CN109942163A - 一种污泥生物改性制备炭的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用污泥生物改性制备炭的方法，其通过利用生物改性过程中第一复合菌群与第二复合菌群替代污泥内原有菌体，在热解炭化过程中，通过细碎农业废弃物与第一复合菌群与第二复合菌群的炭化，获得形状规整的大孔隙生物质炭，提升污泥基生物质炭的各项性能参数,此外，本发明还一种利用污泥生物改性制备炭的系统，将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合第一生物改性器与第二生物改性器的生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应造粒设备与炭化设备的加工条件制备得到一种新型结构的污泥基生物质炭,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，可作为生物炭基肥、吸附材料等应用。
Description
技术领域
本发明涉及污泥处理技术领域，尤其涉及一种污泥生物改性制备炭的方法及系统。
背景技术
剩余污泥是活性污泥法处理污水产生的固态、半固态及液态的废弃物，是污水处理厂的必然产物，一般而言，剩余污泥的体积约占处理污水体积的0.5％-2％，现有技术脱水后污泥的含水率仍然高达80％左右，要妥善处理如此巨大的污泥，需要庞大的基建投资和运行费用，而污泥处理的运行费用约占污水处理厂总运行费用的25％-50％，因此，我国现有已经建成的污泥处理设施正常运行的较少，大部分污泥未经任何处理外运、随意弃置及简单填埋或农用。
但是，城市污水处理厂污泥含水率高，不但运输和集中处理处置难度大，而且污水中60％以上重金属会转移到污泥中，污泥中富集的Cr、Ni、Cu、Zn、Pb、 As、Cd等重金属处置不当会污染土壤和地表水，此外，污泥中含有大量难降解的有机物和病原微生物等，长时间堆放容易腐败变质并发出恶臭气体，如何安全有效地处置污泥，解决污泥围城问题，成为环境保护及城市可持续发展的热点问题。
在专利号为CN201710186154.8(以下简称对比文件1)的专利文献中公开了污泥基生物炭缓释磷肥的制备方法，其通过对调理后的污泥进行水热炭化反应，获得生物质炭，再与磷溶液混合获得生物炭缓释磷肥。
但是对比文件1仍存在以下问题：
1、与对比文件1相似，水热炭化形成的生物质炭的结构普通，性能参数一般，无法作为优质的炭基肥的添加物；
2、在调理过程中，污泥内的重金属去除并不彻底，后续制作的生物质炭内仍含有重金属元素。
在专利号为CN201710273579.2(以下简称对比文件2)的专利文献中公开了一种污泥活性炭的制备方法，以污水处理副产物污泥为原料，将污泥干燥后破碎，再进行热解反应，得到污泥炭粉，之后在利用活化剂加入到污泥炭粉内进行活化，改变污泥炭的表面特性及孔结构分布，增强污泥炭粉的吸附能力。
但是对比文件2仍存在以下问题：
1、在对热解炭化得到的污泥炭化进行活化改变污泥炭的表面特性及孔结构分布的过程中，需要加入化工类的活化剂，过程繁琐，且化工类的活化剂对污泥炭的结构造成破坏，导致孔径不均匀，影响吸附效果。
在专利号为CN201510527173.3(以下简称对比文件3)的专利文献中公开了一种利用有机废物制备吸附炭材料的方法，采用含蛋白质为主的城市污水处理厂的剩余污泥和含碳水化合物为主的餐厨垃圾，实现了多种有机废物的联合资源化利用；通过加入了多种催化物质，优化了吸附炭的结晶度，显著提升其对染料的吸附性能。
但是对比文件3仍存在以下问题：
1、为了提高吸附炭的结晶度，在进行热解炭化的过程中需要加入多种的催化物质作为活化剂，活化剂使用在改变制备的吸附炭表面特性及孔结构分布的过程中，也破坏了孔结构的规则性，导致孔径不均匀，影响吸附效果。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种利用污泥生物改性制备炭的方法，将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应工艺条件制备得到一种新型结构的污泥基生物质炭,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，可作为生物炭基肥、吸附材料等应用。
本发明的技术解决措施如下：
一种污泥生物改性制备炭的方法，包括以下步骤：
步骤一，生物改性，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％ -7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在生物改性反应器中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h，该第一复合菌群和第二复合菌群的平均体积大小均比污泥中原生菌平均体积大小增大5-10倍，其中第一复合菌群为由枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、白腐真菌及交替单胞菌组成，第二复合菌群由氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌组成；
在该反应过程中，其中第一复合菌群的反应阶段，第一复合菌群将污泥中的溶解性小分子有机物及持久性有机污染物充分降解的同时，为第二复合菌群提供适宜的生产环境，并替代污泥中原生菌体，在该阶段污泥内的菌体平均体积大小由0.5-1μm3增大3-5μm3；同时，产生可促进污泥脱水及第二复合菌群污泥接种物生长的表面活性物质；
