CN114349545A - 电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法，该方法包括：将污泥烘干并粉碎过筛，得到第一污泥；将第一污泥置于含有电解液的反应器中，施加第一电压进行电动反应，烘干粉碎后得到第二污泥；将第二污泥放入到热解反应器内，在惰性气体保护下，以第一升温速率将第二污泥的温度升温至第一温度，并在第一温度下进行热解反应得到污泥炭肥。

Description

电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法

技术领域

本公开属于固体废弃物资源化利用与环境保护领域，具体涉及一种电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法。

背景技术

随着经济的发展，废水排放量和污水处理设施日益增多。污泥产量虽与日俱增，但我国目前的污泥处理的能力却严重不足。现有的厌氧消化、焚烧等处置技术较为落后，装置结构复杂，耗能高，且资源化利用率不达标。

市政污泥中含有丰富的植物生长所需的磷元素，且较猪粪、秸秆类生物质原料高出2/3以上，具有较高的农用价值。但是，污泥中的磷元素多以无机磷的形式存在，难以直接回收利用。

市政污泥作为污水处理的副产物，在含有营养元素的同时，也含有大量的有毒有害物质，如重金属、有机污染物(多环芳烃、多氯联苯)等，具有较强的污染性质。重金属离子具有易富集、易迁移等特点，若未得到妥善处置，污泥中的有害物质会释放到环境中，对水资源、土壤、空气造成污染，甚至危害人体健康。污泥中重金属的去除方法有：化学萃取、微生物浸出、植物修复等。化学法的药剂消耗较大，且对于后续资源化利用存在很大有影响；微生物法对培养条件的要求较为苛刻，难以进行大规模推广应用；而植物修复法存在耗时周期长等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本公开提供了一种电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法，以期至少部分地解决上述技术问题。

为了解决上述技术问题，本公开的技术方案如下：

一种电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法，包括：

将污泥烘干并粉碎过筛，得到第一污泥；

将上述第一污泥置于含有电解液的反应器中，施加第一电压进行电动反应，烘干粉碎后得到第二污泥；

将上述第二污泥放入到热解反应器内，在惰性气体保护下，以第一升温速率将上述第二污泥的温度升温至第一温度，并在上述第一温度下进行热解反应得到第三污泥。

在其中一个实施例中，将上述第一污泥置于反应器中进行电动反应，还包括：

向上述反应器中加入无机盐或生物表面活性剂；

上述无机盐或上述生物表面活性剂的浓度范围包括：0.1～1mol/kg。

在其中一个实施例中，上述无机盐包括水溶性铁盐、碱金属盐和碱土金属盐中的至少一种；

上述生物表面活性剂包括茶皂素、单宁酸、胆酸钠、鼠李糖脂、槐糖脂中的任意一种。

在其中一个实施例中，上述施加第一电压范围包括：16～24V；

上述第一电压梯度范围包括：1～1.6V/cm；

上述第一污泥电动反应第一段时间范围包括：120～144小时。

在其中一个实施例中，上述惰性气体包括：氮气、氩气；

上述第一升温速率包括：5～10℃/min；

上述热解反应的第一温度范围包括：300～700℃；

上述热解反应的时间范围包括：1～2小时。

在其中一个实施例中，上述反应器还包括用于容纳循环储备液的储液罐和电极池。

在其中一个实施例中，上述电动反应的电解液包括：磷酸二氢钾缓冲溶液；

上述电解液的浓度范围包括：0.1～1mol/L。

在其中一个实施例中，上述电动反应中使用的电极是镀钌铱钛板。

在其中一个实施例中，上述污泥包括以下至少之一：市政污泥、脱硫污泥、印染污泥。

本公开还提供了一种采用上述实施例中的方法制备的污泥炭肥。

从上述技术方案可以看出，本公开提供的一种电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法，至少具有以下之一的有益效果：

