CN112919754B - 一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法 - Google Patents

一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，包括以下步骤：步骤1)对生物质进行预处理，对污泥进行机械脱水处理；步骤2)将处理后的生物质和污泥进行充分均匀混合，加入搅拌机搅拌并静置得到混合物；步骤3)将所述混合物加入干燥炉中进行脱水干燥，得到干燥后的污泥‑生物质混料；步骤4)将所述污泥‑生物质混料加入热解炉中，在无氧或缺氧环境下进行热解，热解完成后冷却固体残渣得到生物炭。采用本发明的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，可以高效率的将污泥热解制备生物炭，同时固化其中的重金属，大大降低重金属污染。

Description

一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体来说，涉及一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法。
背景技术
近年来，随着我国工业化进程加快，我国污泥的产量逐步提高。污泥中含有大量病原微生物、重金属、致病菌、寄生虫卵等难降解有毒有害成分，若得不到妥善处理而被直接倾倒到环境中，将会在土壤和水体中释放污染物，极易对地下水和土壤等形成严重的二次污染。同时，污泥中含大量具有农用价值的氮(N)、磷(P)、钾(K)等营养元素和有机质，并具备一定热值。若处理利用得当，可大幅减少工业污泥体积，并将其变废为宝，既解决环境污染问题，又能实现资源化循环利用、提升经济效益。
现有技术中，污泥热解炭化技术因其具有处理速度快、二次污染少、资源可回收等特点，而受到广泛关注。然而，污泥中水分、灰分、无机盐和金属含量较高，而易挥发的有机物含量低，使得现有技术中污泥单独热解时挥发分析出特性较差，产油率低，液相产物成分复杂且易氧化、易结焦，生成的炭质量较差，比表面积较小，吸附性能差，且重金属问题无法得到妥善解决。生物质有着挥发分含量高、灰分和无机盐等含量低和产油率高的优点，若与污泥耦合热解来制备生物炭，可取长补短，有效弥补污泥自身热值较低的弊端，能够提高炭产物的质量，有利于将重金属的固化。
然而，现有的技术获得的污泥炭质量较差，重金属固化效果并不理想。因此，迫切需要一种能够高效率结合污泥和生物质制备生物炭，并且能够固化重金属的方法。
发明内容
本发明针对上述不足，提供一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，可以高效率的将污泥热解制备生物炭，同时固化其中的重金属，大大降低重金属污染。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：
一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，包括以下步骤：
步骤1)对生物质进行预处理，对污泥进行机械脱水处理；
步骤2)将处理后的生物质和污泥进行充分均匀混合，加入搅拌机搅拌并静置得到混合物；
步骤3)将所述混合物加入干燥炉中进行脱水干燥，得到干燥后的污泥-生物质混料；
步骤4)将所述污泥-生物质混料加入热解炉中，在无氧或缺氧环境下进行热解，热解完成后冷却固体残渣得到生物炭。
优选的，所述步骤1)中，对生物质进行预处理，具体包括：将秸秆等农、林产业中的木制纤维素类废弃物的一种或几种混合物，进行干燥、粉碎预处理，粉碎后生物质颗粒粒径小于5mm。
优选的，所述步骤1)中，对污泥进行机械脱水处理，具体包括：将冶金、电镀、冶炼等产业产生的含重金属的工业污泥，进行离心脱水或压滤脱水，处理后的污泥含水率为50～65％。
优选的，所述步骤2)中，污泥与生物质的质量混合比例为1：0.5～1：2，搅拌时间为2～5h，静置时间为5～10h。
优选的，所述步骤3)中，干燥方式为热风干燥，干燥后的污泥-生物质混料含水率为10～20％。
优选的，所述步骤4)中，热解炉为固定床热解反应器。
