CN110642492A - 一种利用生物质提高污泥中重金属稳定化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用生物质提高污泥中重金属稳定化的方法，在通过水热共炭化技术进行污泥中重金属选择性稳定化处理时，加入植物生物质，所述植物生物质为纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种，或含有纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种的植物材料。本发明将污泥和纤维素、半纤维素和木质素混合进行水热共炭化处理，可同时实现污泥和废弃植物生物质的资源化，高效回收可用于洁净固体燃料或土壤改良的水热炭；无需对污泥深度脱水处理，具有低成本、高能量回收率、处理周期短的特点；水热炭可以作为洁净固体燃料或者土壤改良剂，具有较高的经济价值；原料来源广泛，运用循环经济理念，充分实现了污泥“减量化、无害化、资源化”的目标。

Description

一种利用生物质提高污泥中重金属稳定化的方法
技术领域
本发明涉及污泥的处理技术领域，更具体地，涉及一种利用生物质提高污泥中重金属稳定化的方法。
背景技术
城镇化的快速发展导致污泥产量逐年剧增，预计2020年底我国市政污泥产量将达到16.4万吨/日(含水率80％)，造成巨大污泥处理能力缺口。污泥是污水处理的剩余产物，易腐烂、有恶臭，并含有大量病原微生物、寄生虫卵和重金属等有害物质，如不妥善处理和处置，直接排放会给人类环境带来严重的污染。污泥中含有锌、铜、铬、镍、铅、镉等重金属，重金属能通过食物链富集，人类摄取相应的动植物后会损害人类自身的健康。因此，污泥中重金属的稳定化是污泥资源化、无害化过程中不可或缺的。
目前，污泥中重金属稳定化技术主要有pH控制技术、吸附技术、沉淀技术、氧化/还原电势控制技术和堆肥技术。这些方法存在费用昂贵、处理周期长、副产物无法后续利用等缺点。因此，探索一种能耗低、处理周期短的污泥资源化利用过程中重金属稳定化的方法势在必行。
水热共炭化技术(Co-HTC)是指在密闭体系中，水加热至一定温度(180～350℃)自身产生相应的蒸汽压强(2～10MPa)，在此亚临界水热条件下，将污泥和生物质物料协同转化为具备优良燃料品质的水热炭的热化学过程。为更好地解决我国高含砂量、低有机质市政污泥单独水热炭化衍生的污泥水热炭热值低、燃料品位差的问题，水热共炭化可作为一种污泥和废弃生物质协同处理的技术，无需高能耗的污泥深度脱水，具有低成本、高能量回收率的特点，是一种极具潜力的污泥安全处置与资源化利用技术。
但是，水热共炭化技术对污泥中重金属的稳定性效果并不十分理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术水热共炭化技术对污泥中重金属的稳定性效果并不十分理想的不足，提供一种利用生物质提高污泥中重金属稳定化的方法。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：
本发明要求保护一种污泥中重金属选择性稳定化的方法，其特征在于，在通过水热共炭化技术污泥中重金属选择性稳定化处理时，加入植物生物质，所述植物生物质为纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种，或含有纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种的植物材料。
优选地，所述植物生物质为半纤维素。针对Cr、Cu、Ni和Pb含量较高的污泥，适合采用半纤维素含量较高的废弃植物材料(如甜高粱渣、甜玉米粒渣、甜玉米杆渣和玉米芯)进行水热共炭化，优选的混合比例为3：1。
优选地，包括以下步骤：将污泥、植物生物质和水混合，高压反应釜氩气环境下搅拌进行水热共炭化反应。
优选地，污泥与植物生物质的质量比为1～9：3。
优选地，植物生物质为纤维素，污泥与植物生物质的质量比为1～3：1。
更优选地，植物生物质为纤维素，污泥与植物生物质的质量比为3：1。
优选地，植物生物质为木质素，污泥与植物生物质的质量比为1：3。
优选地，植物生物质为半纤维素，污泥与植物生物质的质量比为3：1。
优选地，水热共炭化反应的反应温度为190～250℃，反应时间为0.25～4min。
更优选地，水热共炭化反应的反应温度为220℃，反应20min。
优选地，污泥和植物生物质的总质量占总反应体系的15～30％。
纤维素、半纤维素和木质素是生物质的三种主要组成成分。纤维素是由葡萄糖组成的多糖，半纤维素由木糖和果胶糖等多种单糖组成的杂聚多糖，木质素是酚类聚合物。在污泥与三种生物质组分的水热共炭化过程中，物料的配比不仅会导致水热炭性能上的差异，而且生物质三种组分对污泥中重金属会产生不同程度的稳定化效果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明将污泥和纤维素、半纤维素和木质素混合进行水热共炭化处理，可同时实现污泥和废弃植物生物质的资源化，高效回收可用于洁净固体燃料或土壤改良的水热炭；无需对污泥深度脱水处理，具有低成本、高能量回收率、处理周期短的特点；水热炭可以作为洁净固体燃料或者土壤改良剂，具有较高的经济价值；原料来源广泛，运用循环经济理念，充分实现了污泥“减量化、无害化、资源化”的目标。
附图说明
图1为污泥及其衍生的水热炭中各重金属的形态分布图。
图2为污泥与纤维素以不同混合比例进行水热共炭化所得水热炭中各重金属的形态分布图。
图3为污泥与木质素以不同混合比例进行水热共炭化所得水热炭中各重金属的形态分布图。
