CN112624792B - 基于植物处理污泥后的附产物陶粒及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水污染治理技术领域，公开了一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒及其制备方法和应用，该陶粒包括以下按质量百分比计的组分组成：粉煤灰30～50％，生物炭5～10％，膨润土20～30％，碳酸镁10～30％，硅酸钠5～10％，二氧化硅2～5％。其制备方法包括以下步骤：S101、制备生物炭；S102、制备生球料；S103、烘干；S104、煅烧。本发明利用植物处理后的污泥及皇竹草残余体的混合物作为原材料，制备成生物炭，再混入粉煤灰、膨润土、生石灰等材料，将其按照一定的质量比例高温热解制备出陶粒。实现了种植植物产品干化后污泥及其附产物的最大资源化利用的同时，还可以生产出可吸附水中氮、磷的陶粒，并将其应用于富营养化水体净化处理系统中。

Description

基于植物处理污泥后的附产物陶粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及水污染治理技术领域，具体涉及一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒及其制备方法和应用。
背景技术
污泥处理是水污染控制和水环境保护的重要组成部分，如果污泥处置不当，不仅对生态环境造成负面影响，也会危害人们的身体健康，国内外污泥的主要处置方式有农林业利用、卫生填埋、焚烧等。污泥直接焚烧，由于新鲜污泥含水率高，需要外加燃料，成本费用高；污泥卫生填埋占地巨大，目前很多地方明令禁止。从长远来看，污泥的农林业资源化利用，是一种比较有前景和推广价值的处理方式。
我国目前对污泥热解方面的研究重点主要集中在降低处理污泥成本，减少能源消耗以及实现污泥减量化目标等问题上，而对热解后的纯污泥炭的再利用仍存在担心二次污染风险等众多争议，缺少规模化、产量化的技术推广。有研究报道，利用热解污泥炭制备吸附材料，具体是将污泥炭再次炭化活化，制备得到活性炭，将活性炭作为吸附材料，但由于纯污泥炭的含灰量太大，生产成本较高，这种炭化技术并没有得到规模化推广。
陶粒在建筑、环保、园艺、冶金、化工、石油及农业等领域有着广泛的研究与应用，其制备原材料也十分广泛；目前常见陶粒按原材料分类有页岩陶粒、生物污泥陶粒、垃圾陶粒、粉煤灰陶粒等，不同的原材料制备所得的陶粒其性能存在一定差异。中国发明专利CN110467429 A公开了一种利用生物炭制备高吸附性陶粒的方法，实例中只是应用于污染气体吸附，但对于水处理净化系统，鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒，该陶粒充分利用了植物部分的生物质，其成炭成分丰富，内部结构多孔，性质稳定，进一步有利于吸附污染物，可以作为环保吸附材料。
本发明的另一目的在于提供上述基于植物处理污泥后的附产物陶粒的制备方法。以干污泥、皇竹草和粉煤灰作为原材料，经过高温制备所得陶粒，能够最大资源化利用这些固体废弃物，并同时达到了污泥重金属固定化的目的本发明的再一目的在于提供上述基于植物处理污泥后的附产物陶粒的应用。该基于植物处理污泥后的附产物陶粒可直接应用到富营养化水体净化处理系统中。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒，所述陶粒包括以下按质量百分比计的组分组成：生物炭5～10％，粉煤灰30～50％，膨润土20～30％，碳酸镁10～30％，硅酸钠5～10％，二氧化硅2～5％。
上述的基于植物处理污泥后的附产物陶粒的制备方法，包括如下步骤：
S101、制备生物炭：采用处理后的干污泥和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎后放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率5～20℃/min、炭化温度300～600℃和炭化保温时间0.5～4h，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭；
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠和二氧化硅按质量比称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机得到生球料；
S103、烘干：将S102中制成的生料球置于烘箱中烘干；