其中，第二反应阶段，在第二复合菌群污泥接种物对污泥进行的生物降解、生物破壁、生物表面活性物质改性、生物氧化和生物酸化作用使污泥中的水份释放的同时，污泥内的菌体平均体积大小3-5μm3由缩小至2-3μm3。
步骤二，压滤脱水，将步骤一中经过生物改性后的污泥经压滤后形成污泥泥饼与滤液，该污泥泥饼的含水率＜60％；
其中，压滤装置进料时间为2-3h，高压水压榨1-2h，进料压力0.6-0.8MPa，隔膜压榨力1.0-2.0MPa；
步骤三，破碎造粒，经步骤二中压滤脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒；
步骤四，干燥，在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率＜30％；
步骤五，热解炭化，将步骤四中经造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，向该污泥颗粒中加入农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为 550-600℃，炭化时间为0.5-2h的条件下，制备得到比表面积为2000-2200m2/g，单位体积内孔隙率为70％-85％，平均孔径2-5μm的污泥基生物炭；
其中，在中温阶段，即120-200℃，污泥中的自由水被干燥蒸发，自由水包括菌体表面吸附的游离态水，而在300-450℃，污泥内菌体细胞的结合水被蒸发，菌体细胞炭化，而在550-600℃，污泥开始脱水炭化。
作为改进，所述步骤一中，在新鲜污泥内加入细碎的农业废弃物混合均匀后，再与第一复合菌群污泥接种物及第二复合菌群污泥接种物混合反应。
作为改进，所述步骤二中，通过隔膜厢式压滤机对污泥进行压滤脱水，其进料时间为2h，高压水压榨1h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后污泥泥饼含水率45-50％。
作为改进，所述步骤四中，在造粒过程中同步对污泥进行干燥的所需热量来自于所述步骤五中热解炭化过程产生的高温烟气。
作为改进，所述步骤五中，通过喷洒方式向炭化炉内添加粒径不大于所述污泥颗粒的农业废弃物。
如图5，为了保证农业废弃物在炭化炉内分布均匀，本发明通过喷洒的方式，将农业废弃物喷入炭化炉内，覆盖范围广，分布均匀，并且农业废弃物在 300-450℃就开始炭化，在炭化炉内充分的分布在炉壁上，避免了污泥颗粒炭化时与炉壁发生结焦，此外，在污泥颗粒在550-600℃进行炭化过程中，农业废弃物已经炭化，其形成的高纯度的生物质炭与通过污泥颗粒排出的焦油与污泥颗粒进行粘附混合形成新型结构的污泥基生物质炭。
作为改进，所述步骤五中，向炭化炉内按照污泥颗粒体积的2％-3％加入所述农业废弃物。
作为改进，在污泥颗粒温度达到200-300℃时向炭化炉内添加所述农业废弃物。
作为改进，所述步骤六中，炭化炉优选为回转式炭化炉，炭化温度为 550-600℃，炭化时间为1-1.5h。
1、本发明一种污泥生物改性制备炭的方法的有益效果在于：
(1)、本发明通过生物改性将污泥中的原生菌体替代，使污泥内菌体的体积扩大5-10倍，再通过热解炭化过程，菌体炭化，使泥的内部形成孔径相对较大、外形完整与规则的孔隙，提高热解炭化后污泥基生物质炭的各项性能参数，使制备出的污泥基生物质炭优于现有方法制备出的生物质炭；
(2)、本发明通过在炭化炉进料口处喷洒农业废弃物，一方面避免污泥在炭化炉炉壁上结焦情况；另一方面污泥进入炭化炉内时具有一定含水率和粘性使得农业废弃物与污泥充分粘合，使得制备得到一种农业废弃物热解炭化形成的高纯度生物质炭与污泥热解炭化形成的炭相结合的新型结构的污泥基生物质炭，其具有比重轻，孔隙大，孔隙率高等优点；
此外，由于农业废弃物的热解炭化温度为300-450℃，污泥的热解炭化温度为550-600℃，由于两种物质热解炭化速率不同，使得本发明在热解炭化阶段，农业废弃物热解炭化成的高纯度生物质炭破坏污泥内部黏性，提高污泥热解升温速率，进一步提高污泥炭化转化率；
(3)、本发明通过生物改性阶段，使第一复合菌群与第二复合菌群的生物代谢作用均匀分散在污泥的各个部分，在后续的污泥热解炭化过程中，分散均匀的第一复合菌群与第二复合菌群在污泥基生物质炭内部形成的孔隙也就更加均匀；
(4)、本发明通过在新鲜污泥内加入细碎的农业废弃物，利用农业废弃物对新鲜污泥的粘性进行破坏，使第一复合菌群与第二复合菌群可以更加快速的进入到污泥内进行生物替代作用，替换原有的菌体细胞，缩短反应时间，提高第一复合菌群与第二复合菌群的生长速度，在工艺反应前端实现污泥改性，促进工艺后端热解炭化效果，优化产品性能；
(5)、本发明通过在造粒过程中进行干燥，使污泥干化，固定污泥的外形，之后在热解炭化过程中，温度达到300-450℃，污泥内部的第一复合菌群与第二复合菌群炭化，并形成规则、均匀的孔隙，且污泥基生物质炭内部结构稳定；
(6)、本发明在污泥基生物质炭的制备过程中，并不加入任何污染环境的的化学药剂，添加的均为菌体与有机质，且不在污泥内产生任何对环境污染有害的物质。
2、与对比文件1比较
(1)、在原料上，对比文件1与本发明均是采用污泥作为原料进行热解碳化制备污泥基生物质炭；
(2)、在制备方法上，对比文件1采用向污泥内加入调理剂(调理剂为钢渣废弃物、KOH、CaO、CaCO3、Al2O3、ZnCl2等无机调理剂中的一种或多种的混合)增加污泥的孔隙率，而本发明通过第一复合菌群与第二复合菌群对污泥进行生物改性，去除污泥内的有害菌体与重金属元素，同时利用第一复合菌群与第二复合菌群的大体积在污泥内形成均匀分布的孔隙，增加污泥孔隙率；
(3)、在制备的产品上，对比文件1制备出的污泥基生物质炭，由于加入的调理剂存在多种重金属元素，重金属元素残留在污泥基生物质炭内，会污染土壤，破坏环境，且调理剂添加不均匀会造成污泥基生物质炭内孔隙分布不均匀，而本发明制备出的污泥基生物质炭，不残留任何的重金属元素，将其应用于制备炭基肥使用时,添加的污泥基生物质炭对土壤内的重金属元素具有固化效果，改善土壤环境。
