CN112121761A - 一种污泥炭基吸附材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥炭基吸附材料及其制备方法。制备方法包括：污泥脱水；造粒；干化；热解碳化。本发明提供了一种高应用价值的污泥炭基产品和其制备方法，以污泥碳作为污泥调理脱水骨架，与聚丙烯酰胺(PAM)完成污泥调理和脱水，通过全工艺优化和参数控制，实现制备高性能污泥炭基材料的目的。

Description

一种污泥炭基吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明属于城镇污水处理厂污泥处理与资源化领域，更具体地，涉及一种污泥炭基吸附材料及其制备方法。
背景技术
城镇污水处理厂污泥是污水处理的副产物，集中了污水处理过程中约50％的COD。恰当的污泥安全处理与资源化方式可有效避免污泥处置不当而造成的二次污染问题、有利于提高污泥处理处置产业的经济性，是整个城镇污水处理产业是否达标的关键评价指标。
污泥热解碳化以污泥为原料在隔绝空气进行热解反应，可有效降低有机污染物水平、提高重金属稳定化水平，所获得的污泥碳化产品可用于污水处理和污染土壤修复等，是污泥资源化利用的重要方向之一。当前污泥碳化工程碳化温度多为400-500℃，反应时间为30min，碳化产品碳化程度低、产品主要用于园林绿化或燃料，碳化产品的利用价值较干化污泥和堆肥等污泥产品没有较为明确的优越性，这在一定程度上限制了污泥碳化工程的推广应用。
当前的污泥碳化工艺所获得的污泥炭基产品吸附性能较差，不能满足实际应用所需，因此，为获得较高吸附性能的污泥炭基产品，需要系统优化工艺路线及参数控制，以达到生产较高应用价值的污泥炭基产品的目的。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种高应用价值的污泥炭基产品和其制备方法，以污泥碳作为污泥调理脱水骨架，与聚丙烯酰胺(PAM)完成污泥调理和脱水，通过全工艺优化和参数控制，实现制备高性能污泥炭基材料的目的。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种污泥炭基吸附材料的制备方法，该制备方法包括：
(1)污泥脱水
将第一污泥与脱水骨架、聚丙烯酰胺混合脱水，得到含水率为60％～70％的脱水泥饼；
所述脱水骨架为干化后的第二污泥在650～850℃下热解碳化30～90min，得到的粒径≤0.2mm的脱水骨架；
(2)造粒
将脱水后的泥饼进行造粒；
(3)干化
将造粒后的污泥颗粒干燥至含水率≤20％，得到干化污泥；
(4)热解碳化
将干化污泥在650℃～850℃下热解碳化30min～90min，筛选得到粒径为0.2mm～5mm且不包括0.2mm的颗粒炭作为污泥炭基吸附材料和粒径≤0.2mm的粉末炭；
(5)将步骤(4)得到的粒径≤0.2mm的粉末炭作为脱水骨架，重复步骤(1)-步骤(4)
上述步骤可选地包括步骤(5)。
根据本发明，脱水骨架在脱水过程中的作用原理为：粉末炭吸附污泥颗粒絮体形成团粒结构，经聚丙烯酰胺等高分子有机絮凝剂絮凝后，在带式压滤机或板框压滤机的挤压作用下，以粉末炭为核心的污泥团粒具备一定的强度、形成供水分滤出的通道，从而达到污泥深度脱水的目的。
根据本发明，聚丙烯酰胺可通过商购获得，如使用市售的山东万德福化工有限公司公司中分子量(200万Da-600万Da)、高分子量(≥800万Da)的阳离子聚丙烯酰胺。
作为优选方案，脱水骨架为干化后的第二污泥在650～850℃下热解碳化45min～65min，得到的粒径≤0.2mm的脱水骨架。
作为优选方案，步骤(4)中，将干化污泥在650℃～850℃下热解碳化45min～65min。
作为优选方案，所述脱水骨架的粒径为0.2mm～0.075mm。
作为优选方案，所述聚丙烯酰胺的分子量为500万Da～2000万Da，采用上述范围分子量的聚丙烯酰胺的有益之处在于其在上述分子量范围可以与粉末炭共同作用实现更好的絮凝，保证最佳的调理脱水效果和脱水经济性。根据泥质的差异，本领域技术人员可通过具体的污泥调理试验选用相应分子量的聚丙烯酰胺，如某高级厌氧消化污泥，采用0.150mm～0.106mm粉末炭混合调理后，通过污泥调理试验确定分子量1000万Da聚丙烯酰胺为最适合的絮凝剂。
作为优选方案，相对于第一污泥的污泥干基重量，所述脱水骨架的添加量为5％～15％。