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，预热完成后继续升温煅烧，热合反应完成后冷却取出即得到陶粒。
进一步地，S101中处理后的干污泥为种植过皇竹草的干污泥。
进一步地，S101中污泥和地下部的皇竹草残余体的细度为80～100目。
进一步地，S103中的生料球烘干时间为60～120min，温度80～105℃。
进一步地，S104中低温预热温度为300℃，保温时间30min，陶粒焙烧热合反应温度为600～1100℃，保温时间20～120min。
上述的基于植物处理污泥后的附产物陶粒在富营养化水体净化处理系统中的应用。
本发明的原理是：用高温焙烧技术对经过种植皇竹草的干污泥和地下部分的皇竹草残余体进行热解炭化，炭化过程实现污泥减量，炭化环境为无氧或限氧条件，所得产物即为生物炭；将生物炭与粉煤灰、膨润土等按比例混合，制备成生料球，经过烘干、预热和高温焙烧，最终得到生物炭陶粒。在一系列的烘干、焙烧过程中，生料球内部发生氧化还原反应，加上反应过程中放出气体，形成的陶粒其内部结构变化，具有丰富的孔隙度。
本发明利用的材料粉煤灰固体废弃物，其主要氧化物组成为:SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，它是一种人工火山灰质混合材料，本身没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，在制备陶粒方面的应用效果极佳。
本发明中，经过种植处理的附产物是包括种植皇竹草的干污泥和地下部的皇竹草残余体，其优点是充分利用了植物部分的生物质，其成炭成分丰富，相比于净污泥制备的污泥炭，该类废弃物生物炭的含炭量更高，而灰分含量相对较少。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
1、本发明中利用植物处理后的干污泥及皇竹草残余体的混合物作为原材料，制备成生物炭，再混入粉煤灰、膨润土、生石灰等材料，将其按照一定的质量比例高温热解制备出陶粒。实现了种植植物产品干化后污泥及其附产物的最大资源化利用的同时，还可以生产出可吸附水中氮、磷的陶粒，并将其应用于富营养化水体净化处理系统中。
2、本发明中的陶粒制备工艺简单，可实现规模化生产，所利用的原材料来源广泛，同时可为减少干污泥和植物残体的二次污染提供有效途径，具备良好的生态环境增益和经济增益。制得的陶粒内部结构多孔，性质稳定，进一步有利于吸附污染物，可以作为环保吸附材料，具体可应用于水处理技术，如作为生态浮床的基质和作为人工湿地的填料。此外，陶粒其透气效果良好，具有吸水性能，可作为盆栽和大田的种植基质。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明中的富营养化水体修复处理系统中的菌藻共生浮网的结构示意图；
图2示出了根据本发明中的富营养化水体修复处理系统中的过滤装置的结构示意图；
图中，1为泡沫浮球；2为共生滤球；3为纵向固定绳；4为横向固定绳；5为连接钩；6为固定吊锤；7为布水管；8为提升泵；9为进水口；10为PVC管容器；11为出水口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒，所述陶粒包括以下按质量百分比计的组分组成：粉煤灰30～50％，生物炭5～10％，膨润土20～30％，碳酸镁10～30％，硅酸钠5～10％，二氧化硅2～5％。
上述的基于植物处理污泥后的附产物陶粒的制备方法，包括如下步骤：
S101、制备生物炭：采用处理后的干污泥(种植过皇竹草、经烘干后的污泥)和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎至细度为80～100目，放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率5～20℃/min、炭化温度300～600℃和炭化保温时间0.5～4h，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭；
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠、和二氧化硅按质量比称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机得到生球料；
S103、烘干：将S102中制成的生料球置于烘箱中烘干，S103中的生料球烘干时间为60～120min，温度80～105℃；
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，温度为300℃，保温时间30min，预热完成后继续升温煅烧，热合反应完成后冷却取出即得到陶粒，热合反应温度为600～1100℃，保温时间20～120min。