3、与对比文件2比较
(1)、在原料上，对比文件2与本发明均是采用污泥作为原料进行热解碳化制备污泥基生物质炭；
(2)、在制备方法上，对比文件2先将污泥热解炭化形成污泥炭粉，之后再对污泥炭粉加入活化剂(KOH溶液和酸溶液)，破坏污泥碳粉的内部结构形成孔隙，而本发明通过第一复合菌群与第二复合菌群对污泥进行生物改性，去除污泥内的有害菌体与重金属元素，同时利用第一复合菌群与第二复合菌群的大体积在污泥内形成均匀分布的孔隙，增加污泥孔隙率；
(3)、在制备的产品上，对比文件2制备出的污泥基生物质炭，由于加入的活化剂破坏污泥炭粉的内部结构，导致污泥基生物质炭的内部孔隙形状不规则，分布不均匀，且孔径大小跨度大，而本发明制备出的污泥基生物质炭，通过第一复合菌群与第二复合菌群的生物活替代作用,在污泥基生物质炭内形成的孔隙分布均匀、孔隙形状规则，且孔径大小跨度小。
4、与对比文件3比较
(1)、在原料上，对比文件3采用的含蛋白质为主的城市污水处理厂的剩余污泥和含碳水化合物为主的餐厨垃圾，本发明采用的是污泥水处理厂处理的污泥作为原料进行热解碳化制备污泥基生物质炭；
(2)、在制备方法上，对比文件3先将原材料进行改性处理后再加入催化剂，通过催化剂改变原材料内部结构，再进行热解炭化后，形成吸附炭(即污泥基生物质炭)，而本发明通过第一复合菌群与第二复合菌群对污泥进行生物改性，去除污泥内的有害菌体与重金属元素，同时利用第一复合菌群与第二复合菌群的大体积在污泥内形成均匀分布的孔隙，增加污泥孔隙率，再进行热解炭化形成污泥基生物质炭；
(3)、在制备的产品上，对比文件3制备出的污泥基生物质炭，由于加入的催化剂破坏污泥炭粉的内部结构，导致污泥基生物质炭的内部孔隙形状不规则，分布不均匀，且孔径大小跨度大，而本发明制备出的污泥基生物质炭，通过第一复合菌群与第二复合菌群的生物活替代作用,在污泥基生物质炭内形成的孔隙分布均匀、孔隙形状规则，且孔径大小跨度小。
5、针对以上问题，本发明提供一种污泥生物改性制备炭的系统，将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合第一生物改性器与第二生物改性器的生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应造粒设备与炭化设备的加工条件制备得到一种新型结构的污泥基生物质炭,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，可作为生物炭基肥、吸附材料等应用。
本发明的技术解决措施如下：
一种污泥生物改性制备炭的系统，包括：
第一生物改性器，所述第一生物改性器上设置有螺旋输入新鲜污泥的螺旋输送管道；
第二生物改性器，所述第二生物改性器与所述第一生物改性器的出料口通过输送管道连通，其接收所述第一生物改性器处理后的污泥；
压滤装置，所述压滤装置与所述第二生物改性器的出料口连通，其压滤所述第二生物改性器输出的污泥形成滤渣与滤液；
破碎造粒装置，所述破碎造粒装置与所述压滤装置的出渣口通过螺旋输送管道连通，其接收所述压滤装置压滤出的滤渣，且其造粒料桶的造粒孔处设置有均匀造粒机构；以及
炭化装置，所述炭化装置与所述破碎造粒装置的出料口连通，其上设置有投料喷洒机构，且其接收所述破碎造粒装置成形的污泥颗粒。
作为改进，所述均匀造粒机构包括：
密封组件，若干的所述密封组件环绕所述粒料桶的外壁设置，其沿所述造粒料桶的外壁滑动设置，且其阻挡所述造粒孔；
吹气组件，若干的所述吹气组件环绕所述粒料桶的内壁设置，其沿所述造粒料桶的内壁滑动设置，且其对所述造粒孔通气；以及
联动组件,所述联动组件设置于所述密封组件与所述吹气组件之间，其驱动所述密封组件与所述吹气组件沿竖直方向上下交错滑动设置。
6、本发明一种污泥生物改性制备炭的系统的有益效果在于：
(1)、本发明将生物改性后的污泥在热解炭化过程中通过添加细碎农业废弃物的特殊方式结合第一生物改性器与第二生物改性器的生物改性后污泥内部结构特性,并控制相应造粒设备与炭化设备的加工条件制备得到一种新型结构的污泥基生物质炭,其具有孔隙大，孔隙率高，孔隙规则且比重轻等优点，可作为生物炭基肥、吸附材料等应用；
(2)、本发明在造粒过程中利用密封组件对造粒孔进行密封，利用造粒机内部的压力对进入造粒孔内的污泥进行压缩，使造粒孔造粒出的污泥颗粒粒径均匀，同时，利用吹气组件对造粒孔进行喷气，使污泥从造粒孔内喷出，避免造粒孔堵塞。
总体来说，本发明工艺清晰，操作方便，具备大幅降低成本条件，高经济效益，便于推广应用，适于大规模应用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明新型结构的污泥基生物质炭的模拟示意图；
图3为本发明污泥基生物质炭的电子扫描电镜观察图；
图4为本发明制备系统的整体结构示意图；
图5为本发明细碎农业废弃物的喷洒效果图；
图6为本发明破碎造粒装置剖视结构示意图；
图7为图6中A处结构放大示意图；
图8为本发明联动组件剖视结构示意图；
图9为本发明均匀造粒机构结构示意图；
图10为本发明密封组件结构示意图；
图11为本发明吹气组件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。
实施例一：
根据本发明所提及的工艺方法，按照图1所示的流程对湖州某城市污水处理厂污泥生物改性-压滤液金属回收-脱水泥饼高值化利用。该水厂污水处理为活性污泥法，污泥没有经过厌氧或者好氧处理。取约10吨含固5％的浓缩污泥，经测定有机质含量55％，pH值为7.6。复合微生物菌群的加富、驯化及接种物的制备同专利201610628124.3。