优选的，所述步骤4)中，热解升温速率为10～20℃/min，热解温度为500～700℃，保温时间大于60min。
与现有技术相比，本发明的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，可以高效率的将污泥热解制备生物炭，同时固化其中的重金属，大大降低重金属污染。本实施例的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，包括以下步骤：步骤1)对生物质进行预处理，对污泥进行机械脱水处理；步骤2)将处理后的生物质和污泥进行充分均匀混合，加入搅拌机搅拌并静置得到混合物；步骤3)将所述混合物加入干燥炉中进行脱水干燥，得到干燥后的污泥-生物质混料；步骤4)将所述污泥-生物质混料加入热解炉中，在无氧或缺氧环境下进行热解，热解完成后冷却固体残渣得到生物炭。本发明借由生物质高挥发分含量、高产油率、低灰分和无机盐的特点，弥补因污泥含水量大、热值低而单独热解无法完全靠自身供能的弊端，使得耦合共热解系统达到能量的自给自足；同时，充分发挥生物质与污泥协同耦合作用，利用污泥中含有的硅酸盐类组分降低与生物质耦合热解的反应活化能，促进反应进行。并提升生物油产物热值，有效提高了生物质与污泥的使用效率；采用的生物质原料来源广泛，与耦合热解可有利于炭的形成，增大总孔体积与平均孔径，使孔隙结构更加发达，增大比表面积，且使表面官能团更丰富，大幅提高了共热解生物炭产品质量与使用价值；通过添加生物质使污泥中的重金属有效地从毒性较高的形态固化成毒性较低、更稳定的形态，在减量化处置的同时实现了污泥的无害化处理；在有效处理污泥的同时，协同处理了农林业废弃物，实现污泥与生物质两种物质的综合处置和资源化利用。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例中污泥单独热解所得污泥炭及污泥与稻杆耦合热解所得共热解炭孔径分布对比图；
图3是本发明实施例中污泥单独热解所得污泥炭及污泥与稻杆耦合热解所得共热解炭表面官能团对比图；
图4(a)是本发明实施例中污泥单独热解及污泥与稻杆耦合热解的原料及产物中Cu重金属形态分布图；
图4(b)是本发明实施例中污泥单独热解及污泥与稻杆耦合热解的原料及产物中Cd重金属形态分布图；
图4(c)是本发明实施例中污泥单独热解及污泥与稻杆耦合热解的原料及产物中Cr重金属形态分布图。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
如图1所示，本发明实施例的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，包括以下步骤：
步骤1)对生物质进行预处理，对污泥进行机械脱水处理；
步骤2)将处理后的生物质和污泥进行充分均匀混合，加入搅拌机搅拌并静置得到混合物；
步骤3)将所述混合物加入干燥炉中进行脱水干燥，得到干燥后的污泥-生物质混料；
步骤4)将所述污泥-生物质混料加入热解炉中，在无氧或缺氧环境下进行热解，热解完成后冷却固体残渣得到生物炭。
下面将参照图2至图4(c)，结合具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述。
对比例
将含水率80％的工业污泥脱水干燥，使其含水率低于20％后，取定量干污泥平铺于石英舟平置于固定床管式炉反应器中热解，向固定床管式炉反应器中通入氮气作为保护气氛，升温速率为10℃/min，升温至500℃后，保温60min，热解完成后获得污泥炭。随后，利用傅里叶红外光谱仪对污泥炭进行表面官能团扫描，利用BET比表面及孔径分析仪分析污泥炭孔隙特征，采用BCR顺序逐级提取法测试对污泥和污泥炭中的重金属形态分布及含量。
实施例1
选取稻杆为生物质样品，在与工业污泥混合前，稻杆在105℃烘箱中烘干10小时，其中稻杆烘干后经过粉碎机破碎，并筛取出0.15-0.35mm粒径；
对工业污泥进行脱水处理，将其含水率从80％降低至低于60％，取质量混合比例1：1的稻杆与污泥进行混合，将混合后的重金属污泥与生物质的混合物用搅拌机搅拌4h，在室温下静置8小时；
