢氧化钠溶液中，调节pH至11~12，置于80~85℃的水浴中浸提3.5小时，过滤，水洗滤渣至中性；将二次滤渣放入10倍量的10wt%的盐酸溶液中，调节pH至1~2，置于60~65℃水浴浸提2~3小时，取出过滤，水洗滤渣至中性，最后用体积分数75%的乙醇脱水，在50~55℃下干燥，粉碎，过100目筛，得葵花籽壳纤维素。

步骤二：将膨润土、聚丙烯酰胺混合，加入6倍量的去离子水，放入容器中，恒温水浴中，在300转/分的转速下搅拌反应一段时间，离心过滤，将滤饼放入80~90℃下干燥，得到改性膨润土。

步骤三：将葵花籽壳纤维素与20倍量的12wt%的尿素溶液混合，搅拌5分钟后置于冰箱冷冻层中冷冻90分钟，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液加入容器中，水浴调温50~55℃，加入适量过硫酸铵，以200转/分搅拌10分钟，继续加入适量改性膨润土，继续搅拌反应90分钟，将得到的悬浮液用去离子水洗涤至中性，再用乙醇沉析3次，冷冻干燥，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

所述活性生物炭材料的制备过程如下：

（1）将葵花籽壳在80~90℃的条件下烘干2h，然后粉碎成100目混合粉末待用；

（2）取待疏浚污泥搅拌制成浆料，添加疏浚污泥相同重量的葵花籽壳粉末，制成浆团，并进行风干处理5小时，风干处理后放入炭化炉中，在氩气气体保护下以5℃/min升温至200℃炭化1小时，得到炭化料；

（3）将炭化料放入300℃的活化炉中，并在高纯N

一种疏浚淤泥的有机脱水剂的制备方法，具体步骤如下：

将甲基丙烯酰胺、二氧化硅混合，加入去离子水，40℃加热反应1小时，离心过滤，得到甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物；

将改性纳米纤维素膨润土粉末、活性生物炭、改性淀粉、羟基氯化铝、腐植酸、壳聚糖、甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物混合，得到有机脱水剂成分一；

将破泡剂和有机脱水剂成分一分别独立包装后再包装成有机脱水剂。

实施例2

本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂，按照重量份数计，其组成如下：改性纳米纤维素膨润土粉末为65份，甲基丙烯酰胺5份，活性生物炭30份，改性淀粉为3份，破泡剂0.5份，壳聚糖0.5份，二氧化硅5份，羟基氯化铝0.5份，腐植酸5份。

所述破泡剂为碳酸氢钠。

所述改性纳米纤维素膨润土粉末制备过程如下：

步骤一：将收集的葵花籽壳水洗、脱脂、烘干，粉碎后过80目筛，待用，按照质量比为1:5的料液比将葵花籽壳粉分散于蒸馏水中，煮沸15分钟后趁热过滤，将得到的滤渣加入12倍量的浓度为3wt%的氢氧化钠溶液中，调节pH至11~12，置于80~85℃的水浴中浸提4小时，过滤，水洗滤渣至中性；将二次滤渣放入12倍量的10wt%的盐酸溶液中，调节pH至1~2，置于60~65℃水浴浸提3小时，取出过滤，水洗滤渣至中性，最后用体积分数75%的乙醇脱水，在50~55℃下干燥，粉碎，过100目筛，得葵花籽壳纤维素。

步骤二：将膨润土、聚丙烯酰胺混合，加入7倍量的去离子水，放入容器中，恒温水浴中，在400转/分的转速下搅拌反应一段时间，离心过滤，将滤饼放入80~90℃下干燥，得到改性膨润土。

步骤三：将葵花籽壳纤维素与25倍量的12wt%的尿素溶液混合，搅拌10分钟后置于冰箱冷冻层中冷冻100分钟，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液加入容器中，水浴调温50~55℃，加入适量过硫酸铵，以300转/分搅拌15分钟，继续加入适量改性膨润土，继续搅拌反应120分钟，将得到的悬浮液用去离子水洗涤至中性，再用乙醇沉析4次，冷冻干燥，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

所述活性生物炭材料的制备过程如下：

（1）将葵花籽壳在80~90℃的条件下烘干4h，然后粉碎成150目混合粉末待用；

（2）取待疏浚污泥搅拌制成浆料，添加疏浚污泥相同重量的葵花籽壳粉末，制成浆团，并进行风干处理10小时，风干处理后放入炭化炉中，在氩气气体保护下以5℃/min升温至300℃炭化3小时，得到炭化料；