生物改性，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在生物改性反应器中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h；
压滤脱水，将经过生物改性后的污泥通过小尺寸板框压滤机，经高压水压榨 1h后形成污泥泥饼与滤液，其中，小尺寸板框压滤机进料时间为2h，进料压力 0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后的污泥泥饼含水率47％；
破碎造粒，经压滤脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒，并且在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度 120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率27％；
热解炭化，将造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，在污泥颗粒温度达到250℃时，向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2-2.5％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为575-600℃，炭化时间为0.5-1.25h的条件下，得到污泥生物炭。脱水后污泥及污泥基生物质炭中重金属含量检测结果见表 1，污泥基生物质炭各项性能参数指标见表2。
表1污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表1可知，经检测，污泥基生物质炭中各重金属含量都远低于标准限值，满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求, 不会对土壤环境造成污染。
表2污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表2可知，本发明制备出的污泥基生物质炭的比表面积大，孔隙率高，平均孔径大，各项性能参数均十分的优异，十分符合炭基肥与吸附炭的应用要求。
实施例二：
根据本发明所提及的工艺方法，按照图1所示的流程对徐州某污水处理厂污泥生物改性-压滤液金属回收-脱水泥饼高值化利用。该厂污水处理为活性污泥法，污泥经过厌氧消化处理。取约10吨含固8％的浓缩污泥，经测定有机质含量 43％，pH值为7.5。复合微生物菌群的加富、驯化及接种物的制备同专利 201610628124.3。
生物改性，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在生物改性反应器中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h。
压滤脱水，将经过生物改性后的污泥通过小尺寸板框压滤机，经高压水压榨 1h后形成污泥泥饼与滤液，其中，小尺寸板框压滤机进料时间为2h，进料压力 0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后的污泥泥饼含水率43％；
破碎造粒，经压滤脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒，并且在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度 120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率25％；
热解炭化，将造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，在污泥颗粒温度达到200-250℃，向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2.5％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为550-575℃，炭化时间1.25-2h的条件下，得到污泥生物炭。脱水后污泥及污泥基生物质炭中重金属含量检测结果见表3，污泥基生物质炭各项性能参数指标见表4。
表3污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表3可知，经检测，污泥基生物质炭中各重金属含量都远低于标准限值，满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求, 不会对土壤环境造成污染。
表4污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表4可知，本发明制备出的污泥基生物质炭的比表面积大，孔隙率高，平均孔径大，各项性能参数均十分的优异，十分符合炭基肥与吸附炭的应用要求。
实施例三：
根据本发明所提及的工艺方法，按照图1所示的流程对绍兴某污水处理厂污泥生物改性-压滤液金属回收-脱水泥饼高值化利用。该厂污水处理为活性污泥法，污泥经过厌氧消化处理。取约10吨含固6％的浓缩污泥，经测定有机质含量 50％，pH值为7.8。复合微生物菌群的加富、驯化及接种物的制备同专利 201610628124.3。
生物改性，按照新鲜污泥体积比例的2-3％添加细碎农业废弃物混合均匀，再按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在生物改性反应器中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h。
