CN113413874A - 一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法 - Google Patents

一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，涉及生物质技术领域，其技术方案要点：S1、向污泥中混合添加生物炭和氧化钙，对其慢速搅拌和快速搅拌，得微泡污泥；S2、采用小型太阳能干化装置干化微泡污泥，其微泡完全塌陷后，使用锅炉烟气干化，完全去除水分；S3、将微泡污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃‑650℃，并保温2h，得污泥基生物炭，待降至室温，取出污泥基生物炭。本发明能够减少污泥中微泡的塌陷，提高其干化效率，且使用太阳能和锅炉烟气作为热源干化污泥，可最大程度降低干化能耗；本发明制得的污泥基生物炭对铅离子溶液的吸附量高。本发明在妥当处理污泥的同时，实现污泥的资源化利用。

Description

一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法
技术领域
本发明涉及生物质技术领域，更具体地说，它涉及一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法。
背景技术
近年来，随着全国城镇化的进展，作为污水处理副产物的污泥,其产生量也在逐年增加。据统计，2021年我国污泥年产量将达到7000万t，并且还会逐年增加。这些污泥中不仅含有大量有机物质也含有大量有毒有害物质，若不加以合理地处理处置，不仅会造成生物质资源的浪费还会对环境造成二次污染。然而，污泥中的结合水难以去除，其高含水率特性严重制约着污泥资源化利用。
针对污泥中的结合水难以去除的问题，此处提出我们之前发现的一种高效、节能并改进的干化方法，即混合微泡干化法。该方法是通过向脱水污泥中混合添加一定量的氧化钙和生物炭。添加氧化钙使污泥产生碱性环境，然后再机械搅拌，使污泥产生大量微泡。添加生物炭可以减少微泡的塌陷。这样就可以增加热干化的面积，提高干化速率，并达到节能的目的。与传统的直接热干化相比，混合微泡干化法的特点是干化温度较低，通常为30℃-60℃。在输入较少能源的前提下，使污泥快速干化。
目前常用的污泥资源化利用方法有焚烧、制土壤改良剂、热解等。其中，热解由于具有能量回收效率高、环境友好等突出特点受到人们的青睐。热解是指在缺氧条件下以一定的升温速率将生物质原料加热到400-800℃。热解会使生物质产生生物油、生物气、生物炭。生物油和生物气可作为燃料利用，生物炭可作为吸附剂用于去除溶液中污染物。
通过以上分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统微泡干化法存在泡沫污泥厚度低、易塌陷、干化产物灰分增加、热值降低等问题。
(2)传统微泡干化耦合热解得到的生物炭品质不高，如：孔隙结构差、灰分高、对溶液中重金属吸附效果不佳等问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：
(1)采用某种方法实现提高泡沫污泥的厚度，减少泡沫塌陷。
(2)采用某种方法实现提高干化产物热值和降低灰分。
(3)采用某种方法实现提高热解生物炭的孔隙度和吸附能力。
解决以上问题及缺陷的意义为：解决现有的污泥资源化利用程度不高、污泥干化耗能高、污泥干化产物和热解产物品质低等问题；提出一种降低干化能耗、提升污泥干化产物及热解产物品质的混合微泡干化耦合热解工艺，为提高污泥生物质资源化利用程度和污泥基生物炭领域的发展，提供可选择的方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的污泥资源化利用程度不高、污泥干化耗能高、污泥干化产物和热解产物品质低的问题，提供一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，本发明能够减少污泥中微泡的塌陷，提高其干化效率，且使用太阳能和锅炉烟气作为热源干化污泥，可减少干化能耗和干化时间；本发明制得的污泥基生物炭对铅离子溶液的吸附量高。本发明在妥当处理污泥的同时，实现污泥的资源化利用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，具体包括以下步骤：
S1、混合微泡预处理，向脱水后的剩余污泥中混合添加生物炭和氧化钙，并采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥先慢速搅拌，使生物炭、氧化钙和污泥混合均匀，然后再采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥快速搅拌，使污泥产生微泡；当污泥密度降低至0.6g/cm3-0.8g/cm3时，停止搅拌，得微泡污泥；
