CN114146683A - 一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，属于污泥处理与资源化制备技术领域。本发明采用二氧化碳或其与氮气的混合气作为无氧热解氛围，替代传统的氮气氛，将二氧化碳作为活化剂，促进挥发性有机物的裂解，降低焦油的产率，显著提高污泥炭基产品的孔隙率的同时，二氧化碳增强有机物裂解还导致了更强的浓缩效应，使得非晶态铝在炭基产品中的相对含量更高，增加更多的磷吸附位点，使其对有机染料亚甲基蓝和磷酸盐具有较高的吸附量，可用于水环境中污染物的去除。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，属于污泥处理与资源化制备技术领域。
背景技术
混凝沉淀法作为一种简易高效的深度处理工艺被广泛应用，该工艺不可避免地产生了大量污水深度处理混凝污泥。与传统剩余活性污泥不同，混凝污泥的有毒有害物质含量低，且含有大量来自絮凝剂中的铝/铁(氢)氧化物。然而目前并未对深度处理混凝污泥进行单独有效的处理处置，而是与剩余活性污泥直接混合后进行消化、堆肥、填埋等，这不仅导致了混凝污泥中金属化合物的浪费，还增加了土壤和水体二次污染的风险，因此开发一种安全经济的混凝污泥资源化利用方式是十分必要的。
将剩余活性污泥在隔绝氧气的氛围中热解，制备用于污水处理和土壤修复的生物炭，是污泥资源化的一种重要方式。但与剩余活性污泥相比，混凝污泥中的有机物含量较低，导致产品的成孔效果不加，在一定程度上限制了热解在混凝污泥中的应用。因此，为了获得多功能、高吸附量的混凝污泥基炭产品，开发一种适用于混凝污泥的热解方法并实现其资源化具有重要意义。
发明内容
本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法。
本发明的技术方案：
一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，将混凝污泥进行干燥、破碎、过筛处理，获得粉末污泥材料；
步骤2，将粉末污泥材料在二氧化碳或无氧含有二氧化碳的保护气氛围下热解，得到深度处理混凝污泥基生物炭。
进一步限定，混凝污泥为污水处理厂二沉池出水经絮凝剂混凝沉淀深度处理后的污泥。
进一步限定，絮凝剂为铝盐、聚铝、聚铁、聚铝铁、聚硅酸铝、聚硅酸铁或聚硅酸铝铁中的任意一种或两种以上的任意比例混合。
进一步限定，干燥温度为60℃-105℃。
进一步限定，粉末污泥材料粒度为0.15mm-5mm。
进一步限定，热解过程为：将粉末污泥材料置于管式炉或热解炉内，向炉内持续通入二氧化碳或无氧含有二氧化碳的保护气维持无氧环境，以5-10℃/min的速率升温至300℃-700℃，恒温热解0.5h-3h，并在持续通入惰性气体的条件下自然冷却至25±2℃。
进一步限定，二氧化碳保护气纯度为99.5％以上。
进一步限定，无氧含有二氧化碳保护气为二氧化碳和氮气以任意比例混合的混合气。
更进一步限定，二氧化碳为高纯二氧化碳或无氧且富含二氧化碳的烟气或废气。
上述方法获得的深度处理混凝污泥基生物炭用于水中有机和无机污染物的吸附。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明以污水深度处理混凝污泥为原料，在无氧环境中热解，可以减少污泥体积、分解有机污染物、杀死病原微生物并钝化重金属，降低对生态环境安全的风险，实现混凝污泥的无害化、减量化。同时还可以获得安全的多功能吸附材料，回用于水中多种有机和无机污染物的吸附，达到“以废制废”的目的，实现污水深度处理混凝污泥的资源化回用。
(2)本发明采用的污水深度处理混凝污泥，具有较为发达的微孔结构、较大的比表面积，因此热解后的炭产品具备传统生物炭强大的有机物和阳离子吸附能力。除此之外，混凝污泥炭基材料还具备很高的磷酸盐吸附能力，因为其本身具备高浓度非晶态的铝/铁(氢)氧化物。混凝污泥的此特性使其不需要额外负载镧、铁、铝等金属氧化物，制备流程更简单，操作简便，减少物耗。
(3)本发明采用二氧化碳或其与氮气的混合气作为无氧热解氛围，替代传统的氮气氛。其中二氧化碳作为活化剂，可以促进挥发性有机物的裂解，降低焦油的产率，显著提高污泥炭基产品的孔隙率。
该污泥炭基吸附剂的比表面积较氮气氛围中的混凝污泥炭提升率>35％，较原始污泥提升率>50％，有利于提高炭基产品的吸附性能。此外，二氧化碳增强有机物裂解导致了更强的浓缩效应，使得非晶态铝在炭基产品中的相对含量更高，因此本发明产品比氮气氛围产品含有更多的磷吸附位点。
(4)本发明将制备的污水深度处理混凝污泥炭基产品回用于水环境中污染物的去除，对重金属铅离子去除率达90％以上，对有机染料亚甲基蓝和磷酸盐的吸附量高于10mg/g，且吸附后的污染物可在污泥炭基材料中有效固定，不易解吸。
附图说明
图1为实施例1获得的生物炭的SEM照片；
图2为实施例2获得的生物炭的SEM照片；
图3为对比例1获得的生物炭的SEM照片；
图4为实施例1获得的生物炭产品照片；
图5为经过步骤1处理之后的粉末污泥照片；
图6为实施例1获得的生物炭结构示意图；
图7为实施例1获得的生物炭吸附污染物示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
1)将污水深度处理混凝污泥用电热恒温鼓风干燥箱在60℃烘干至恒重，深度处理过程采用聚合氯化铝为絮凝剂；
2)将经过步骤1)处理后的深度处理混凝污泥利用研磨机研磨成粉末并过100目筛，得到粉末状污泥，粒径约0.15mm，如图5所示；
3)将经过步骤2)处理的污泥粉末置于管式炉中进行热解，热解过程中以100mL/min速率持续通入二氧化碳维持无氧环境，以10℃/min速率升温至400℃，保温热解2h；