以干污泥、皇竹草和粉煤灰作为原材料，经过高温制备所得陶粒，能够最大资源化利用这些固体废弃物，并同时达到了污泥重金属固定化的目的。
上述的基于植物处理污泥后的附产物陶粒在富营养化水体净化处理系统中的应用。
一、本生物炭陶粒和植物炭陶粒的重金属浸出特性对比实验：
本生物炭陶粒(基于植物处理污泥后的附产物陶粒)制备方法包括如下步骤：
S101、污泥及植物残余体制备生物炭：处理后的干污泥和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎至粒度为80～100目，然后放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率5℃/min、炭化温度400℃和保温时间120min，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭。
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠、二氧化硅按质量比分别为生物炭5％，粉煤灰50％，膨润土20％，碳酸镁10％，硅酸钠10％，二氧化硅5％称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机制备成生料球。
S103、烘干：将生料球置于烘箱中105℃烘干120min。
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，预热温度300℃，时间为30min，预热完成后继续升温煅烧至700℃，保温时间为60min，热合反应完成后冷却取出即得到自制生物炭陶粒。
植物炭陶粒制备过程：以皇竹草地上部分秸秆为原材料，将其粉碎至粒度为80～100目，然后放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率5℃/min、炭化温度400℃和保温时间120min，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到植物炭。
将植物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠、二氧化硅按质量比分别为植物炭5％、粉煤灰50％，膨润土20％，碳酸镁10％，硅酸钠10％，二氧化硅5％称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机制备成生料球。
将生料球置于烘箱中105℃烘干120min，烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，预热温度300℃，时间为30min，预热完成后继续升温煅烧至700℃，保温时间为60min，热合反应完成后冷却取出即得到皇竹草植物炭陶粒。
对制备的两种陶粒进行重金属浸出特性实验，按照标准《固体废物浸出毒性浸出方法》(HJ-T 299-2007)对陶粒进行重金属铜、铅、锌、镉元素的浸出浓度测定，检测结果均低于危险废物鉴别标准(GB/T 5083.3-2007)，而两种陶粒其重金属浸出浓度没有显著性差异。数据如下表：
表1两种陶粒重金属元素的浸出浓度对比(mg/L)
Figure BDA0002845334030000071
注：表中数据为平均值±标准偏差；带有相同小写字母的同一行数据间无显著差异(n＝2，p＝0.05)
结果表明，依据本发明制备的生物炭陶粒对污泥中的重金属的固定化效果较为明显，与植物炭陶粒的重金属浸出毒性差异不大，二者都远远低于限值，不必担心污泥重金属的浸出影响，可以达到污泥资源化的再利用且避免二次污染的目标。
二、本生物炭陶粒和植物炭陶粒的等温吸附实验：
上述所制备的两种陶粒进行等温吸附实验，分析对应的等温吸附方程。
具体操作为：
(1)分别取氨氮浓度为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L氯化铵溶液于锥形瓶中，用封口膜密封后在25℃下水浴恒温振荡24h后，测定溶液氨氮质量浓度。
(2)对实验数据进行等温吸附曲线拟合。数据结果拟合表明，两种陶粒氨氮等温吸附曲线均符合Freundlich模型，其中生物炭陶粒拟合方程的R2＝0.946，植物炭陶粒拟合方程的R2＝0.938，拟合结果相关性良好；而Langmuir模型拟合结果，其中生物陶粒的拟合方程R2＝0.753，植物炭陶粒的拟合方程R2＝0.560，拟合结果相关性较一般。根据生物炭陶粒的氨氮等温吸附实验说明，该类陶粒吸附过程中既有单分子层吸附，又有不规则的多分子层吸附，说明其中不仅有物理吸附过程，还有化学吸附过程。