压滤脱水，将经过生物改性后的污泥通过小尺寸板框压滤机，经高压水压榨 1h后形成污泥泥饼与滤液，其中，小尺寸板框压滤机进料时间为2h，进料压力 0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后的污泥泥饼含水率42％；
破碎造粒，经压滤脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒，并且在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度 120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率25％；
热解炭化，将造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，在污泥颗粒温度达到250-300℃，向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2.5-3％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为575℃，炭化时间1.25h的条件下，得到污泥生物炭。脱水后污泥及污泥基生物质炭中重金属含量检测结果见表5，污泥基生物质炭各项性能参数指标见表6。
表5污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表5可知，经检测，污泥基生物质炭中各重金属含量都远低于标准限值，满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求, 不会对土壤环境造成污染。
表6污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表6可知，本发明制备出的污泥基生物质炭的比表面积大，孔隙率高，平均孔径大，各项性能参数均十分的优异，十分符合炭基肥与吸附炭的应用要求。
此外，由实施例1、实施例2与实施例3对比可知，本发明的最优实施例为实施例3，在在污泥颗粒温度达到250-300℃，向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2.5-3％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为575℃，炭化时间1.25h的条件下，得到污泥生物炭的比表面积与平均孔径上均优于实施例1与实施例2获得的污泥基生物质炭的参数。
实施例四：
如图1，取实施例一中过滤出的滤液，经过测定改压滤液中的主要重金属离子为Cu2+、Zn2+和Cd2+，压滤液pH值为4.9。本实施例中只选取对Cu2+、Zn2+ 和Cd2+具有专性吸附能力的离子交换树脂LewatitOC-1026、螯合树脂 DowexXFS-4196和PuroliteS-950，三种树脂分别植入三个不同的反应器中串联，水量以0.5m3/h的速度通过金属离子梯级回收。金属梯级回收反应器中树脂对 Cu2+的选择性吸附能力达到2.15mmol·g-1树脂、对Zn2+的吸附能力达到了2.05 mmol·g-1树脂、对Cd2+的吸附能力达到了2.13mmol·g-1树脂。吸附饱和后的树脂采用1.5mol/L硝酸溶液作为再生液，对吸附饱和后的树脂进行再生，同时回收Cu2+、Zn2+和Cd2+。经过金属梯级回收反应器处理的出水中基本检测不到 Cu2+、Zn2+和Cd2+的存在。
实施例五：
如图1，取实施例二中过滤出的滤液，经过测定改压滤液中的主要重金属离子为Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Hg2+、Ni2+和Cd2+，压滤液pH值为3.8。本实施例中只选取对Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Hg2+、Ni2+和Cd2+具有专性吸附能力的SO2-H+基团修饰在聚苯乙烯树脂、AmberliteIRC-718螯合树脂、 LewatitOC-1026、AmberliteIR-120Na型强酸性阳离子交换树脂、ImacTMR树脂、 WofatitCA-20大孔羧基Na型阳离子交换树脂和Dowex 50W-X4，七种树脂分别植入七个不同的反应器中串联，水量以0.45m3/h的速度通过金属离子梯级回收。金属梯级回收反应器中树脂对Pb2+的选择性吸附能力达到1.45mmol·g-1 树脂、对Cu2+的吸附能力达到了2.15mmol·g-1树脂、对Zn2+的吸附能力达到了2.05mmol·g-1树脂、对Cr6+的吸附能力达到了2.35mmol·g-1树脂、对Hg2+ 的吸附能力达到了1.65mmol·g-1树脂、对Ni2+的吸附能力达到了2.13mmol·g-1 树脂、对Cd2+的吸附能力达到了2.13mmol·g-1树脂。吸附饱和后的树脂采用 0.5mol/L硝酸溶液作为再生液，对吸附饱和后的树脂进行再生，同时回收Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Hg2+、Ni2+和Cd2+。经过金属梯级回收反应器处理的出水中基本检测不到Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr6+、Hg2+、Ni2+和Cd2+的存在。
实施例六：
如图1，取实施例1或实施例2或实施例3中制备出的生物质炭与磷酸一铵、氯化钾混合搅拌均匀后，再将尿素热熔后与混合物混合造粒，形成炭基肥。
实施例七：
参考实施例1至3，描述本发明实施例七的一种污泥生物改性制备炭的系统。