(1)在本公开的实施例中，将污泥烘干可以有效去除污泥中的水分，杀死污泥中的细菌减少异味的产生。将烘干后的污泥放到反应器中，在施加电场的作用下进行电动反应，促使污泥中的重金属离子从稳定态向易迁移的活泼态转换，重金属离子因与溶液中的氢氧根离子发生离子交换，实现污泥中的重金属离子的去除，有效降低了污泥的毒性，进而得到了符合农业使用标准的第二污泥。

(2)在本公开的实施例中，在电动反应去除重金属的过程中，污泥中的磷存在形态和含量也发生了变化，污泥中的无机磷含量增加，污泥中磷存在形态转变为植物容易吸收的NaOH-P、NaHCO₃-P形态，实现了污泥中磷元素的回收利用。最后，将第二污泥放到热解反应器内进行热解炭化，因热解反应过程中温度的变化以及第二污泥的pH对污泥中的磷在热解炭化过程中产生进一步的影响，从而得到环保型且含磷丰富容易被植物吸收的污泥炭肥。

(3)在本公开的实施例中，在电动反应中加入无机盐或生物表面活性剂，因无机盐或生物表面活性剂与重金属离子进行反应生成了络合物，有效脱除了污泥中的重金属离子，从而进一步降低污泥和污泥炭肥的生物毒性。

(4)在本公开的实施例中，利用本公开提出的电动法联合热解制备污泥炭肥的方法，所制得的污泥炭肥具有优良的环保性能及营养元素回收利用价值。实现了废弃物的资源化与无害化利用，具有较大的工业发展潜力和较好的市场应用前景。

附图说明

图1是本公开实施例中电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法的流程示意图；

图2是本公开实施例中电动反应装置的示意图；

图3是本公开实施例1原污泥微观形貌扫描电镜图；

图4是本公开实施例2电动处理后污泥的微观形貌扫描电镜图；

图5是本公开实施例3在电动反应过程中加入氯化镁处理后污泥微观形貌扫描电镜图；

图6是本公开实施例4在电动反应过程中加入茶皂素处理后污泥微观形貌扫描电镜图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方案，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

污泥热解技术可实现污泥的减量化、资源化和能源化，具有巨大环境和经济效益。污泥主要产物生物炭是一种多孔固体物质，其含有丰富的氮、磷、钾等影响植物生长的元素，在土壤肥力改良、环境修复等方面有巨大应用的潜力。但是，污泥中因含有大量的重金属离子，在热解过程中，重金属离子大多数容易富集在固体中，重金属离子的存在影响了污泥炭肥在农业上的应用。因此，欲将污泥生物炭肥作为富磷炭肥进行应用，需将污泥中的重金属进行去除，以避免其带来的潜在生态污染风险。

电动处理技术则是在电场作用下，通过电解析、电迁移、电渗透和电泳等化学反应，促使污泥中的重金属离子从稳定态向易迁移的活泼态转换，因重金属离子与溶液中的氢氧根离子发生离子交换，迁移至阴阳极的溶液中，实现了重金属离子的去除。因此，本公开具体提供了一种电动法联合热解法制备污泥炭肥及其方法，利用电动反应先去除污泥中的重金属离子，在电动反应中加入无机盐或生物表面活性剂，如氯化铁或茶皂素等可以有效增强重金属离子的去除效率，进一步降低污泥的生物毒性。同时，在电动处理污泥的过程中，将磷转化为植物容易吸收的NaOH-P、NaHCO₃-P形态，有效改善污泥中的磷存在形态。将电动处理后的污泥与热解炭化技术相结合，一方面将污泥炭化得到含营养元素的炭肥，另一方面利用热解法进一步将污泥中的磷存在形态进行转化，得到环保型且含磷丰富的污泥炭肥，提高植物对污泥炭肥中的磷元素的利用，实现了污泥炭肥的资源化应用。

图1是本公开实施例中电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法的流程图。

如图1所示，电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法的流程操作包括：步骤S101～步骤S104。

在步骤S101，将污泥烘干粉碎过筛，得到第一污泥。

根据本公开的实施例，将污泥置于105℃下进行烘干处理，可以有效去除污泥中的水分，杀死污泥中部分的微生物，减少污泥处理过程中异味的产生。接着，将污泥粉碎成粒径为0.25mm大小的颗粒，使污泥在进行电动反应中处于一个均质状态，保持反应池中污泥被施加的电压相同。