结果表明：本发明制备的生物炭陶粒对溶液中氨氮的吸附均符合等温吸附理论，具有作为水处理吸附剂的应用前景。
三、本生物炭陶粒与市售陶粒对水中氮磷的吸附效果对比实验：
对水中氨氮的吸附效果：选取两种市售陶粒S1，S2和依据本发明的自制生物炭陶粒进行试验，分别称取5.0g陶粒于三个锥形瓶；实验室条件下，取浓度为50mg/L的氯化铵溶液50ml于锥形瓶，摇床震荡吸附24h。
结果表明：生物炭陶粒处理24h的氨氮平均去除率为47.09％；市售陶粒S1处理24h的氨氮平均去除率为44.03％；市售陶粒S2处理24h的氨氮平均去除率为49.55％。
对水中总磷的吸附效果：选取两种市售陶粒S1，S2及上述生物炭陶粒进行试验，分别称取5.0g陶粒于三个锥形瓶；实验室条件下，取总磷浓度为50mg/L的磷酸二氢钾溶液50ml于锥形瓶，摇床震荡吸附24h。
结果表明：生物炭陶粒处理24小时的总磷平均去除率为91.01％；市售陶粒S1处理24h的总磷平均去除率为65.19％；市售陶粒S2处理24h的总磷平均去除率为26.35％。具体数据如表1所示。生物炭陶粒对氨氮的吸附效率略优于市售陶粒，对磷的吸附效率显著优于市售陶粒。
表2不同来源陶粒对氨氮和总磷的去除率(％)
Figure BDA0002845334030000091
注：表中数据为平均值±标准偏差；带有相同小写字母的同一行数据间无显著差异(n＝3，p＝0.05)
四、本生物炭陶粒应用于富营养化水体修复处理系统
一种富营养化水体修复处理系统，并将基于本发明的生物炭陶粒应用于该系统。如图1所示，菌藻共生浮网，其包括泡沫浮球1、共生滤球2、纵向固定绳3、横向固定绳4、连接钩5和吊锤6；横向固定绳4所固定的泡沫浮球1为整个浮网提供浮力，横向固定绳4和纵向固定绳3纵横编织，组成绳网，纵横向绳网交结处安装共生滤球2，纵向固定绳3底部可连接固定吊锤6，菌藻共生浮网布设在水域，可通过连接钩固定于岸边固定点，共生滤球4内填充适量自制生物炭陶粒。
如图2所示，菌藻共生浮网处理的水体通过过滤装置的进水口9，提升泵8和布水管7将水提升PVC管容器10中，水从PVC管容器10自然灌入，水体进入PVC管容器10后，经过容器内填料的吸附净化处理，最终由出水口11流出。
泡沫浮球1为直径30cm的聚苯乙烯泡沫球；共生滤球2为直径20cm的中空塑料球网，网格间隙不超过0.8cm，可以填充本发明的自制生物陶粒；整个菌藻共生浮网长约2m，宽约1m，两端设有连接钩，方便在现场用绳子辅助固定；PVC管容器10的直径为25cm，高度80cm，管内填充有沸石，自制陶粒和适量的土壤。PVC管容器10中还可种植景观植物。
实施例2：
本实施例除以下配比外同实施例1：
陶粒按质量百分比计的组分组成：生物炭7％，粉煤灰40％，膨润土15％，碳酸镁25％，硅酸钠9％，二氧化硅4％。
上述的基于植物处理污泥后的附产物陶粒的制备方法，包括如下步骤：
S101、制备生物炭：采用处理后的干污泥(种植过皇竹草、经烘干后的污泥)和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎至细度为100目，放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率10℃/min、炭化温度500℃和炭化保温时间150min，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭；
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠、和二氧化硅按质量比称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机得到生球料；
S103、烘干：将S102中制成的生料球置于烘箱中烘干，S103中的生料球烘干时间为100min，温度100℃；
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，温度为300℃，保温时间30min，预热完成后继续升温煅烧，热合反应完成后冷却取出即得到陶粒，热合反应温度为800℃，保温时间50min。
实施例3：
本实施例除以下配比外同实施例1：
陶粒按质量百分比计的组分组成：生物炭6％，粉煤灰35％，膨润土28％，碳酸镁20％，硅酸钠8％，二氧化硅3％。
上述基于植物处理污泥后的附产物陶粒制备方法包括如下步骤：
