CN105195095B - 一种利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将污泥进行厌氧发酵，发酵后将污泥进行浓缩，得到发酵废弃物，向其中加入营养调节剂，进行二次发酵，得到二次发酵废弃物；第二步：将所得的二次发酵废弃物浓缩后，放入密闭反应器中，加入催化剂，进行反应，经过后处理得到重金属吸附剂。本发明方法显著提高了碳材料对重金属的吸附率，实现了对有机废物的高效资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种资源化利用发酵废弃物的方法，尤其是关于利用发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法。
背景技术
厌氧发酵是有机底物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被代谢转化的过程，同时伴有CH4和CO2产生的变化，产生的发酵液中含有大量的挥发性脂肪酸(VFA)，可被资源化利用，如文献(Jingyang Luo，Leiyu Feng，et al.Improved production of short-chain fatty acids from waste activated sludge driven by carbohydrate additionin continuous-flow reactors：Influence of SRT and temperature.Applied Energy，113(2014)57-58)中只提到了资源化利用污泥产生短链脂肪酸，但至今并未涉及污泥发酵废弃物的处理处置方法。发酵之后的废弃底泥难以资源化利用，VSS含量低，随意堆放会产生臭气，污染大气环境，而且会占用大量的土地资源。目前，常用的处理方法为堆肥法，但是该方法会产生大气污染等二次污染；卫生填埋会占用大量的土地资源还会产生高昂的运输费用。污泥发酵废弃物中含有厌氧发酵产生的挥发性脂肪酸以及难以被微生物代谢的碳源物质，由于发酵产物中存在羟基，羧基等亲水基团，通过适当的温度及压力下，在二价离子的催化作用下，羟基酸会加成在碳链上，并且会使生成的碳材料具有更优的多孔物理结构，为制备高性能吸附剂提供了可能。
水体中重金属离子的去除方法包括化学沉淀(产生低密度污泥，难以处理)，膜过滤(膜污染，成本高)，电化学方法(包括电凝法、电浮选和电附着)需要昂贵的电力供应，吸附法是目前公认的一种有效和经济的处理污水中重金属的方法，比较常用的吸附剂为活性炭，但是活性炭的制备成本较高，一直限制着活性炭在污水治理行业的应用。如文献(马缨，盛国平.改性炭基吸附剂去除水中重金属和染料的研究)中报道了对活性炭改性以提高对重金属离子的吸附量，并未从根本上解决活性炭制备高成本问题；文献(Rezan Demir-Cakan，Niki Baccile，et al.Carboxylate-Rich Carbonaceous Materials via One-StepHydrothermal Carbonization of Glucose in the Presence of AcrylicAcid.Chem.Mater.2009，21，484-490)中报道了水热碳化葡萄糖制备吸附炭，并引入丙烯酸对碳材料改性，该报道制备吸附炭的成本较高，而且引入高成本的改性药剂，使得该方法难以在实际工程中实施。
发明内容
本发明的目的是提供一种资源化利用发酵废弃物，同时利用发酵液中的有机酸对重金属吸附材料进行改性的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将污泥进行厌氧发酵，发酵后将污泥进行浓缩，得到发酵废弃物，向其中加入营养调节剂，进行二次发酵，得到二次发酵废弃物；
第二步：将所得的二次发酵废弃物浓缩后，放入密闭反应器中，加入催化剂，进行反应，经过后处理得到重金属吸附剂。
优选地，所述第一步中，发酵后将污泥进行浓缩至VSS为10～40g/L。
优选地，所述的营养调节剂含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为4-8∶1-6∶1-3，碳水化合物、油脂和蛋白质的总重量为发酵废弃物的VSS重量的5％～50％。
优选地，所述的营养调节剂为餐厨垃圾。
优选地，所述的污泥为城市污水处理厂的剩余污泥。
优选地，所述的厌氧发酵的温度为25-50℃，pH为6-11，时间为3-6天。
优选地，所述的二次发酵的时间为2～7天，发酵温度控制在10～60℃，发酵过程中pH控制为4～10，发酵条件为兼性厌氧。
优选地，所述的第二步中，二次发酵废弃物浓缩至VSS为35-60g/L。
优选地，所述的密闭反应器需要密闭耐温耐压，要求温度耐受极限至少为280℃，要求压力耐受至少为5MPa。
优选地，所述的密闭反应器设有四氟乙烯或PPL内衬。
优选地，所述的反应压力为1～1.5MPa，反应温度设定为：在1h内使反应体系的温度升到180～250℃，并保持该温度1h，反应在搅拌下进行，搅拌速度为800～1200rpm。
