磷石膏制备边坡绿化基质材料的方法
技术领域
本发明属于磷石膏废料回收再利用领域，特别涉及到一种以磷石膏制备边坡绿化基质材料的方法。
背景技术
磷石膏是湿法生产磷酸过程中产生的一种工业副产物，据报道，每生产1吨磷酸要排出4-5吨的磷石膏，而目前世界上磷石膏年排量约为11000-13000万吨，其中只有少量得到了利用，在我国，随着化学工业的发展，磷石膏的排放量在不断地增加，但是回收利用率偏低，不足20％，导致磷化工厂周围的磷石膏堆积如山，不仅占用了大量的土地资源，而且对生态环境也造成严重影响。
磷石膏中含有部分有机磷、无机磷、氟化物和钾、钠等成分，在现有的一些对磷石膏进行回收处理的方式中，例如利用磷石膏制备加气砖，利用磷石膏制作墙板等，往往需要对磷石膏进行预处理，对其中的氟化物等成分进行处理以消除污染，避免对人体造成危害，预处理过程增加了对磷石膏进行回收利用的难度和成本，使得磷石膏回收利用无法以这种方式大规模展开。
同时，在我国城市综合垃圾治理中，厨余垃圾，城市污水垃圾，建筑石料废渣等垃圾是较为常见且数量庞大的垃圾来源，现有技术中对厨余垃圾、污水垃圾等生活污染源，往往采用填埋、消解等方式进行处理，处理工序复杂，成本较高，方式单一，且无法有效进行再利用；同时对于城市建设中的大量的建筑石料废渣的回收利用率很低，造成大量的资源浪费。
目前我国在道路边坡建设中需要大量混凝土以及土壤基质，往往采取的方式是：先用混凝土浇筑出防护结构，并在防护结构上预留绿化区域，在绿化区域内填埋土壤并种植绿植。此类方法需要消耗大量混凝土，且一些山体岩石路段土层较少，土壤基质无法就近取材，需要进行异地运输，造成成本增加；如果将城市化工企业的磷石膏废料就近用于当地的道路边坡建设，不仅可以解决磷化工企业肥料的再利用问题，还可解决当地公路建设中的筑路材料需求，对企业发展、社会发展、生态环境保护都有着重要的意义。
因此，本发明设计了一种利用磷石膏制备边坡防护绿化基质材料的方法，大大提高了磷石膏的回收利用效率，同时也提高了对于综合垃圾的利用率，具有很高的环保价值和经济效益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种以磷石膏制备边坡绿化基质材料的方法，该工艺通过以磷石膏这种化工生产废料为主体原料，与建筑石料废渣以及厨余垃圾的发酵物配合，制备出干燥的、便于袋装储藏的边坡绿化基质材料的骨料；在使用时，与生活污水处理厂的底泥配合，混合成强度较高的、含有有机肥成分和丰富氮磷钾元素的道路边坡绿化用的基质材料，可以替代现有技术中的“混凝土+土壤层”，既有混凝土固化边坡的能力，又具有土壤层供绿植生长的能力，具有回收效率高，多样化再利用，能产生较大经济价值的特点。
为实现上述设计，本发明所采用的技术方案是：一种以磷石膏制备边坡绿化基质材料的方法，包括以下工艺：
（1）原料粗处理：
将磷石膏和建筑石料废渣按质量比为4.2：1~5.5：1的比例混合，送入离心式搅拌机进行粉碎；
将厨余垃圾送入沼气池进行发酵处理；
（2）原料精处理：
将粉碎后的磷石膏和建筑石料废渣送入筛分机进行筛分，将粒径小于2mm的原料作为后续工序的固体物料进行收集；
沼气池发酵产生沼气，将剩余的底料中的废水废料混合物进行脱水，脱水后得到含水量为10%-15%的含碳有机物；
（3）原料的混合与烘干：
将固体物料和有含碳有机物进行混合，加入含水营养液，送入搅拌机搅拌均匀；
将搅拌均匀后的混合物料送入回转窑进行烘干，得到干燥的颗粒状的粉料；
（4）道路边坡绿化基质材料的制备：
取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂的底泥按照质量比为5.5:1~6.5:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
所述发酵处理工艺包括如下步骤：
将厨余垃圾送入沼气池进行厌氧发酵；厨余垃圾的厌氧发酵时间为8-13周；保持发酵料液pH值为6.8～7.5，温度为53～55℃，发酵料液中碳氮磷比为11：4.2：1~15：5.5：1；
发酵料液浓度随季节不同，夏季要求浓度在6%~6.5%，冬季为8%~8.5%。