S2、微泡污泥干化，将步骤S1中进行混合微泡预处理后的微泡污泥均匀倒入小型太阳能干化装置中，微泡污泥的铺设厚度为1cm-3cm，干化温度为30℃-60℃；当微泡污泥中的微泡完全塌陷后，再使用100℃-200℃的锅炉烟气干化24h，以完全去除微泡污泥中的水分；
S3、将步骤S2中干化后的微泡污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃-650℃，并保温2h，制得污泥基生物炭，待回转窑中温度降至室温，取出污泥基生物炭。
进一步地，步骤S1中采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥先慢速搅拌的转速为自转35-55r/min，公转110-145r/min；采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥快速搅拌的转速为自转150-190r/min，公转400-450r/min。
进一步地，步骤S1中所述的生物炭能够通过20-60目的筛孔。
进一步地，步骤S1中生物炭在生物炭、氧化钙和污泥三者中的占比为2-5wt％，氧化钙在生物炭、氧化钙和污泥三者中的占比为2-5wt％。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中通过向剩余污泥中混合添加生物炭和氧化钙进行微泡预处理，便于增加微泡污泥的厚度，减少污泥中微泡的塌陷，从而提高了干化效率；
2、本发明使用太阳能和锅炉烟气作为热源干化污泥，能够减少污泥干化能耗，且在相同微泡污泥厚度、污泥降低至相同含水率条件下，可减少污泥的干化时间；
3、相比于现有的污泥微泡干化后热解制得的污泥基生物炭，本发明制得的污泥基生物炭能够提升对相同浓度的铅离子溶液的吸附量，且本发明在妥当处理污泥的同时，便于实现污泥的资源化利用。
附图说明
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中实施例1-3、对比例1-3污泥基生物炭对铅离子的吸附量柱状图。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、混合微泡预处理，向脱水后的剩余污泥中混合添加生物炭和氧化钙，并采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥先慢速搅拌，使生物炭、氧化钙和污泥混合均匀，然后再采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥快速搅拌，使污泥产生微泡；当污泥密度降低至0.6g/cm3-0.8g/cm3时，停止搅拌，得微泡污泥；
S2、微泡污泥干化，将步骤S1中进行混合微泡预处理后的微泡污泥均匀倒入小型太阳能干化装置中，微泡污泥的铺设厚度为1cm-3cm，干化温度为30℃-60℃；当微泡污泥中的微泡完全塌陷后，再使用100℃-200℃的锅炉烟气干化24h，以完全去除微泡污泥中的水分；
S3、将步骤S2中干化后的微泡污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃-650℃，并保温2h，制得污泥基生物炭，待回转窑中温度降至室温，取出污泥基生物炭。
实施例1
一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，包括以下步骤：向脱水后的剩余污泥混合添加2wt％油茶壳生物炭(20-60目)和2wt％氧化钙，使用搅拌机先慢速搅拌(自转35±5r/min，公转110±5r/min)3min，使油茶壳生物炭、氧化钙和污泥混合均匀。再快速搅拌(自转150±5r/min，公转400±5r/min)使污泥产生微泡。当污泥密度降低至0.65g/cm3时，停止搅拌。将混合微泡预处理后的污泥均匀倒入小型太阳能干化装置中，微泡污泥的厚度为2cm，干化温度为40℃。当污泥中的微泡完全塌陷后，再使用105℃的锅炉烟气干化24h，以完全去除污泥中的水分。将干化后的污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃，保温2h。待回转窑中温度降至室温，取出生物炭。将制得的污泥基生物炭样品标记为COSC-FSC-550。
实施例2
一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，与实施例1的基本相同，区别在于：混合添加2wt％木屑生物炭(40-60目)和2wt％的氧化钙；热解温度为600℃；得到污泥基生物炭，样品标记为SC-FSC-600。
实施例3
一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，与实施例1的基本相同，区别在于：混合添加2wt％竹炭(20-40目)和2wt％的氧化钙；热解温度为650℃；得到污泥基生物炭，样品标记为BC-FSC-650。