将静置后的重工业污泥与生物质的混合物在105℃的电热鼓风干燥箱中干燥24小时，获得污泥-生物质混料；
将干燥后的污泥-生物质混料平铺于石英舟平加入固定床管式炉反应器中热解，通入氮气作为保护气氛，升温速率为10℃/min，升温至500℃后，保温60min，热解完成后获得共热解炭；
利用傅里叶红外光谱仪对共热解炭进行表面官能团扫描，利用BET比表面及孔径分析仪分析共热解炭孔隙特征，采用BCR顺序逐级提取法测试对污泥、稻杆和共热解炭中的重金属形态分布及含量。
孔径分布结果见图2，与工业污泥单独热解相比，稻杆的加入使得共热解炭的比表面积和孔容从54.30m2/g和0.17cm3/g提升至110.10m2/g和0.19cm3/g，平均孔径则从8.58nm降低至7.02nm。污泥单独热解炭和与稻杆共热解生物炭中孔隙的大小和形状均为非均质分布，两种生物炭中的孔径分布相似，而稻杆的加入导致了微孔(<2nm)和大孔(>50nm)均有所增多。
表面官能团红外谱图见图3，相比于污泥单独热解炭，共热解炭位于3200cm-1-3600cm-1处宽波长带上的特征峰强度略有增加，这说明与稻杆共热解后使得炭产物中O-H键羟基基团数量增多。3100cm-1、2970cm-1-2850cm-1、1435cm-1、1135cm-1等处的吸收峰的增强说明共热解炭表面C-H键有所增多。1435cm-1处的特征峰对应于芳香环中C-C键的伸缩振动，此处峰强度增强说明了加入生物质共热解有利于碳骨架强度的增强。工业污泥与稻杆共热解不仅可以增加生物炭已有官能团的数量，还产生了新的表面官能团，从而在官能团层面上大大提高了生物炭的品质。
重金属形态分布结果见图4，由图4(a)可知重金属Cu在污泥中主要以F1酸可交换态及F2可还原态的形式存在，F4残渣态含量较少。经过热解过程后，具有直接生态风险的F1酸可交换态及F2可还原态含量减少，两种形态相对含量的总和降低了36％，F4残渣态含量略有增加，而F3可氧化态含量大幅增加了29％。添加稻杆共热解后，Cu的F1酸可交换态及F2可还原态含量均进一步减少，共热解对于重金属Cu固化效果比单独热解提升29％。由图4(b)可知重金属Cd在污泥中主要以F1酸可交换态存在，热解后F1及F2形态大幅减少了45％，转化为更稳定的F3及F4形态；而添加稻杆共热解后，F1及F2形态进一步减少至16％，且F3可氧化态也有所减少，转化为最为稳定的F4残渣态，F4残渣态的相对含量上升了45％，比污泥单独热解提升14％。由图4(c)可知，共热解炭中重金属Cr的F1及F2形态总量减少，F3形态大量增多，重金属Cr的固化效果比污泥单独热解同样有所上升。以上结果表明，添加稻杆共热解对于重金属Cu、Cd以及Cr具有更好的固化效果。
实施例2
选取稻杆为生物质样品，在与工业污泥混合前，稻杆在105℃烘箱中烘干10小时，其中稻杆烘干后经过粉碎机破碎，并筛取出0.15-0.35mm粒径；
对工业污泥进行脱水处理，将其含水率从80％降低至低于50％，取质量混合比例1：0.5的稻杆与污泥进行混合，将混合后的重金属污泥与生物质的混合物用搅拌机搅拌2h，在室温下静置5小时；
将静置后的重工业污泥与生物质的混合物在105℃的电热鼓风干燥箱中干燥24小时，获得污泥-生物质混料；
将干燥后的污泥-生物质混料平铺于石英舟平加入固定床管式炉反应器中热解，通入氮气作为保护气氛，升温速率为15℃/min，升温至600℃后，保温60min，热解完成后获得共热解炭。
实施例3
选取稻杆为生物质样品，在与工业污泥混合前，稻杆在105℃烘箱中烘干10小时，其中稻杆烘干后经过粉碎机破碎，并筛取出0.15-0.35mm粒径；
对工业污泥进行脱水处理，将其含水率从80％降低至低于65％，取质量混合比例1：2的稻杆与污泥进行混合，将混合后的重金属污泥与生物质的混合物用搅拌机搅拌5h，在室温下静置10小时；
将静置后的重工业污泥与生物质的混合物在105℃的电热鼓风干燥箱中干燥24小时，获得污泥-生物质混料；
将干燥后的污泥-生物质混料平铺于石英舟平加入固定床管式炉反应器中热解，通入氮气作为保护气氛，升温速率为20℃/min，升温至700℃后，保温60min，热解完成后获得共热解炭。