所述烘干工艺包括如下步骤：
混合物料送入回转窑，设置烘干温度为120℃~150℃,烘干时长为30min~35min，祛除混合物料中的多余水分，以得到干燥的颗粒状的粉料，然后装袋储藏。
所述含水营养液为蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.45g/L~0.50g/L，硝酸钾0.27g/L~0.32g/L，磷酸二氢铵0.055g/L ~0.060g/L，七水硫酸镁0.24g/L ~0.27g/L。
所述步骤（3）中的固体物料、含碳有机物和含水营养液按质量比为12：4.2：1~10：3.5：1的比例配置。
所述步骤（4）中的生活污水处理厂的底泥含水量为60%~65%；可通过沥水或加水使底泥含水量达到预定区间值。
所述步骤（3）中的烘干采用步骤（2）中的沼气作为能源。
本发明的显著优点在于：
1，磷石膏固体主要成分为二水硫酸钙，其强度较低，受压后往往成粒径微小的粉末状固体，单独的磷石膏固体作为道路边坡材料，无法保证足够的结构强度以实现固化边坡的目的；本发明率先使用了磷石膏固体与建筑石料废渣混合的方式，因建筑石料废渣中粒径较小的物质大多为砂砾、小石子等强度较高的物质，与磷石膏固体充分混合后，可以有效提升混合物料的结构强度，以满足边坡固化的强度需求；同时也解决了建筑石料废渣的回收利用问题。
2、本发明创新的采用了生活污水处理厂的底泥与磷石膏固体以及建筑石料废渣的混合物进行混合；因生活污水处理厂的底泥粘度较高，且含水量较高，可以作为天然的粘合剂成分，在充分搅拌后，可以有效地将磷石膏固体以及建筑石料废渣的混合物进行粘合，从而得到粘度较高，且结构强度较大的泥状混合物；较高的粘性也使得泥状混合物便于铺设在倾斜的道路边坡上，更好的实现固化边坡的目的，可以完全替代现有技术中的浇筑混凝土的方式。
3，磷石膏固体中含有部分有机磷、无机磷和钾、钠等利于植被生长的成分，可以作为边坡绿化基质材料；但是磷石膏固体强度较低，受压后往往成粒径微小的粉末状，加水搅拌后形成的物料往往内部间隙较小，作为绿植生长的基质，不具有良好的透气性和持水性；与建筑石料废渣中筛分出的砂砾、土壤等细小成分混合后，得到的基质材料内部间隙较大，具有良好的透气性和持水性，从而提升了种植绿植时基质材料的储水能力和含氧量。
4、本发明在工艺中加入了厨余垃圾发酵制备含碳有机物，得到的含碳有机物与磷石膏以及建筑石料废渣混合，为制备的基质材料提供了营养成分；在使用时与含碳量较高的生活污水处理厂的底泥混合，也进一步增加了基质材料的营养成分；
相比于现有技术中边坡绿植使用的土壤作为基质，本发明中制备的基质材料含有更多有机物和营养成分，更利于绿植生长；同时本发明解决了厨余垃圾和污水厂底泥垃圾的处理问题，避免了现有技术下大量厨余垃圾、污水厂底泥垃圾只能通过填埋、分解等方式进行处理的窘境，为综合治理城市垃圾提供了更多样化的选择，具有很高的环保价值。
5、步骤（3）中固体物料与含碳有机物混合后加入了烘干工序，通过烘干可以有效去除基质材料中的多余水分，制成干燥的颗粒状的粉料，降低了基质材料的重量，便于将粉料装袋储藏，无论是后续的运输、销售都十分方便；当需要铺设道路边坡绿化基质材料时，只需将袋装的粉料与污水处理厂的底泥，或者仅仅是加水以及建筑胶粉，就可以方便的制成可以使用的边坡绿化基质材料；烘干时采用较低的温度，避免了有机物碳化以及营养成分分解，同时避免了磷石膏中的氟因高温挥发造成污染。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：
（1）将磷石膏和建筑石料废渣按质量比为4.2：1的比例混合，送入离心式搅拌机进行粉碎。
（2）将厨余垃圾送入沼气池进行发酵处理；厌氧发酵时间为8周；保持发酵料液pH值为6.8，温度为53摄氏度，发酵料液中碳氮磷比为11：4.2：1。
（3）将粉碎后的磷石膏和建筑石料废渣送入筛分机进行筛分，将粒径小于2mm的原料作为后续工序的固体物料进行收集；
沼气池发酵产生沼气，将剩余的底料中的废水废料混合物进行脱水，脱水后得到含水量为10.0%的含碳有机物。