在步骤S102，将第一污泥置于含有电解液的反应器中，施加第一电压进行电动反应120～144小时。

根据本公开的实施例，对第一污泥进行电动反应处理120～144小时，经过电解析、电迁移、电渗透和电泳等化学反应，可以去除污泥中的重金属离子，降低污泥中生物毒性，同时经电动处理改变了污泥中磷存在形态，初步的将污泥中的磷转化为植物容易吸收的NaOH-P、NaHCO₃-P的形态。

在步骤S103，将电动处理后的污泥进行烘干并粉碎，得到第二污泥。

根据本公开的实施例，将电动处理后的污泥在105℃进行干燥，去除污泥中多余的水分，经粉碎后得到粒径为0.25mm大小的第二污泥颗粒，便于后续热解过程中受热均匀。

在步骤S104，第二污泥在300～700℃热解炭化，得到污泥炭肥。

根据本公开的实施例，将粉碎后的第二污泥放入热解反应器内，其中，热解反应器可以为管式炉。在惰性气体的保护下，在300～700℃温度范围内进行热解炭化的同时进一步对电动处理后污泥中的磷存在形态进行转化，进一步提高污泥中磷的回收率，得到容易被植物吸收且含磷丰富的污泥炭肥。

通过本公开的实施例，将污泥烘干可以有效去除污泥中的水分，杀死污泥中的细菌减少异味的产生。将烘干后的污泥放到反应器中，在施加电场的作用下进行电动反应，促使污泥中的重金属离子从稳定态向易迁移的活泼态转换，重金属离子因与溶液中的氢氧根离子发生离子交换，实现污泥中的重金属的去除，降低了污泥中的生物毒性，进而得到符合农业使用标准的第二污泥。同时，在电动处理污泥的过程中，有效改善了污泥中的磷存在形态和磷含量，将磷转化为植物容易吸收的形态。最后，将第二污泥放到热解反应器内进行热解炭化，一方面将磷进一步纯化和污泥中磷存在形态的转变，另一方面利用热解反应将污泥炭化，得到环保型且含磷丰富容易被植物吸收的污泥炭肥，实现由污泥制备的污泥炭肥在农业上的应用。

根据本公开的实施例，在步骤S102中，将第一污泥置于反应器中进行电动反应，还包括：向反应器中加入无机盐或生物表面活性剂。

根据本公开的实施例，在进行电动反应之前，向反应池中按照1：3的比例加入第一污泥和去离子水，以保证每一个实验的反应条件相同。同时，调节电解液的液面高度与第一污泥液面高度相同，保证溶液中离子正常的迁移。

通过本公开的实施例，在电动处理污泥的反应过程中，加入的无机盐或生物表面活性剂可以与重金属离子相络合，从而提高污泥中重金属离子的去除效率，降低污泥中的生物毒性。

根据本公开的实施例，在第一污泥中加入无机盐或生物表面活性剂的浓度范围包括0.1～1mol/kg，可选为0.1、0.2、0.5、0.6、0.8、1.0mol/kg。

通过本公开的实施例，将无机盐或生物表面活性剂的浓度限定在0.1～1mol/kg，可以使污泥保持一定的含水率，以及防止因溶液中的电流过大使电动反应无法正常进行。

根据本公开的实施例，无机盐包括水溶性铁盐、碱金属盐和碱土金属盐中的至少一种。

根据本公开的实施例，无机盐包括以下至少之一：FeCl₃、MgCl₂、CaCl₂、NaNO₃。

根据本公开的实施例，生物表面活性剂包括以下至少之一：茶皂素、单宁酸、胆酸钠、鼠李糖脂、槐糖脂。

根据本公开的实施例，施加第一电压范围包括：16～24V，其中，电压可选16、18、20、22、24V。

根据本公开的实施例，第一电压梯度范围包括：1、1.2、1.4、1.6V/cm。

通过本公开的实施例，因污泥本身含有一定的阻力，以及基于后续需加入无机盐或生物表面活性剂的工作条件和溶液中电阻的考虑，所以需要将电压控制在16～24V，以保证电压梯度在1～1.6V/cm范围内，使电动反应正常进行。