图4为污泥与半纤维素以不同混合比例进行水热共炭化所得水热炭中各重金属的形态分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
对比例
将污泥(简称SS)置于高压反应釜。密封高压反应釜，氩气排尽空气后，机械搅拌加热至220℃，反应20min。反应结束后冷却、分离固液相，所得水热炭标记为HSS。随后，进行污泥和水热炭中的重金属提取。
对SS及HSS中的重金属采用BCR连续浸提法进行提取，每种形态的提取方法见表1。
表1BCR浸提步骤：
Figure BDA0002209172810000041
SS和HSS的重金属形态分布如图1所示。根据风险评估指数(RAC)，F1+F2所占百分比≤10％的重金属对生态环境具有低风险，11～30％的重金属对生态环境具有中等风险，31～50％的重金属对生态环境具有高风险，大于50％的重金属对生态环境具有很高风险。
经过水热炭化后，Zn和Ni分别由原来的高风险(F1+F2占43％)和中等风险(F1+F2占11％)变为中等风险(F1+F2占24％)和低风险(F1+F2占3％)。
实施例1
将跟对比例相同或的污泥(SS)和纤维素(CL)分别以3:1、1:1和1:3的比例混合置于高压反应釜。密封高压反应釜，氩气排尽空气后，机械搅拌加热至220℃，反应20min。反应结束后冷却、分离固液相，所得水热炭标记为SS/CL-3/1、SS/CL-1/1和SS/CL-1/3。随后，进行水热炭中的重金属提取。
SS和CL进行水热共炭化后，水热炭中的重金属除Zn为中等风险外，其余重金属均为低风险。水热炭中的铜相较于HSS(F1+F2占10％)具有更优的稳定化效果。其中，SS/CL-3/1和SS/CL-1/1中的铜F1+F2占3％。SS和CL的混合比例为3:1时所得水热炭中Zn的稳定化效果(F1+F2占24％)优于其它两个混合比例。三种水热炭中Cd、Cr和Ni的稳定化效果差别不大，但SS/CL-1/3中的中F1+F2占比依然有2％。因此，SS与CL优选的混合比例为3:1或1:1。
实施例2
将跟对比例相同或的SS和木质素(LN)分别以3:1、1:1和1:3的比例混合置于高压反应釜。采用与实施例1相同的工艺流程制备水热炭。所得水热炭标记为SS/LN-3/1、SS/LN-1/1和SS/LN-1/3。随后，进行水热炭中的重金属进行提取。
SS/LN-3/1中的Cu和Ni具有较好的稳定化效果，其中F1+F2所占百分比分别为4％和3％。但SS/LN-1/1中的Ni具有高风险(F1+F2占31％)。在SS与LN的三种混合比例下，SS/LN-1/3中的6种重金属都具有较好的稳定化效果。因此，SS与LN优选的混合比例为1:3。
实施例3
将跟对比例相同或的SS和半纤维素(HL)分别以3:1、1:1和1:3的比例混合放入高压反应釜。采用与实施例1相同的流程制备水热炭。所得水热炭记为SS/HL-3/1、SS/HL-1/1和SS/HL-1/3。然后对水热炭中的重金属进行提取。
SS与HL进行水热共炭化所得的三种水热炭中，SS/HL-1/3的稳定化效果最差。SS/HL-1/3中Cu和Zn都具有高风险(F1+F2都占32％)，Pb具有中等风险(F1+F2占18％)。SS与HL以3:1进行水热共炭化后，Cr、Cu、Ni、Pb的稳定化效果最好(F1+F2分别占0％、0％、1％、0％)，同时Zn的F1+F2占比低至19％，在三种混合方案中最优。虽然SS/HL-1/1中Cr和Ni的稳定化效果较好，但Cu和Pb的F1+F2占比分别有4％和3％。因此，SS与HL优选的混合比例为3:1。
针对Cr、Cu、Ni和Pb含量较高的污泥，适合采用HL含量较高的废弃生物质(如甜高粱渣、甜玉米粒渣、甜玉米杆渣和玉米芯)进行水热共炭化，优选的混合比例为3:1。

Claims (8)

1.一种污泥中重金属选择性稳定化的方法，其特征在于，在通过水热共炭化技术进行污泥中重金属选择性稳定化处理时，加入植物生物质，所述植物生物质为纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种，或含有纤维素、半纤维素和木质素中的一种或几种的植物材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将污泥、植物生物质和水混合，高压反应釜氩气环境下搅拌进行水热共炭化反应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，污泥与植物生物质的质量比为1～9：3。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，植物生物质为纤维素，污泥与植物生物质的质量比为1～3：1。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，植物生物质为木质素，污泥与植物生物质的质量比为1：3。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，植物生物质为半纤维素，污泥与植物生物质的质量比为3：1。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，水热共炭化反应的反应温度为190～250℃，反应时间为0.25～4h。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将污泥和植物生物质的总质量占总反应体系的15～30％。
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