优选地，所述的反应产物的后处理方法为：将反应体系自然冷却到室温冷却至室温，抽滤得到固体产物，使用自来水洗涤，直至自来水无色透明为止，将固体产物在40～80℃烘箱中烘干10～20h，最后将得到的固体研磨得到重金属吸附剂。
优选地，所述的催化剂为CaCl2和MgO，CaCl2的添加量为每克浓缩后的二次发酵废弃物中的挥发性固体悬浮物(VSS)加入0.01～0.05g CaCl2，MgO的添加量为每克浓缩后的二次发酵废弃物中的挥发性固体悬浮物(VSS)加入0.02～0.07g MgO。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法显著提高了碳材料对重金属的吸附率，实现了对有机废物的高效资源化利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。各实施例中的密闭反应器皆密闭耐温耐压，要求温度耐受极限为280℃，要求压力耐受为5MPa，设有四氟乙烯内衬。
实施例1
一种利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，具体为：
(1)取1L城市污水处理厂剩余污泥进行在温度为35℃，pH为8的条件下厌氧发酵5天，发酵后将污泥通过静置自然沉淀8h的方法进行浓缩，得到VSS为35g/L的发酵废弃物0.6L。向其中加入VSS为43g/L的餐厨垃圾82mL，在温度为35℃，pH为8、兼性厌氧的条件下二次发酵4天，得到二次发酵废弃物。所述的餐厨垃圾含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为6∶3∶1。碳水化合物、油脂和蛋白质的总重量为发酵废弃物的VSS重量的25％。
(2)将二次发酵废弃物离心浓缩至VSS为40g/L，取0.5L二次发酵废弃物放入密闭反应器中，加入0.33g CaCl2固体和0.66g MgO固体，进行反应，所述的反应压力为1.2MPa，反应温度设定为：在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，反应在搅拌下进行，搅拌速度为800rpm。
(3)待反应结束后，将反应体系自然冷却到室温。取出液体抽滤，得到固体产物，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色透明，得到的固体产物放在恒温干燥箱80℃干燥10h，取出干燥固体研磨备用，即为重金属吸附剂。
(4)配制质量浓度为100mg/L的Cr3+，Cd2+溶液，取出100mL加入0.1g的重金属吸附剂避光条件下震荡10h，测定溶液中残留的Cr3+，Cd2+浓度。经计算，吸附剂对Cr3+，Cd2+的吸附率分别为81.7％，85％。
实施例2：
(1)取1.5L城市污水处理厂剩余污泥进行在温度为35℃，pH为8的条件下厌氧发酵5天，发酵后将污泥通过静置自然沉淀8h的方法进行浓缩，得到VSS为33g/L的发酵废弃物0.9L。向其中加入VSS为45g/L的餐厨垃圾220mL，在温度为35℃，pH为8、兼性厌氧的条件下二次发酵4天，得到二次发酵废弃物。所述的餐厨垃圾含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为5∶4∶1。碳水化合物、油脂和蛋白质的总重量为发酵废弃物的VSS重量的30％。
(2)将二次发酵废弃物离心浓缩至VSS为36g/L，取1L二次发酵废弃物放入密闭反应器中，加入0.35g CaCl2固体和0.7g MgO固体，进行反应，所述的反应压力为1.2MPa，反应温度设定为：在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，反应在搅拌下进行，搅拌速度为800rpm。
(3)待反应结束后，将反应体系自然冷却到室温。取出液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色透明，得到的固体产物放在恒温干燥箱80℃干燥10h，取出干燥固体研磨备用，即为重金属吸附剂。
(4)配制质量浓度为100mg/L的Cu2+，Pb2+溶液，取出100mL加入0.1g的重金属吸附剂避光条件下震荡10h，测定溶液中残留的Cu2+，Pb2+浓度。经计算，吸附剂对Cu2+，Pb2+的吸附率分别为83％，86％。
实施例3：
(1)取0.5L城市污水处理厂剩余污泥进行在温度为35℃，pH为8的条件下厌氧发酵5天，发酵后将污泥通过静置自然沉淀8h的方法进行浓缩，得到VSS为28/g/L的发酵废弃物0.3L。向其中加入VSS为35g/L的餐厨垃圾100mL，在温度为35℃，pH为8、兼性厌氧的条件下二次发酵4天，得到二次发酵废弃物。所述的餐厨垃圾含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为7∶2∶1。碳水化合物、油脂和蛋白质的总重量为发酵废弃物的VSS重量的33％。