根据本公开的实施例，第一污泥电动的反应的时间范围包括：120、124、128、130、138、140、144小时等。

通过本公开的实施例，将第一污泥进行充分的电动反应，可以有效的去除污泥中的重金属离子，但是延长电动处理污泥的时间，污泥中的重金属离子并没有得到显著的去除，所以从经济角度考虑优选120小时。

根据本公开的实施例，在步骤S104中，热解炭化的惰性气体包括：氮气或氩气中任意一种。

根据本公开的实施例，热解反应的第一升温速率包括：5～10℃/min，可选为5、6、7、8、9、10℃/min等。

根据本公开的实施例，热解反应的第一温度范围包括：300～700℃，可选为300、350、400、450、500、550、600、650、700℃等。

根据本公开的实施例，热解反应的时间范围包括：1～2小时，可选为1、1.5、2小时等。

通过本公开的实施例，将粉碎后的第二污泥置于热解反应器内，以5～10℃/min的升温速率，将温度升至300～700℃，并在此温度下热解1～2小时，可以进一步使污泥中的磷存在形态和含量发生改变，并使污泥中炭肥和磷肥以稳定的存在形式，提高磷的回收利用率。

根据本公开的实施例，反应器还包括用于容纳循环储备液的储液罐和电极池。

图2是本公开实施例中电动反应装置的示意图。

如图2所示，反应器包括一个反应池，在反应池的两侧分别设置两个电极池，两个电极池分别连接循环储液罐，通过蠕动泵连接并向电极池内通入磷酸二氢钾溶液，以保证电极池和反应池内的pH稳定。反应池和电极池之间由法兰连接并在电极池和反应池中间放置阳离子膜隔开，防止污泥进入电极池。反应池内连接有磁力搅拌器，磁力搅拌器的速度设置为200～400r/min的转速搅拌以保证反应池中的污泥为均一状态。两个电极池内分别插入一块电极，电极之间通过导线连接直流电源。

通过本公开的实施例，因在电动反应过程中水分解H⁺和OH^-的产生，OH^-会发生迁移并与溶液中的重金属进行反应，使溶液中的pH发生改变，在电极池中通入磷酸二氢钾缓冲溶液的循环储备液，可以避免污泥中产生过多的重金属沉淀，使溶液的pH稳定在一定值，并保持反应池中溶液一直是新鲜的。

根据本公开的实施例，电动反应的电解液包括：磷酸二氢钾缓冲溶液；

电解液的浓度范围包括：0.1～1mol/L，可选为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mol/L等。

根据本公开的实施例，电动反应中使用的电极是镀钌铱钛板。

通过本公开的实施例，选用镀钌铱钛板是因它的化学性质稳定不容易与重金属离子或金属氧化物发生反应产生络合物，而且镀钌铱钛板本身具有良好的导电性能，可以长时间循环使用。

根据本公开的实施例，污泥包括以下至少之一：市政污泥、脱硫污泥、印染污泥。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合实施例对本公开进行举例说明，所举实施例只用于解释本公开，并非用于限定本公开的范围。

本公开实施例中的重金属含量采用HNO₃-HF-HClO₄三酸消解法进行消解并利用ICP-MS设备进行检测，磷含量采用H₂O-NaHCO₃-NaOH-HCl顺序提取法并利用磷钼蓝显色法，紫外分光光度计进行测定。磷的形态主要包括固相总磷、无机磷和有机磷，以及H₂O池磷(H₂O-P)、NaHCO₃池磷(NaHCO₃-P)、NaOH池磷(NaOH-P)、HCl池磷(HCl-P)、残渣池磷(残渣-P)。

实施例1

将污水处理厂剩余污泥于105℃烘干(约400g)，去除污泥中的水分和杀死部分细菌，并用粉碎机破碎使其粒径为0.25mm得到原污泥。接着，将粉碎后的原污泥放入到管式炉内，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率升温至在400℃，并在此温度反应2小时。冷却后取出，干燥粉碎后即得到原污泥炭肥。