（3）将炭化料放入500℃的活化炉中，并在高纯N

一种疏浚淤泥的有机脱水剂的制备方法，具体步骤如下：

将甲基丙烯酰胺、二氧化硅混合，加入去离子水，60℃加热反应3小时，离心过滤，得到甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物；

将改性纳米纤维素膨润土粉末、活性生物炭、改性淀粉、羟基氯化铝、腐植酸、壳聚糖、甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物混合，得到有机脱水剂成分一；

将破泡剂和有机脱水剂成分一分别独立包装后再包装成有机脱水剂。

实施例3

本发明提供一种疏浚淤泥的有机脱水剂，按照重量份数计，其组成如下：改性纳米纤维素膨润土粉末为55份，甲基丙烯酰胺6份，活性生物炭20份，改性淀粉为2份，破泡剂1份，壳聚糖1份，二氧化硅3份，羟基氯化铝1份，腐植酸2份。

所述破泡剂为30％双氧水。

所述改性纳米纤维素膨润土粉末制备过程如下：

步骤一：将收集的葵花籽壳水洗、脱脂、烘干，粉碎后过80目筛，待用，按照质量比为1:5的料液比将葵花籽壳粉分散于蒸馏水中，煮沸12分钟后趁热过滤，将得到的滤渣加入11倍量的浓度为3wt%的氢氧化钠溶液中，调节pH至11~12，置于80~85℃的水浴中浸提4小时，过滤，水洗滤渣至中性；将二次滤渣放入11倍量的10wt%的盐酸溶液中，调节pH至1~2，置于60~65℃水浴浸提2.5小时，取出过滤，水洗滤渣至中性，最后用体积分数75%的乙醇脱水，在50~55℃下干燥，粉碎，过100目筛，得葵花籽壳纤维素。

步骤二：将膨润土、聚丙烯酰胺混合，加入6倍量的去离子水，放入容器中，恒温水浴中，在350转/分的转速下搅拌反应一段时间，离心过滤，将滤饼放入80~90℃下干燥，得到改性膨润土。

步骤三：将葵花籽壳纤维素与22倍量的12wt%的尿素溶液混合，搅拌6分钟后置于冰箱冷冻层中冷冻90分钟，得到粘稠的纤维素溶液；将纤维素溶液加入容器中，水浴调温50~55℃，加入适量过硫酸铵，以250转/分搅拌13分钟，继续加入适量改性膨润土，继续搅拌反应110分钟，将得到的悬浮液用去离子水洗涤至中性，再用乙醇沉析3次，冷冻干燥，得到改性纳米纤维素膨润土粉末。

所述活性生物炭材料的制备过程如下：

（1）将葵花籽壳在80~90℃的条件下烘干3h，然后粉碎成120目混合粉末待用；

（2）取待疏浚污泥搅拌制成浆料，添加疏浚污泥相同重量的葵花籽壳粉末，制成浆团，并进行风干处理8小时，风干处理后放入炭化炉中，在氩气气体保护下以5℃/min升温至250℃炭化2小时，得到炭化料；

（3）将炭化料放入400℃的活化炉中，并在高纯N

一种疏浚淤泥的有机脱水剂的制备方法，具体步骤如下：

将甲基丙烯酰胺、二氧化硅混合，加入去离子水，50℃加热反应2小时，离心过滤，得到甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物；

将改性纳米纤维素膨润土粉末、活性生物炭、改性淀粉、羟基氯化铝、腐植酸、壳聚糖、甲基丙烯酰胺~二氧化硅混合物混合，得到有机脱水剂成分一；

将破泡剂和有机脱水剂成分一分别独立包装后再包装成有机脱水剂。

对比例1

将破泡剂去除，其余与实施例3一致。

对比例2

将腐殖酸去除，其余与实施例3一致。

对比例3

将改性纳米纤维素膨润土粉末去除，其余与实施例3一致。

对比例4

将活性生物炭去除，其余与实施例3一致。

实施例4

取某河道待疏浚污泥100公斤pH6~8、含水量为85.6%，加入实施例1~3和对比例1~4的有机脱水剂0.3公斤，搅拌混合均匀后，检测结果见表1中所示。

表1

bei

由上表可知，本发明所制得的有机脱水剂可以较大地降低污泥的含水率、重金属含量和有机物，降低疏浚污泥的异味气体。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。