（4）配置含水营养液，在蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.45g/L，硝酸钾0.27g/L，磷酸二氢铵0.055g/L，七水硫酸镁0.24g/L。
（5）将固体物料、含碳有机物和含水营养液按质量比12：4.2：1进行混合搅拌，将搅拌后的混合物送入回转窑，进行温度为120℃,时长为30min的烘干，得到干燥的颗粒状的粉料。
（6）取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂含水量为60%的底泥，按照质量比为5.5:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
测试所述道路边坡绿化基质材料的物理性能：7天无侧限抗压强度为 2 .97MPa；28天无侧限抗压强度为8.33MPa ,均大于标准值。
测试所述边坡绿化基质材料的绿植生长能力：采用边坡绿化中常用的狗牙根草种作为实验样品，控制播种密度为10g/m2，温度为25℃；15天出芽面积覆盖率为95.5%，30天生长平均高度为7.1cm，均超过标准水平。
实施例2：
（1）将磷石膏和建筑石料废渣按质量比为4.5：1的比例混合，送入离心式搅拌机进行粉碎。
（2）将厨余垃圾送入沼气池进行发酵处理；厌氧发酵时间为10周；保持发酵料液pH值为7.2，温度为54℃，发酵料液中碳氮磷比为13：4.5：1。
（3）将粉碎后的磷石膏和建筑石料废渣送入筛分机进行筛分，将粒径小于2mm的原料作为后续工序的固体物料进行收集。
沼气池发酵产生沼气，将剩余的底料中的废水废料混合物进行脱水，脱水后得到含水量为12.0%的含碳有机物。
（4）配置含水营养液，在蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.47g/L，硝酸钾0.30g/L，磷酸二氢铵0.057g/L，七水硫酸镁0.25g/L。
（5）将固体物料、含碳有机物和含水营养液按质量比11.4：3.2：1进行混合搅拌，将搅拌后的混合物送入回转窑，进行温度为135℃,时长为32min的烘干，得到干燥的颗粒状的粉料。
（6）取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂含水量为62%的底泥，按照质量比为6.0:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
测试所述边坡绿化基质材料的物理性能：7天无侧限抗压强度为 2 .88MPa；28天无侧限抗压强度为8.17MPa ,均大于标准值。
测试所述边坡绿化基质材料的绿植生长能力：采用边坡绿化中常用的狗牙根草种作为实验样品，控制播种密度为10g/m2，温度为25℃；15天出芽面积覆盖率为95.2%，30天生长平均高度为6.8cm，均超过标准水平。
实施例3：
（1）将磷石膏和建筑石料废渣按质量比为5.5：1的比例混合，送入离心式搅拌机进行粉碎。
（2）将厨余垃圾送入沼气池进行发酵处理；厌氧发酵时间为13周；保持发酵料液pH值为7.5，温度为55℃，发酵料液中碳氮磷比为15.5：5：1。
（3）将粉碎后的磷石膏和建筑石料废渣送入筛分机进行筛分，将粒径小于2mm的原料作为后续工序的固体物料进行收集；
沼气池发酵产生沼气，将剩余的底料中的废水废料混合物进行脱水，脱水后得到含水量为15.0%的含碳有机物。
（4）配置含水营养液，在蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.50g/L，硝酸钾0.32g/L，磷酸二氢铵0.060g/L，七水硫酸镁0.27g/L。
（5）将固体物料、含碳有机物和含水营养液按质量比10：3.5：1进行混合搅拌，将搅拌后的混合物送入回转窑，进行温度为150℃,时长为35min的烘干,得到干燥的颗粒状的粉料。
（6）取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂含水量为65%的底泥，按照质量比为6.5:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