经测试，原污泥中磷含量为16.17mg/g，无机磷含量为9.54mg/g，有机磷含量为6.64mg/g；原污泥炭肥中磷含量为29.94mg/g，无机磷含量为27.65mg/g，有机磷含量为2.29mg/g。

图3是本公开实施例1原污泥微观形貌扫描电镜图。

如图3所示，未经电动处理的原污泥的比表面积较小，孔径较大。

实施例2

将污水处理厂剩余污泥于105℃烘干(约400g)，去除污泥中的水分和杀死部分细菌，并用粉碎机破碎使其粒径为0.25mm得到第一污泥，使污泥在进行电动反应中处于一个均质状态，保持反应池中污泥被施加的电压相同。向反应池中加入污泥:水＝1:3，保证每一个实验的条件相同。向电动反应器中添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液至电极池中，且与第一污泥液面持平。将电动反应的实验参数设置直流电源电压为24V，保持电压梯度为1.6V/cm，设磁力搅拌器转速为300r/min，并向反应池中添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液为储备液，每24h更换储备液，并设置蠕动泵流速3-5mL/min，运行120小时后，将污泥于105℃烘干并研磨过筛，得到第二污泥。将粉碎后的第二污泥放入管式炉内，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率升温至400℃，并在此温度下反应2小时。冷却后取出，干燥粉碎即得到污泥炭肥。

经测试，仅电动处理后，污泥的pH为3.9，第二污泥中磷含量为17.87mg/g，无机磷含量为12.75mg/g，有机磷含量为5.12mg/g。电动处理污泥后热解法制备的污泥炭肥pH为5.88，含碳量为48.02％，含氮量为4.08％，磷含量为30.87mg/g，无机磷含量为22.06mg/g，有机磷含量为8.82mg/g。

图4是本公开实施例2电动处理后污泥的微观形貌扫描电镜图。

如图4所示，经电动处理后污泥的孔径相较于原污泥(实施例1)的孔径略有提升，孔隙增多。

实施例3

将污水处理厂剩余污泥于105℃烘干(约400g)，去除污泥中的水分和杀死部分细菌，并用粉碎机破碎使其粒径为0.25mm得到第一污泥，使污泥在进行电动反应中处于一个均质状态，保持反应池中污泥被施加的电压相同。向反应池中加入污泥:水＝1:3与0.1mol/kg的氯化镁(MgCl₂)无机盐，保证每一个实验的条件相同。向电动反应器中添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液至电极池中，且与第一污泥液面持平。将电动反应的实验参数设置直流电源电压为24V，保持电压梯度为1.6V/cm，设磁力搅拌器转速为300r/min，并向反应池中添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液为储备液，每24h更换储备液，并设置蠕动泵流速3-5mL/min，运行120小时后，将污泥于105℃烘干并研磨过筛，得到第二污泥。将粉碎后的第二污泥放入管式炉内，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率加热至400℃，并在此高温度反应2小时。冷却后取出，干燥粉碎即得到污泥炭肥。

经测试，在电动处理过程中加入氯化镁无机盐，污泥的pH为2.7，第二污泥中磷含量为17.99mg/g，无机磷含量为12.84mg/g，有机磷含量为5.16mg/g。在电动处理污泥过程中加入无机盐氯化镁热解制备的污泥炭肥的pH为3.81，含碳量为49.21％，含氮量为4.33％，磷含量为31.42mg/g，无机磷含量为23.31mg/g，有机磷含量为8.1mg/g。