作为优选方案，相对于第一污泥的污泥干基重量，所述聚丙烯酰胺的添加量为0.5％～1％。
作为优选方案，步骤(2)中，造粒至圆形颗粒或条状颗粒；
所述圆形颗粒的粒径≤5mm；
所述条状颗粒的直径≤5mm。
根据本发明，所述第一污泥、所述第二污泥各自选自以生活污水为主的污水处理过程中产生的栅渣、初沉污泥和剩余污泥中的至少一种。
根据本发明，所述第一污泥的含水率为93％～97％。
根据本发明，所述第二污泥的含水率为60％～70％。
根据本发明，脱水可以采用本领域技术人员常规采用的脱水方式和常规采用的机械脱水设备，作为优选方案，脱水可采用带式脱水机或板框压滤机。
根据本发明，热解碳化可以采用本领域技术人员常规采用的热解碳化炉，作为优选方案，在连续式固定床热解反应炉、连续式多段固体热解反应炉、连续式移动床热解反应炉或流化床热解反应炉中进行。
本发明的第二方面提供由上述的制备方法制备得到的污泥炭基吸附材料。
本发明的有益效果：
以污泥基粉末炭作为脱水骨架材料替代无机调理药剂，可有效地提高污泥有机份含量、降低污泥电导率、消减污泥产品毒性风险、提高脱水泥饼热值；此外，可有效降低污泥炭基材料的灰分含量，提高其吸附能力。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了根据本发明的一个实施例的制备方法的简易流程图。
图2示出了实施例1得到的污泥脱水泥饼的照片。
图3示出了实施例1得到的污泥脱水泥饼经压条、干化后的照片。
图4示出了实施例1在热解反应后得到的未筛分的污泥碳材料照片。
图5示出了实施例1筛分后得到的粉末炭的照片。
图6示出了实施例1筛分后得到的颗粒炭的照片。
图7示出了实施例1干化后的污泥SEM照片。
图8示出了实施例1得到的粉末碳的SEM照片，(a)、(b)分别为不同尺度下的SEM照片。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例中，采用的聚丙烯酰胺为山东万德福化工有限公司生产的中分子量(500万Da-600万Da)或高分子量(800万Da-2000万Da)阳离子聚丙烯酰胺。本发明实施例中，污泥来源于某城市污水处理厂，其原始参数为含水率：93％；有机份：50％。
图1示出了根据本发明的一个实施例的制备方法的简易流程图。如图1所示，将污泥进行脱水、造粒、干化、热解碳化，最后经筛分得到颗粒碳作为污泥炭基吸附材料和粉末碳，粉末碳还可进一步用于污泥脱水。
本发明实施例中，脱水骨架的制备方法为：将含水率60％的污泥干化至含水率为20％，然后在750℃下热解碳化60min，得到粒径≤0.2mm的脱水骨架。若粒径不满足上述尺寸要求，可通过研磨达到相应要求。
实施例1
某城市污水处理厂产生的污泥，含水率为93％，以污泥干基的重量计，添加7.5％脱水骨架、0.5％分子量为800万Da的PAM，经板框脱水后污泥含水率降低至60％。采用压条机将脱水泥饼压条至直径为5mm；经干化后，污泥颗粒含水率降低至20％；干化后的污泥颗粒输送至污泥热解炉进行热解反应，控制热解温度700℃，反应时间为60min。碳化后进行筛分，获得0.2mm～5mm且不包括0.2mm的颗粒炭作为污泥炭基吸附材料以及粒径为0.2mm～0.075mm的粉末碳，颗粒炭的BET：220m2/g、碘值：415mg/g、亚甲基蓝吸附值：122mg/g。
图2示出了实施例1得到的污泥脱水泥饼的照片。
图3示出了实施例1得到的污泥脱水泥饼经压条、干化后的照片。
图4示出了实施例1在热解反应后得到的未筛分的污泥碳材料照片。
图5示出了实施例1筛分后得到的粉末炭的照片。
图6示出了实施例1筛分后得到的颗粒炭的照片。
图7示出了实施例1干化后的污泥SEM照片。
图8示出了实施例1得到的粉末碳的SEM照片，(a)、(b)分别为不同尺度下的SEM照片。
实施例2
某城市污水处理厂产生的污泥，含水率为93％，以污泥干基的重量计，添加7.5％脱水骨架、1％分子量为600万Da的PAM，经板框脱水后污泥含水率降低至60％。采用压条机将脱水泥饼压条至直径为5mm；经干化后，污泥颗粒含水率降低至20％；干化后的污泥颗粒输送至污泥热解炉进行热解反应，控制热解温度800℃，反应时间为45min。碳化后进行筛分，获得0.2mm～5mm且不包括0.2mm的颗粒炭作为污泥炭基吸附材料以及粒径为0.2mm～0.075mm的粉末碳，颗粒炭的BET：170m2/g、碘值：410mg/g、亚甲基蓝吸附值：106mg/g。