如图4、图5与图6所示，一种污泥生物改性制备炭的系统，包括：
第一生物改性器1，所述第一生物改性器1上设置有螺旋输入新鲜污泥的螺旋输送管道11；
第二生物改性器2，所述第二生物改性器2与所述第一生物改性器1的出料口12通过输送管道21连通，其接收所述第一生物改性器1处理后的污泥；
压滤装置3，所述压滤装置3与所述第二生物改性器2的出料口22连通，其压滤所述第二生物改性器2输出的污泥形成滤渣与滤液；
破碎造粒装置4，所述破碎造粒装置4与所述压滤装置3的出渣口31通过螺旋输送管道41连通，其接收所述压滤装置3压滤出的滤渣，且其造粒料桶44 的造粒孔441处设置有均匀造粒机构45；以及
炭化装置5，所述炭化装置5与所述破碎造粒装置4的出料口42连通，其上设置有投料喷洒机构51，且其接收所述破碎造粒装置4成形的污泥颗粒。
需要说明的是，所述第一生物改性器1中的反应温度为20-35℃，反应环境为好氧环境；所述第二生物改性器2的反应温度为10-35℃，反应环境为好氧环境。
按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的第一生物改性器1中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在第二生物改性器 2中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h，该第一复合菌群和第二复合菌群的平均体积大小均比污泥中原生菌平均体积大小增大5-10倍，其中第一复合菌群为由枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、白腐真菌及交替单胞菌组成，第二复合菌群由氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌组成；
在该反应过程中，其中第一复合菌群的反应阶段，第一复合菌群将污泥中的溶解性小分子有机物及持久性有机污染物充分降解的同时，为第二复合菌群提供适宜的生产环境，并替代污泥中原生菌体，在该阶段污泥内的菌体平均体积大小由0.5-1μm3增大3-5μm3；同时，产生可促进污泥脱水及第二复合菌群污泥接种物生长的表面活性物质；第二反应阶段，在第二复合菌群污泥接种物对污泥进行的生物降解、生物破壁、生物表面活性物质改性、生物氧化和生物酸化作用使污泥中的水份释放的同时，污泥内的菌体平均体积大小3-5μm3由缩小至2-3μ m3。
进一步说明的是，本发明通过生物改性阶段，使第一复合菌群与第二复合菌群的生物代谢作用均匀分散在污泥的各个部分，在后续的污泥热解炭化过程中，分散均匀的第一复合菌群与第二复合菌群在污泥基生物质炭内部形成的孔隙也就更加均匀。
更进一步说明的是，所述压滤装置3为隔膜厢式压滤机，其进料时间为2h，高压水压榨1h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后滤渣含水率45-50％。
值得着重说明的是，所述炭化装置5为回转式炭化炉，炭化温度为 550-600℃，炭化时间为0.5-2h的条件下，制备得到比表面积为2000-2200m2/g，单位体积内孔隙率为70％-85％，平均孔径2-5μm的污泥基生物炭。
其中，如图5所示，炭化装置5进料口处设置投料喷洒机构51喷洒农业废弃物，一方面避免污泥在炭化炉炉壁上结焦情况；另一方面污泥进入炭化炉内时具有一定含水率和粘性使得农业废弃物与污泥充分粘合。
在此，需要着重说明的是，由于农业废弃物的热解炭化温度为300-450℃，污泥的热解炭化温度为550-600℃，由于两种物质热解炭化速率不同，使得本发明在热解炭化阶段，农业废弃物热解炭化成的高纯度生物质炭破坏污泥内部黏性，提高污泥热解升温速率，进一步提高污泥炭化转化率。
如图2与图3所示，更进一步说明的是，农业废弃物的添加使得制备得到一种农业废弃物热解炭化形成的高纯度生物质炭与污泥热解炭化形成的炭相结合的新型结构的污泥基生物质炭，其具有比重轻，孔隙大，孔隙率高等优点。
此外，本发明在污泥基生物质炭的制备过程中，并不加入任何污染环境的的化学药剂，添加的均为菌体与有机质，且不在污泥内产生任何对环境污染有害的物质。
如图6所示，作为一种优选的实施方式，所述均匀造粒机构45包括：
密封组件451，若干的所述密封组件451环绕所述粒料桶44的外壁设置，其沿所述造粒料桶44的外壁滑动设置，且其阻挡所述造粒孔441；
吹气组件452，若干的所述吹气组件452环绕所述粒料桶44的内壁设置，其沿所述造粒料桶44的内壁滑动设置，且其对所述造粒孔451通气；以及
联动组件453,所述联动组件453设置于所述密封组件451与所述吹气组件 452之间，其驱动所述密封组件451与所述吹气组件452沿竖直方向上下交错滑动设置。
如图9与图10所示，，其中，所述密封组件451包括：
密封板4511，所述密封板4511为弧形的金属板，其与所述造粒料桶44的外壁抵触设置，且其与所述造粒孔441密封配合；
导向轴4512，所述导向轴4512竖直设置于所述造粒料桶44外部的接料桶 46的底板上，所述密封板4511滑动套设于所述导向轴4512上；以及
压缩弹簧4513，所述压缩弹簧4513套设于所述导向轴4512上，其抵触设置于所述密封板4511余所述接料桶46的底板之间。
如图11所示，进一步的，所述吹气组件452包括：
喷气嘴4521，所述喷气嘴4521与所述造粒料桶44的内壁抵触设置，其下端部套设于进气管4522上，且其与所述进气管4522滑动密封配合，所述喷气嘴 4521的下端部设置有滑动块4523；
旋转环4524，所述旋转环4524套设于所述破碎造粒装置4的螺杆47上，其随螺杆47同步旋转，且其与所述滑动块4523抵触设置，该旋转环4524上设置有凸起部4525；