对比例1
向脱水后的剩余污泥添加2wt％氧化钙，使用搅拌机先慢速搅拌(自转35±5r/min，公转110±5r/min)3min，使氧化钙和污泥混合均匀。再快速搅拌(自转150±5r/min，公转400±5r/min)使污泥产生微泡。当污泥密度降低至0.65g/cm3时，停止搅拌。将混合微泡预处理后的污泥均匀倒入小型太阳能干化装置中，微泡污泥的厚度为2cm，干化温度为30℃。当污泥中的微泡完全塌陷后，再使用105℃的锅炉烟气干化24h，以完全去除污泥中的水分。将干化后的污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃，保温2h。待回转窑中温度降至室温，取出生物炭。将制得的污泥基生物炭样品标记为FSC-550。
对比例2
与对比例1基本相同，区别在于热解温度为600℃；得到污泥基生物炭，样品标记为：FSC-600。
对比例3
与对比例1基本相同，区别在于热解温度为650℃；得到污泥基生物炭，样品标记为：FSC-650。
对比例4
将剩余污泥直接干化，为了考察不同方法制备的污泥基生物炭的吸附性能，选用环境中常见的重金属-铅离子溶液，配制100mg/g的铅离子溶液，设置动态吸附实验。准确称取50mg生物炭于250mL具塞锥形瓶中，加入50mL铅离子溶液，在工作参数30℃、150rpm的恒温摇床中振荡24h，并用0.45μm滤头固液分离。使用ICP仪器测定溶液中剩余铅离子浓度，计算吸附量。
如图2所示，本发明实施例1-3、对比例1-3制备的污泥基生物炭对铅离子的吸附量大小顺序为：FSC-550＜FSC-600＜FSC-650＜COSC-FSC-550＜SC-FSC-600＜BC-FSC-650。以上结果表明，本发明提出的混合微泡干化耦合热解制备的污泥基生物炭对铅离子的吸附性能优于传统微泡干化耦合热解制备的污泥基生物炭。并且，本发明提出的污泥混合微泡预处理后再干化相比于传统微泡预处理后干化，在相同的干化条件下，可节约20％以上的干化时间。
在本发明的上述实施例中，本发明中通过向剩余污泥中混合添加生物炭和氧化钙进行微泡预处理，微泡污泥的厚度增加了一倍，减少了污泥中微泡的塌陷，从而提高了干化效率。同时，本发明使用太阳能和锅炉烟气作为热源干化污泥，尽可能减少了干化能耗。经过实验证明，本发明相比于现有的污泥微泡干化技术，在相同微泡污泥厚度、污泥降低至相同含水率条件下，可减少20％-30％的干化时间；相比于现有的污泥微泡干化后热解制得的污泥基生物炭，本发明制得的污泥基生物炭对相同浓度的铅离子溶液的吸附量提高10-20％；此外，本发明在妥当处理污泥的同时，能够实现污泥的资源化利用。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1、混合微泡预处理，向脱水后的剩余污泥中混合添加生物炭和氧化钙，并采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥先慢速搅拌，使生物炭、氧化钙和污泥混合均匀，然后再采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥快速搅拌，使污泥产生微泡；当污泥密度降低至0.6g/cm3-0.8g/cm3时，停止搅拌，得微泡污泥；
S2、微泡污泥干化，将步骤S1中进行混合微泡预处理后的微泡污泥均匀倒入小型太阳能干化装置中，微泡污泥的铺设厚度为1cm-3cm，干化温度为30℃-60℃；当微泡污泥中的微泡完全塌陷后，再使用100℃-200℃的锅炉烟气干化24h，以完全去除微泡污泥中的水分；
S3、将步骤S2中干化后的微泡污泥放入回转窑中，采用程序升温的方式，以5℃/min升温至550℃-650℃，并保温2h，制得污泥基生物炭，待回转窑中温度降至室温，取出污泥基生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，其特征是：步骤S1中采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥先慢速搅拌的转速为自转35-55r/min，公转110-145r/min；采用搅拌机对生物炭、氧化钙和污泥快速搅拌的转速为自转150-190r/min，公转400-450r/min。
3.根据权利要求1所述的一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，其特征是：步骤S1中所述的生物炭能够通过20-60目的筛孔。
4.根据权利要求1所述的一种混合微泡干化耦合热解制备污泥基生物炭的方法，其特征是：步骤S1中生物炭在生物炭、氧化钙和污泥三者中的占比为2-5wt％，氧化钙在生物炭、氧化钙和污泥三者中的占比为2-5wt％。
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