测试所述边坡绿化基质材料的物理性能：7天无侧限抗压强度为 2.99MPa；28天无侧限抗压强度为8.59MPa ,均大于标准值。
测试所述边坡绿化基质材料的绿植生长能力：采用边坡绿化中常用的狗牙根草种作为实验样品，控制播种密度为10g/m2，温度为25℃；15天出芽面积覆盖率为96.1%，30天生长平均高度为7.3cm，均超过标准水平。
实施例4：
（1）将磷石膏固体原料送入离心式搅拌机进行粉碎得到固体物料。
（2）将厨余垃圾送入沼气池进行发酵处理；厌氧发酵时间为13周；保持发酵料液pH值为7.5，温度为55℃，发酵料液中碳氮磷比为15.5：5：1。
沼气池发酵产生沼气，将剩余的底料中的废水废料混合物进行脱水，脱水后得到含水量为15.0%的含碳有机物；
（3）配置含水营养液，在蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.50g/L，硝酸钾0.32g/L，磷酸二氢铵0.060g/L，七水硫酸镁0.27g/L。
（4）将固体物料、含碳有机物和含水营养液按质量比10：3.5：1进行混合搅拌，将搅拌后的混合物送入回转窑，进行温度为150℃,时长为35min的烘干,得到干燥的颗粒状的粉料。
（5）取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂含水量为65%的底泥，按照质量比为6.5:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
测试所述述边坡绿化基质材料的物理性能：7天无侧限抗压强度为 1.31MPa；28天无侧限抗压强度为4.03MPa ,远低于标准值。
测试所述边坡绿化基质材料的绿植生长能力：采用边坡绿化中常用的狗牙根草种作为实验样品，控制播种密度为10g/m2，温度为25℃；15天出芽面积覆盖率为79.1%，30天生长平均高度为4.1cm，未超过标准水平。
实施例5：
（1）将磷石膏和建筑石料废渣按质量比为5.5：1的比例混合，送入离心式搅拌机进行粉碎。
（2）将粉碎后的磷石膏和建筑石料废渣送入筛分机进行筛分，将粒径小于2mm的原料作为后续工序的固体物料进行收集；
（3）配置含水营养液，在蒸馏水中加入四水硝酸钙、硝酸钾、磷酸二氢铵和七水硫酸镁四种化合物；其中各化合物的质量浓度如下，四水硝酸钙0.50g/L，硝酸钾0.32g/L，磷酸二氢铵0.060g/L，七水硫酸镁0.27g/L。
（4）将固体物料和含水营养液按质量比10.0：1进行混合搅拌，将搅拌后的混合物送入回转窑，进行温度为150℃,时长为35min的烘干,得到干燥的颗粒状的粉料。
（5）取干燥的颗粒状的粉料和生活污水处理厂含水量为65%的底泥，按照质量比为6.5:1的比例混合，送入大型搅拌机搅拌均匀，制成道路边坡绿化基质材料。
测试所述述边坡绿化基质材料物理性能：7天无侧限抗压强度为 2.98MPa；28天无侧限抗压强度为8.57MPa ,均大于标准值。
测试所述边坡绿化基质材料的绿植生长能力：采用边坡绿化中常用的狗牙根草种作为实验样品，控制播种密度为10g/m2，温度为25℃；15天出芽面积覆盖率为62.3%，30天生长平均高度为3.5cm，低于平均标准水平。
上述实施例4和实施5作为实施例3的对比例；
实施例4中去掉了建筑石料废渣组分，测试结果显示，边坡绿化基质材料的强度受到了显著影响，未能达标，无法起到有效固化边坡的作用；因为未加入建筑石料废渣改善基质材料的持水性和透气性，供给植被生长的性能受到一定影响。
实施例5中去掉了厨余垃圾制备含碳有机物的步骤，测试结果显示，边坡绿化基质材料的强度基本未受到显著影响，但边坡绿化基质材料的植被生长性能受到显著影响，未能达到标准值。
由上述实施例可以看出，本发明中通过添加建筑石料废渣，解决了单独用磷石膏固体原料制备边坡绿化基质材料时强度不足的问题；通过厨余垃圾制备含碳有机物与固体物料混合，极大地提升了制成的边坡绿化基质材料的供养植被生长的性能。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
