CN110683729A - 一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法，包括以下步骤：取污水处理厂的污泥，机械脱水后待用；于烘箱中50℃持续烘干至污泥含水率低于5％；研磨，并过60目筛。称取过筛后的干污泥，填满于坩埚中，加盖密闭，放入马弗炉中；采用慢速热解(升温速率为5℃/min，升温时间156min)，于800℃缺氧条件下恒温热解化，在目标温度下热解2h，冷却至室温后取出；重复操作洗去杂质，在烘箱内105℃条件下烘干1h后，室温下密封储存备用。向水样中投加制备好的污泥基生物炭，使水样中污泥基生物炭的浓度为0.5g/L，震荡吸附24h。

Description

一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法及其用途
技术领域
本发明属于水污染控制技术领域，尤其涉及一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法及其用途。
背景技术
伴随着工业的迅速发展和社会的现代化，工业废水和生活污水被大量排放，因此越来越多的污水处理厂应运而生，但这些污水处理厂在污水处理过程中也产生的大量的污泥。这些污泥中含有重金属、细菌和有机污染物等有毒有害物质，直接排放至自然环境中会带来极大的生态风险和人体健康风险，污泥基生物炭作为一种高效污泥资源化的方式，具有很大的经济环境效益和良好的应用前景。
亚硝基二甲胺(NDMA)是一种在自来水厂消毒过程中，消毒剂氯胺与水中残留的有机物反应产生的消毒副产物，具有极高的致癌风险。目前，对这种新兴消毒副产物的控制手段分为直接去除NDMA和控制NDMA前体物两大类。直接去除NDMA的紫外处理面临成本较高，处理效果一般的困难；我国水厂出水中NDMA平均浓度为13ng/L，因此吸附等直接处理方法效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物炭烧制的污泥资源化方法，同时将该方法制得的生物炭用于吸附水厂中的NDMA前体物，降低其NDMA生成风险。
本发明的技术方案是：一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法，包括以下步骤：
(1)取污水处理厂的污泥，机械脱水后待用；
(2)将脱水后的污泥于烘箱中50℃持续烘干7天至污泥含水率低于5％；
(3)将烘干后的污泥放入研钵中研磨，并过60目筛；
(4)称取过筛后的干污泥，填满于坩埚中，加盖密闭，放入马弗炉中；
采用慢速热解(升温速率为5℃/min，升温时间156min)，于800℃缺氧条件下恒温热解化，在目标温度下热解2h，冷却至室温后取出；
(5)将冷却后的生物炭放入去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌3h，然后抽滤过0.4μm滤膜，重复操作洗去杂质，在烘箱内105℃条件下烘干1h后，室温下密封储存备用。
(6)向水样中投加制备好的污泥基生物炭，使水样中污泥基生物炭的浓度为0.5g/L，震荡吸附24h。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明实现了污泥的无害化、资源化，为污水处理厂的污泥处理提供了一种清洁高效的方法，步骤简单，成本较低，具有较高的经济和环境效益。
(2)本发明使用污泥基生物炭吸附去除水中的NDMA前体物，降低水消毒过程中NDMA的生成风险，具有环境安全意义和实际应用价值。
附图说明
图1是金霉素液相色谱标线；
图2是污泥基生物炭的扫描电镜图；
图3是污泥基生物炭吸附金霉素的动力学曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本实施选取天津市某污泥处理厂的厌氧消化污泥作为污泥基生物炭的原材料，此污泥处理厂的工艺参数如下：污泥日处理量800t/d，消化pH6.8-7.5，温度35℃。污泥总固体浓度(TS)80.57±8.85g/L，总悬浮性固体浓度(TSS)75.69±5.56g/L，挥发性固体浓度(VS)39.94±8.51g/L，总挥发性固体浓度(VSS)31.62±5.46g/L。选取典型的NDMA前体物金霉素作为研究对象，评价此污泥基生物炭对NDMA前体物的吸附效果。
(1)将经机械脱水后的中温厌氧消化污泥取回后，放入烘箱中50℃连续烘干7天，至污泥含水率低于5％，
(2)取烘干后的污泥，放入研钵中研磨，之后过60目筛。
(3)将过筛后的干污泥粉末放入坩埚中，填满后放入马弗炉，设置升温速率为20℃/min，最终温度为800℃，持续烧制2h。
(4)将烧制好的污泥基生物炭倒入500ml烧杯中，加入350ml超纯水，用120rpm的磁力搅拌器搅拌3h后抽滤，重复三次后，于烘箱中105℃烘干2h备用。