固定环4526，所述固定环4526与所述接料桶46连接，其同轴套设于所述旋转环4524的外部。
如图7与图8所示，更进一步的，所述联动组件453包括：
主动齿条4531，所述主动齿条4531设置于所述喷气嘴4521的底部；
从动齿条4532，所述从动齿条4532设置于所述密封板4511的底部；以及
联动齿轮4533，所述联动齿轮4533设置于所述主动齿条4531与所述从动齿条4532之间，其分别与所述主动齿条4531、所述从动齿条4532啮合传动设置。
需要说明的是，通过密封板4511对造粒孔441的密封，使污泥通过螺杆47 的旋转挤压，使污泥在造粒孔441内充分填充，使造粒孔441成形的污泥粒料可以保持粒径的一致性，进而保证，污泥粒料在后续炭化过程中，成形的生物质炭粒径的一致性，进而提高生物质炭上的孔隙的均匀性。
其工作过程是，螺杆47旋转，使进入到造粒料桶44内的污泥进入到造粒孔 441内，此时，造粒料桶44的外部由密封板4511密封，使进入造粒孔441内的污泥通过螺杆47的螺旋挤压，充满造粒孔441，使每次成形的粒料的粒径保持一致性，之后通过螺杆47带动旋转环4524的旋转，使旋转环4524上的凸起部 4525将喷气嘴4521抬起，使喷气嘴4521上的喷气孔与造粒孔441对齐，同时通过主动齿条4531随喷气嘴4521的抬升，使联动齿轮4533旋转，进而使从动齿条4532向下移动，带动密封板4511下移，使造粒孔441漏出，喷气嘴4521 喷出的气流将造粒孔441内的污泥粒料喷出，包装污泥不会堵塞造粒孔441。
其中，螺杆47通过设置于破碎造粒装置4顶部的电机48驱动旋转。
作为一种优选的实施方式，所述破碎造粒装置4的外部设置有加热夹套43，该加热夹套43干燥所述破碎造粒装置4内的滤渣。
进一步的，所述加热夹套43与所述炭化装置5上的烟气口53连通，其接收所述炭化装置5排出的高温烟气。
更进一步的，所述破碎造粒装置4成形的污泥颗粒的平均粒径为1-3mm。
需要说明的是，加热夹套43付干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后污泥颗粒含水率＜30％。
进一步说明的是，本发明通过在造粒过程中进行干燥，使污泥干化，固定污泥的外形，之后在热解炭化过程中，温度达到300-450℃，污泥内部的第一复合菌群与第二复合菌群炭化，并形成规则、均匀的孔隙，且污泥基生物质炭内部结构稳定。
对比实施例1：
采用对比文件1中记载的制备方法在实验室内制备出的污泥基生物质炭的重金属含量见表7，污泥基生物质炭的各项性能参数见表8。
表7污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表7可知，经检测，虽然对比文件1制备出的污泥基生物质炭各重金属含量都低于标准限值，满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求,不会对土壤环境造成污染，但是，其中的镉与铅的含量远高于本发明，长期作为炭基肥的添加剂使用，仍会造成土壤重金属元素的累积。
表8污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表8可知，对比实施1制备出的污泥基生物质炭的比表面积优于本发明，但是通过孔隙率与各孔容参数，以及平均孔径与最几可孔径可知，对比文件2 通过利用活化剂破坏污泥基生物质炭内部结构增加孔隙，完全破坏了孔隙的形状与分布，使得孔隙分布的均匀性与规则性远劣于本发明，导致吸附能不稳定，而本发明参照说明书附图2，可知内部孔隙形状规则，分布均匀，附能力稳定、平衡。
对比实施例2：
采用专利号为201610628124.3的中国专利公开的一种污泥深度脱水生物改性方法，对10吨含固6.3％，经测定有机质含量52％，pH值为7.3的浓缩污泥进行生物改性与脱水处理，将脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒，并且在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率25％；将造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，在污泥颗粒温度达到250-300℃，向该污泥颗粒中加入占污泥颗粒总体积2.5-3％的农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为575℃，炭化时间1.25h的条件下，得到污泥生物炭。脱水后污泥及污泥基生物质炭中重金属含量检测结果见表9，污泥基生物质炭各项性能参数指标见表10。
表9污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表9可知，经检测，对比文件2制备出的污泥基生物质炭各重金属含量都低于标准限值，满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求,会对土壤环境造成污染。
表10污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表10可知，对比实施例2制备出的污泥基生物质炭的各项性能参数虽然优于对比实施例1制备出的生物质炭的性能参数，但其并未在热解炭化阶段添加农业废弃物形成新型结构的污泥基生物质炭，使其各项性能参数均劣于本发明实施例1-3制备出的污泥生物质炭的各项性能参数。
对比实施例3：
采用专利号为CN201610460139.3的中国专利公开的一种污泥与餐厨垃圾的处理方法，在实验室内制备出的污泥基生物质炭的重金属含量见表11，污泥基生物质炭的各项性能参数见表12.