(2)将二次发酵废弃物离心浓缩至VSS为38g/L，取0.3L二次发酵废弃物放入密闭反应器中，加入0.28g CaCl2固体和0.56g MgO固体，进行反应，所述的反应压力为1.2MPa，反应温度设定为：在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，反应在搅拌下进行，搅拌速度为800rpm。
(3)待反应结束后，将反应体系自然冷却到室温。取出液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色透明，得到的固体产物放在恒温干燥箱80℃干燥10h，取出干燥固体研磨备用，即为重金属吸附剂。
(4)配制质量浓度为100mg/L的Ag+，Cd2+溶液，取出100mL加入0.1g的重金属吸附剂避光条件下震荡10h，测定溶液中残留的Ag+，Cd2+浓度。经计算，吸附剂对Ag+，Cd2+的吸附率分别为79％，82.6％。
实施例4：
(1)取1.8L城市污水处理厂剩余污泥进行在温度为35℃，pH为8的条件下厌氧发酵5天，发酵后将污泥通过静置自然沉淀8h的方法进行浓缩，得到VSS为30/g/L的发酵废弃物1.4L。向其中加入VSS为45g/L的餐厨垃圾240mL，在温度为35℃，pH为8、兼性厌氧的条件下二次发酵4天，得到二次发酵废弃物。所述的餐厨垃圾含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为6∶3∶1。碳水化合物、油脂和蛋白质的总重量为发酵废弃物的VSS重量的33％。
(2)将二次发酵废弃物离心浓缩至VSS为37g/L，取1.2L二次发酵废弃物放入密闭反应器中，加入0.30g CaCl2固体和0.60g MgO固体，进行反应，所述的反应压力为1.2MPa，反应温度设定为：在1h内使反应体系的温度升到180℃，并保持该温度1h，反应在搅拌下进行，搅拌速度为800rpm。
(3)待反应结束后，将反应体系自然冷却到室温。取出液体抽滤，得到固体，并用自来水不断冲洗，直至清洗液体无色透明，得到的固体产物放在恒温干燥箱80℃干燥10h，取出干燥固体研磨备用，即为重金属吸附剂。
(4)配制质量浓度为100mg/L的Cu2+，Cd2+溶液，取出100mL加入0.1g的重金属吸附剂避光条件下震荡10h，测定溶液中残留的Cu2+，Cd2+浓度。经计算，吸附剂对Cu2+，Cd2+的吸附率分别为82％，86％。
Claims (8)
1.一种利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将污泥进行厌氧发酵，发酵后将污泥进行浓缩，得到发酵废弃物，向其中加入营养调节剂，进行二次发酵，得到二次发酵废弃物；
第二步：将所得的二次发酵废弃物浓缩至VSS为35-60g/L后，放入密闭反应器中，加入催化剂CaCl2和MgO，CaCl2的添加量为每克浓缩后的二次发酵废弃物中的挥发性固体悬浮物加入0.01~0.05g CaCl2，MgO的添加量为每克浓缩后的二次发酵废弃物中的挥发性固体悬浮物加入0.02~0.07gMgO，进行反应，反应条件为在1h内使反应体系的温度升到180~250℃，并保持该温度1h，压力为1~1.5MPa，搅拌速度为800~1200rpm，经过后处理得到重金属吸附剂。
2.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述第一步中，发酵后将污泥进行浓缩至VSS为10~40g/L。
3.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述的营养调节剂含有碳水化合物、油脂和蛋白质，碳水化合物、油脂和蛋白质的重量比为4-8：1-6：1-3。
4.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述的营养调节剂的添加量为污泥VSS重量的5%~50%。
5.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述的营养调节剂为餐厨垃圾。
6.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述的厌氧发酵的温度为25-50℃，pH为6-11，时间为3-6天。
7.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，所述的二次发酵的时间为2~7天，发酵温度控制在10~60℃，发酵过程中pH控制为4~10，发酵条件为兼性厌氧。
8.如权利要求1所述的利用污泥发酵废弃物制备重金属吸附剂的方法，其特征在于，第二步反应得到的产物的后处理方法为：将反应体系自然冷却到室温，抽滤得到固体产物，使用自来水洗涤，直至自来水无色透明为止，将固体产物在40~80℃烘箱中烘干10~20h，最后将得到的固体研磨得到重金属吸附剂。
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