实施例3
某城市污水处理厂产生的污泥，含水率为93％，以污泥干基的重量计，添加5.0％脱水骨架、0.5％分子量为1000万Da的PAM，经板框脱水后污泥含水率降低至65％。采用压条机将脱水泥饼压条至直径为5mm；经干化后，污泥颗粒含水率降低至20％；干化后的污泥颗粒输送至污泥热解炉进行热解反应，控制热解温度700℃，反应时间为60min。碳化后进行筛分，获得0.2mm～5mm且不包括0.2mm的颗粒炭作为污泥炭基吸附材料以及粒径为0.2mm～0.075mm的粉末碳，颗粒炭的BET：241m2/g、碘值：427mg/g、亚甲基蓝吸附值：138mg/g。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，脱水骨架使用某市售产品聚铝，得到的颗粒炭的BET：60.57m2/g、碘值：176.28mg/g、亚甲基蓝吸附值：69mg/g。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，脱水骨架使用某市售产品聚铁，得到的颗粒炭的BET：108.9m2/g、碘值：123.41mg/g、亚甲基蓝吸附值：51mg/g。
对比例3
与实施例3的不同之处在于，脱水骨架使用某市售产品氧化钙，得到的颗粒炭的BET：67.58m2/g、碘值：188.31mg/g、亚甲基蓝吸附值：69mg/g。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种污泥炭基吸附材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
(1)污泥脱水
将第一污泥与脱水骨架、聚丙烯酰胺混合脱水，得到含水率为60％～70％的脱水泥饼；
所述脱水骨架为干化后的第二污泥在650～850℃下热解碳化30min～90min，得到的粒径≤0.2mm的脱水骨架；
(2)造粒
将脱水后的泥饼进行造粒；
(3)干化
将造粒后的污泥颗粒进行干燥，得到干化污泥；
(4)热解碳化
将干化污泥在650℃～850℃下热解碳化30min～90min，筛选得到粒径为0.2mm～5mm且不包括0.2mm的颗粒炭作为污泥炭基吸附材料和粒径≤0.2mm的粉末炭；
(5)将步骤(4)得到的粒径≤0.2mm的粉末炭作为脱水骨架，重复步骤(1)-步骤(4)
上述步骤可选地包括步骤(5)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述脱水骨架的粒径为0.2mm～0.075mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述聚丙烯酰胺的分子量为500万Da～2000万Da。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，相对于第一污泥的污泥干基重量，所述脱水骨架的添加量为5％～15％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，相对于第一污泥的污泥干基重量，所述聚丙烯酰胺的添加量为0.5％～1％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(2)中，造粒至圆形颗粒或条状颗粒；
所述圆形颗粒的粒径≤5mm；
所述条状颗粒的直径≤5mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(3)中，干燥至含水率≤20％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
所述第一污泥、所述第二污泥各自选自以生活污水为主的污水处理过程中产生的栅渣、初沉污泥和剩余污泥中的至少一种；
所述第一污泥的含水率为93％～97％；
所述第二污泥的含水率为60％～70％。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
脱水采用带式脱水机或板框压滤机；
热解碳化在连续式固定床热解反应炉、连续式多段固体热解反应炉、连续式移动床热解反应炉或流化床热解反应炉中进行。
10.由权利要求1-9中任意一项所述的制备方法制备得到的污泥炭基吸附材料。
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