表11污泥和污泥基生物质炭重金属含量 单位：mg/kg
由表11可知，经检测，对比实施例3制备出的污泥基生物质炭各重金属含量都高于标准限值，不满足《城镇污水处理厂污泥处置土壤改良用泥质(GB/T 24600-2007)》的要求，会对土壤环境造成污染。
表12污泥基生物质炭各项性能指标参数
由表12可知，通过表中孔隙率与各孔容参数，以及平均孔径与最几可孔径可知，对比实施3虽然在热解炭化之前增加了有机质与污泥进行混合，但是其并未通过生物改性，使污泥内的菌体得到替换，也并未实现污泥炭化的生物质炭与有机物炭化的生物质炭结合形成新型结构的污泥基生物质炭，其制备出的污泥基生物质炭的比表面积，孔隙率，平均孔径等各项性能参数均劣于本发明实施例 1-实施例3制备出的污泥基生物质炭的参数。
对比实施例4：
实施例1-3，对比实施例1-3制备出的污泥基生物质炭的碘吸附能力参数见表13所示。
表13各实施例污泥基生物质炭碘吸附能力表
由表13可知，以下结论：
1、本发明实施例1至实施例3与对比实施例1对照，可知，对比实施例1 通过添加活化剂或者是催化剂制备出的污泥基生物质炭的吸附能力与本发明通过生物改性后人炭化制备出的污泥基生物质炭的吸附能力相当，但本发明实施例 1至实施例3，无需添加活化剂或者是催化剂破坏污泥基生物质炭内部结构，也不会在污泥基生物质炭内残留重金属。
2、本发明实施例1至实施例3与对比实施例2对照，可知，对比实施例2 运用生物改性深度脱水技术结合本发明的热解炭化方法制备出的污泥基生物质炭的吸附能力逊色于本发明的实施例1至实施例3制备出的污泥基生物质炭的各项性能参数；
3、本发明实施例1至实施例3与对比实施例3对照，可知，对比实施例3 运用有机质与污泥混合进行热解炭化制备出的污泥基生物质炭的吸附能力远逊色于本发明的实施例1至实施例3制备出的污泥基生物质炭的吸附能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于，包括：
步骤一，生物改性，按照新鲜污泥体积比例的15％-20％向装有新鲜污泥的生物改性反应器中加入第一复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的5％-7％的比例添加微生物改性营养剂，20-35℃、好氧的条件下反应1-2.5h；接着在生物改性反应器中按照污泥体积比例的30％-40％接入第二复合菌群污泥接种物，并按照污泥干物质质量的2％-4％的比例添加微生物生长促进剂，10-35℃、好氧的条件下反应7-15h，该第一复合菌群和第二复合菌群的大小均比污泥中原生菌大小增大5-10倍；
步骤二，压滤脱水，将步骤一中经过生物改性后的污泥经压滤后形成污泥泥饼与滤液，该污泥泥饼的含水率＜60％；
步骤三，破碎造粒，经步骤二中压滤脱水后得到的污泥泥饼通过物理破碎、造粒后，得到平均直径为1-3mm的污泥颗粒；
步骤四，干燥，在造粒过程中，同步对污泥进行干燥，干燥温度120-200℃，干燥时间为10-30mim，干燥后含水率＜30％；
步骤五，热解炭化，将步骤四中经造粒后的污泥颗粒输送到炭化炉内，同时，向该污泥颗粒中加入农业废弃物，在炭化炉为欠氧或厌氧状态，炭化温度为550-600℃，炭化时间为0.5-2h的条件下，制备得到比表面积为2000-2200m2/g，单位体积内孔隙率为70％-85％，平均孔径2-5μm的污泥基生物炭。。
2.根据权利要求1所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤一中，在新鲜污泥内加入细碎的农业废弃物后，再与第一复合菌群污泥接种物及第二复合菌群污泥接种物混合反应。
3.根据权利要求1所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤二中，通过隔膜厢式压滤机对污泥进行压滤脱水，其进料时间为2h，高压水压榨1h，进料压力0.8MPa，隔膜压榨力2.0MPa，脱水后污泥泥饼含水率45-50％。
4.根据权利要求1所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤四中，在造粒过程中同步对污泥进行干燥的所需热量来自于所述步骤五中热解炭化过程产生的高温烟气。
5.根据权利要求1所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤五中，通过喷洒方式向炭化炉内添加粒径不大于所述污泥颗粒的农业废弃物。
6.根据权利要求1或5所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤五中，向炭化炉内按照污泥颗粒体积的2％-3％加入所述农业废弃物。
7.根据权利要求1或5所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：在污泥颗粒温度达到200-300℃时向炭化炉内添加所述农业废弃物。
8.根据权利要求1所述的一种污泥生物改性制备炭的方法，其特征在于：所述步骤六中，炭化炉优选为回转式炭化炉，炭化温度为500-600℃，炭化时间为1-1.5h。
9.一种污泥生物改性制备炭的系统，其特征在于，包括：
第一生物改性器(1)，所述第一生物改性器(1)上设置有螺旋输入新鲜污泥的螺旋输送管道(11)；
第二生物改性器(2)，所述第二生物改性器(2)与所述第一生物改性器(1)的出料口(12)通过输送管道(21)连通，其接收所述第一生物改性器(1)处理后的污泥；
压滤装置(3)，所述压滤装置(3)与所述第二生物改性器(2)的出料口(22)连通，其压滤所述第二生物改性器(2)输出的污泥形成滤渣与滤液；
破碎造粒装置(4)，所述破碎造粒装置(4)与所述压滤装置(3)的出渣口(31)通过螺旋输送管道(41)连通，其接收所述压滤装置(3)压滤出的滤渣，且其造粒料桶(44)的造粒孔(441)处设置有均匀造粒机构(45)；以及
炭化装置(5)，所述炭化装置(5)与所述破碎造粒装置(4)的出料口(42)连通，其上设置有投料喷洒机构(51)，且其接收所述破碎造粒装置(4)成形的污泥颗粒。
10.根据权利要求9所述的一种污泥生物改性制备炭的系统，其特征在于，所述均匀造粒机构(45)包括：
密封组件(451)，若干的所述密封组件(451)环绕所述粒料桶(44)的外壁设置，其沿所述造粒料桶(44)的外壁滑动设置，且其阻挡所述造粒孔(441)；
吹气组件(452)，若干的所述吹气组件(452)环绕所述粒料桶(44)的内壁设置，其沿所述造粒料桶(44)的内壁滑动设置，且其对所述造粒孔(441)通气；以及
联动组件(453),所述联动组件(453)设置于所述密封组件(451)与所述吹气组件(452)之间，其驱动所述密封组件(451)与所述吹气组件(452)沿竖直方向上下交错滑动设置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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