上述实例二与实例三中，共热解炭在空隙特性、表面官能团以及重金属固化效果方面均能达到与实例一中同样的效果。
与现有技术相比，采用本发明的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，本发明借由生物质高挥发分含量、高产油率、低灰分和无机盐的特点，弥补因污泥含水量大、热值低而单独热解无法完全靠自身供能的弊端，使得耦合共热解系统达到能量的自给自足；同时，充分发挥生物质与污泥协同耦合作用，利用污泥中含有的硅酸盐类组分降低与生物质耦合热解的反应活化能，促进反应进行。并提升生物油产物热值，有效提高了生物质与污泥的使用效率；采用的生物质原料来源广泛，与耦合热解可有利于炭的形成，增大总孔体积与平均孔径，使孔隙结构更加发达，增大比表面积，且使表面官能团更丰富，大幅提高了共热解生物炭产品质量与使用价值；通过添加生物质使污泥中的重金属有效地从毒性较高的形态固化成毒性较低、更稳定的形态，在减量化处置的同时实现了污泥的无害化处理；在有效处理污泥的同时，协同处理了农林业废弃物，实现污泥与生物质两种物质的综合处置和资源化利用。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (6)

1.一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)对生物质进行预处理，对含重金属的污泥进行机械脱水处理，处理后的污泥含水率为50～65％；
步骤2)将处理后的生物质和污泥进行充分均匀混合，加入搅拌机搅拌并静置得到混合物；搅拌时间为2～5h，静置时间为5～10h；
步骤3)将所述混合物加入干燥炉中进行脱水干燥，得到干燥后的污泥-生物质混料；
步骤4)将所述污泥-生物质混料加入热解炉中，在无氧或缺氧环境下进行热解，热解完成后冷却固体残渣得到生物炭；所述步骤4)中，热解升温速率为10～20℃/min，热解温度为500～700℃，保温时间大于60min；
所述方法将污泥热解制备生物炭，同时固化其中的重金属，降低重金属污染；由生物质高挥发分含量、高产油率、低灰分和无机盐的特点，弥补因污泥含水量大、热值低而单独热解无法完全靠自身供能的弊端，使得耦合共热解系统达到能量的自给自足；同时，充分发挥生物质与污泥协同耦合作用，利用污泥中含有的硅酸盐类组分降低与生物质耦合热解的反应活化能，促进反应进行,并提升生物油产物热值，有效提高了生物质与污泥的使用效率；采用的生物质原料来源广泛，与耦合热解可有利于炭的形成，增大总孔体积与平均孔径，使孔隙结构更加发达，增大比表面积，且使表面官能团更丰富，大幅提高了共热解生物炭产品质量与使用价值；通过添加生物质使污泥中的重金属有效地从毒性较高的形态固化成毒性较低、更稳定的形态，在减量化处置的同时实现了污泥的无害化处理。
2.按照权利要求1所述的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，所述步骤1)中，对生物质进行预处理，具体包括：将秸秆等农、林产业中的木制纤维素类废弃物的一种或几种混合物，进行干燥、粉碎预处理，粉碎后生物质颗粒粒径小于5mm。
3.按照权利要求1所述的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，所述步骤1)中，对污泥进行机械脱水处理，具体包括：将冶金、电镀、冶炼等产业产生的含重金属的工业污泥，进行离心脱水或压滤脱水。
4.按照权利要求1所述的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，所述步骤2)中，污泥与生物质的质量混合比例为1：0.5～1：2。
5.按照权利要求1所述的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，所述步骤3)中，干燥方式为热风干燥，干燥后的污泥-生物质混料含水率为10～20％。
6.按照权利要求1所述的一种污泥耦合生物质热解制备生物炭及固化重金属的方法，其特征在于，所述步骤4)中，热解炉为固定床热解反应器。
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