4)在持续通入二氧化碳的条件下冷却至25±2℃，获得污水深度处理混凝污泥炭基产品，如图4所示。
对本实施例获得的炭基产品进行结构以及性能表征：
(1)采用标准毒性浸出方法(TCLP)进行重金属浸出浓度检测并与我国地表水环境质量标准(GB3838-2002)进行对比，结果如下表1所示；
表1(单位：mg L-1)
| 重金属 | Cu | Mn | Pb | Cd | Zn | Al |
| 混凝污泥炭基产品 | n.d.* | 0.015 | n.d. | n.d. | 0.012 | 0.349 |
| GB3838-2002 | 1.0 | 0.1 | 0.1 | 0.01 | 2.0 | n.r.** |
*未检出；**未规定
由上表可知，本方法制备的深度处理污泥炭基产品的浸出毒性风险很低，符合相关标准，能够保证生态安全。
(2)对本实施例获得的炭基产品进行表面形貌、多孔性和元素含量进行表征，其中，SEM照片，如图1所示，由图1可知，该产品具有粗糙多孔的不规则表面。基础物化性质见下表2所示；
表2
(3)对本实施例获得的炭基产品进行重金属、染料和磷的静态吸附实验，实验结果如下：
该炭基产品对重金属代表性物质铅的吸附能力为37mg g-1，对亚甲基蓝的吸附量为14mg g-1，对磷的吸附能力为16mg-P g-1，且清水中磷、铅和重金属的解吸量均小于吸附总量的5％。
对比例1：
本对比例与实施例1不同处为热解气氛为氮气，其余操作步骤与实施例1相同。
对本对比例获得的炭基产品进行结构以及性能表征：
(1)采用标准毒性浸出方法(TCLP)进行重金属浸出浓度检测并与我国地表水环境质量标准(GB3838-2002)进行对比，结果显示炭基产品无生态毒性风险。
(2)对本对比例获得的炭基产品进行表面形貌、多孔性和元素含量进行表征，其中，SEM照片，如图3所示，由图3可知，该对比例产品具有粗糙的不规则表面，但与实施例1相比略致密。基础物化性质见下表3所示；
表3
对比表2和表3可知，实施例1在二氧化碳氛围获得的混凝污泥炭的比表面积、总孔容积均高于氮气氛围获得的混凝污泥炭，且二氧化碳氛围获得的混凝污泥炭中代表芳香性的氢碳比为0.21，具备较高的稳定性。
(3)对本对比例获得的炭基产品进行重金属、染料和磷的静态吸附实验，实验结果如下：
该炭基产品对磷的静态吸附能力为11.5mg-P g-1，对重金属代表性物质铅的静态吸附量为12mg g-1。该炭基产品对磷的吸附能力为13mg-P g-1，对重金属代表性物质铅的吸附能力为33mg g-1，对亚甲基蓝的吸附量为17mg/g-1。
与实施例1对比可知，本对比例获得的炭基产品的磷吸附量比实施例1中的产品低18％，这是由于实施例1制备的生物炭比表面积大，具备丰富的孔道结构，大量的非晶态铁铝和官能团为多种污染物吸附提供活性位点，如图6和图7所示。
实施例2：
本实施例与实施例1不同处为：热解恒定温度为700℃，其余操作步骤与实施例1相同。
本实施例获得的深度处理污泥炭基产品无生态毒性风险，SEM照片如图2所示，该产品具有粗糙的不规则表面，BET比表面积为135.09m2 g-1，总孔容积为0.191cm3 g-1。该产品对磷的静态吸附能力为12mg-P g-1，对重金属代表性物质铅的静态吸附量为34mg g-1，对亚甲基蓝的吸附量为15mg g-1。
Claims (10)
1.一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将混凝污泥进行干燥、破碎、过筛处理，获得粉末污泥材料；
步骤2，将粉末污泥材料在二氧化碳或无氧含有二氧化碳的保护气氛围下热解，得到深度处理混凝污泥基生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的混凝污泥为污水处理厂二沉池出水经絮凝剂混凝沉淀深度处理后的污泥。
3.根据权利要求2所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的絮凝剂为铝盐、聚铝、聚铁、聚铝铁、聚硅酸铝、聚硅酸铁或聚硅酸铝铁中的任意一种或两种以上的任意比例混合。
4.根据权利要求1所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的干燥温度为60℃-105℃。
5.根据权利要求1所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的粉末污泥材料粒度为0.15mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的热解过程为：将粉末污泥材料置于管式炉或热解炉内，向炉内持续通入二氧化碳或无氧含有二氧化碳的保护气维持无氧环境，以5-10℃/min的速率升温至300℃-700℃，恒温热解0.5h-3h，并在持续通入惰性气体的条件下自然冷却至25±2℃。
7.根据权利要求1或6所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的二氧化碳保护气纯度为99.5％以上。
8.根据权利要求1或6所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的无氧含有二氧化碳保护气为二氧化碳和氮气以任意比例混合的混合气。
9.根据权利要求8所述的一种利用污水深度处理混凝污泥制备炭基吸附材料的方法，其特征在于，所述的二氧化碳为高纯二氧化碳或无氧且富含二氧化碳的烟气或废气。
10.权利要求1所述的方法获得的深度处理混凝污泥基生物炭用于水中有机和无机污染物的吸附。
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