S101、制备生物炭：采用处理后的干污泥(种植过皇竹草、经烘干后的污泥)和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎至细度为90目，放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率15℃/min、炭化温度450℃和炭化保温时间200min，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭；
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠、和二氧化硅按质量比称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机得到生球料；
S103、烘干：将S102中制成的生料球置于烘箱中烘干，S103中的生料球烘干时间为90min，温度95℃；
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，温度为300℃，保温时间30min，预热完成后继续升温煅烧，热合反应完成后冷却取出即得到陶粒，热合反应温度为700℃，保温时间80min。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于植物处理污泥后的附产物陶粒在富营养化水体净化处理系统中的应用，其特征在于：所述富营养化水体净化处理系统包括菌藻共生浮网、过滤装置、提升泵（8）、布水管（7）和PVC管容器（10）；
所述菌藻共生浮网包括泡沫浮球（1）、共生滤球（2）、纵向固定绳（3）、横向固定绳（4）、连接钩（5）和吊锤（6）；横向固定绳（4）所固定的泡沫浮球（1）为整个浮网提供浮力；横向固定绳（4）和纵向固定绳（3）纵横编织，组成绳网，纵横向绳网交结处安装共生滤球（2）；纵向固定绳（3）底部连接固定吊锤（6）；所述菌藻共生浮网的长为2m、宽为1m，两端设有连接钩，菌藻共生浮网布设在水域，通过连接钩固定于岸边固定点；
所述泡沫浮球（1）为直径30cm的聚苯乙烯泡沫球；共生滤球（2）为直径20cm的中空塑料球网，网格间隙不超过0.8cm，共生滤球（2）内填充基于植物处理污泥后的附产物陶粒；
所述PVC管容器（10）的直径为25cm，高度80cm，管内填充有沸石、基于植物处理污泥后的附产物陶粒和土壤；
所述基于植物处理污泥后的附产物陶粒，包括以下按质量百分比计的组分组成：生物炭5～10%，粉煤灰30～50%，膨润土20～30%，碳酸镁10～30%，硅酸钠5～10%，二氧化硅2～5%；
所述生物炭的制备原料为处理后的干污泥和地下部的皇竹草残余体，处理后的干污泥为种植过皇竹草的干污泥；
基于所述处理系统的富营养化水体净化方法，所述处理方法包括：
S100：所述富营养化水体经过菌藻共生浮网处理；
S200：所述菌藻共生浮网处理的水体通过过滤装置的进水口（9）、提升泵（8）和布水管（7）将水提升PVC管容器（10）中，水从PVC管容器（10）自然灌入；
S300：水体进入PVC管容器（10）后，经过PVC管容器（10）内填料的吸附净化处理，最终由出水口（11）流出。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述基于植物处理污泥后的附产物陶粒的制备方法，包括如下步骤：
S101、制备生物炭：采用处理后的干污泥和地下部的皇竹草残余体为原材料，将其粉碎后放入瓷坩埚内填满压实，加盖后置于箱式电阻马弗炉中，通入惰性气体赶走炉内空气，设定马弗炉升温速率5～20℃/min、炭化温度300～600℃和炭化保温时间0.5～4h，原材料经过高温限氧热裂解，冷却后取出，得到生物炭；
S102、制备生球料：将生物炭、粉煤灰、膨润土、碳酸镁、硅酸钠和二氧化硅按质量比称量，加入适量的水充分混合，再通过制丸机得到生球料；
S103、烘干：将S102中制成的生料球置于烘箱中烘干；
S104、煅烧：烘干后的料球先在马弗炉进行低温预热，预热完成后继续升温煅烧，热合反应完成后冷却取出即得到陶粒。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：S101中污泥和地下部的皇竹草残余体的细度为80～100目。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：S103中的生料球烘干时间为60～120min，温度80～105℃。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：S104中低温预热温度为300℃，保温时间30min，陶粒焙烧热合反应温度为600～1100℃，保温时间20～120min。
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