(5)取部分生物炭用扫描电镜观测其表观形貌。
(6)500mh/L金霉素母液配制：用天平准确称量0.5g金霉素粉末，溶于水后移入1L容量瓶，定容。混合均匀后倒入1L试剂瓶，用锡箔纸包裹瓶身，放入冰箱于4℃存储。
(7)吸附动力学实验：吸附动力学设定三组实验，使吸附反应时金霉素的浓度分别为50、100以及200mg/L。反应容器为50mL磨口锥形瓶，背景溶液选用0.01mol/L的NaCl溶液，以及0.4mol/L的磷酸盐缓冲液，并用稀HCl将溶液pH调至5左右。
向已加入背景溶液的反应瓶中加入分别加入3、6和12mL金霉素母液，最后加去离子水至反应体系溶液总体积为30mL。每瓶中取少量溶液以一定比例稀释，以测定反应开始时金霉素准确浓度，并测定反应前溶液pH，最后加入0.015g厌氧消化污泥基生物炭，使反应体系中炭的浓度为0.5mg/L。将迅速包好铝箔纸避光的锥形瓶置于水浴摇床中，加盖，温度控制为25℃，转速为120rpm。分别在反应进行0.5、1、2、4、8、12、24、48、72h时取样。
(8)金霉素的测定
利用高效液相色谱系统测定吸附反应开始和结束时反应溶液中的金霉素浓度，具体方法如下：
液相色谱仪的流动相选择甲醇：0.01％磷酸溶液，流动相比为40％:60％，流速为1mL/min，进样体积为10μL，检测器为紫外-可见光检测器，检测波长为254nm，金霉素的保留时间为4.5min。检测前需将反应溶液用0.22μm水相针式滤器过滤。
利用0.1、0.5、1、2、5、10、20mg/L金霉素溶液建立金霉素浓度与峰面积的线性关系，标线如图1所示。
测试结果如下：
污泥基生物炭的扫描电镜图片如图2所示，图中可以看出尽管由于热解温度较高，炭的表面相对粗糙不平、碎裂、空隙较大，孔结构坍塌，相对与一些植物炭来说较为无序，但总体而言具有丰富的微米级多孔结构和一些细微的孔隙；孔径大小往往会影响吸附速率，较大的中孔孔径会减小吸附质在吸附剂颗粒内的扩散阻力，增大吸附速率从而有利于炭对大分子污染物的吸附，而一些细微的孔隙结构则能提高生物炭的比表面积、从而增加吸附位点，对吸附过程起到最主要的贡献。同时，污泥基生物炭的表面可以看到一些结晶物质，分析可能是含铁的化合物。
厌氧消化污泥基生物炭对50、100、200mg/L的金霉素吸附时间动力学曲线如图3所示。吸附动力学研究显示，炭在吸附三种浓度的金霉素时，都表现出在初始阶段(0～12h)吸附速率很快，随着时间的增加，吸附速率逐渐降低，最终达到吸附平衡的特征。
以金霉素模式污染物，分析污泥基生物炭对NDMA的生成势减少效果。在四环素类抗生素中，NDMA摩尔转化率为0.9～4.9％，考虑到文献中进行实验时的状态较实际情况更为理想，以最低转化率的数据为基础，拟合其去除率。
在污水中四环素类抗生素的总浓度为5μg/L时，其NDMA生成潜力为45ng/L，远高于其致癌浓度为0.7ng/L。较大规模污水处理厂日处理能力约为30万吨，而根据实验得出的结论，当生物炭的浓度为0.5g/L时，在低抗生素浓度的条件下，其对四环素类抗生素的吸附能力约为74.627mg/g，而去除率可以达到80％以上，此时，仅需要2.5×104g污泥基生物炭，就可减少80％左右的NDMA生成量，使污水中由四环素类抗生素生成的NDMA浓度减少36ng/L。

Claims (3)

1.一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取污水处理厂的污泥，机械脱水后待用；
(2)将脱水后的污泥于烘箱中50℃持续烘干7天至污泥含水率低于5％；
(3)将烘干后的污泥放入研钵中研磨，并过60目筛；
(4)称取过筛后的干污泥，填满于坩埚中，加盖密闭，放入马弗炉中；
采用慢速热解(升温速率为5℃/min，升温时间156min)，于800℃缺氧条件下恒温热解化，在目标温度下热解2h，冷却至室温后取出；
(5)将冷却后的生物炭放入去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌3h，然后抽滤过0.4μm滤膜，重复操作洗去杂质，在烘箱内105℃条件下烘干1h后，室温下密封储存备用。
(6)向水样中投加制备好的污泥基生物炭，使水样中污泥基生物炭的浓度为0.5g/L，震荡吸附24h。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法，其特征在于，慢速热解步骤为：升温速率为5℃/min，升温时间156min。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于生物炭烧制的污泥资源化方法的用途，其特征在于，去除水中的NDMA前体物。
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