图5是本公开实施例3在电动反应过程中加入氯化镁处理后污泥微观形貌扫描电镜图。

如图5所示，加入氯化镁无机盐电动处理后的污泥，与实施例2中的污泥相比，孔隙减少，比表面积有所降低，其原因是部分的氯化镁黏附于污泥表面，但是依旧高于原污泥。

实施例4

将污水处理厂剩余污泥于105℃烘干(约400g)，去除污泥中的水分和杀死部分细菌，并用粉碎机破碎使其粒径为0.25mm得到第一污泥，使污泥在进行电动反应中处于一个均质状态，保持反应池中污泥被施加的电压相同。向反应池中加入污泥:水＝1:3与0.1mol/kg的茶皂素(C₃₀H₆O₆)生物表面活性剂，保证每一个实验的条件相同。向电动反应器中添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液至电极池中，且与第一污泥液面持平。将电动反应的实验设置直流电源电压为24V，保持电压梯度为1.6V/cm，设磁力搅拌器转速为300r/min，添加0.1mol/L磷酸二氢钾缓冲液为储备液，每24h更换储备液，并设置蠕动泵流速3-5mL/min，运行120小时后，将污泥于105℃烘干并研磨过筛，得到第二污泥。将粉碎后的第二污泥放入管式炉内，通入惰性气体，以5℃/min的升温速率加热至400℃，并在此高温度反应2小时。冷却后取出，干燥粉碎即得到污泥炭肥。

经测试，在电动处理过程中加入茶皂素表面活性剂，污泥的pH为3.67，第二污泥中磷含量为19.12mg/g，无机磷含量为14.56mg/g，有机磷含量为4.55mg/g。在电动处理污泥过程中加入生物表面活性剂茶皂素热解制备的污泥炭肥pH为6.44，含碳量为48.78％，含氮量为3.89％，磷含量为33.46mg/g，无机磷含量为22.38mg/g，有机磷含量为11.08mg/g。

图6是本公开实施例4在电动反应过程中加入茶皂素处理后污泥微观形貌扫描电镜图。

如图6所示，加入生物表面活性剂茶皂素进行电动处理后的污泥，与实施例2中的污泥相比，孔隙减少，比表面积略微降低，但是依旧高于原污泥，其原因是部分的茶皂素黏附于污泥表面。加入茶皂素与加入氯化镁电动处理后的污泥孔径、比表面积相差不大。

表1.电动处理污泥前后制备污泥炭肥的理化性质及表观结构变化

由表1可知，经过电动反应和不经过电动反应处理后的污泥制备的炭肥相对比，发现灰分没有明显的变化，说明电动处理污泥制备的炭肥中的无机成分没有发生变化，没有无机物的流失。电动修复后的污泥pH值显著降低，但其主要的化合物组分不变，SiO₂与MgO等降低1.5-4％。未经电动处理的污泥制备的炭肥(实施例1)的比表面积较小，为9.82m²/g，孔径较大；而经电动处理的污泥制备的炭肥(实施例2～4)的比表面积都有显著的增大，孔径变小，电动处理后的污泥制备的污泥炭肥比表面积较原污泥炭肥提升了2.50-2.28倍(实施例2～4)。在电动处理中加入氯化镁无机盐或茶皂素生物表面活性剂制备的污泥炭肥比表面积(实施例3、4)略微低于仅电动处理制备的污泥炭肥(实施例2)比表面积，其原因是加入的氯化镁或茶皂素黏附于污泥炭肥的表面，导致比表面积下降。

表2电动反应对污泥中重金属去除的影响

由表2可知，在仅电动处理后，第二污泥中的重金属元素Ni、Cu、Zn、Cd、Pb去除率分别为55.31％、57.22％、57.21％、55.28与60.16％，在电动处理过程中加入氯化镁无机盐后，第二污泥中的重金属的去除率平均提升了4.29％；在电动处理过程中加入茶皂素生物表面活性剂后，第二污泥中的重金属的去除率平均提升了2.39％，电动处理后的各元素均远低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)中的A级标准。

表3.污泥炭肥的生物毒性浸出量实验

由表3可知，仅经过电动处理后污泥制得的污泥炭肥，较原污泥制备的污泥炭肥的重金属毒性浸出量降低了58.61％(Zn元素)和32.38％(As元素)。在电动处理过程中加入氯化镁无机盐，处理后的污泥制备的污泥炭肥中重金属毒性浸出量降低了93.23％(Zn)和57.98％(As)，说明无机盐的加入与重金属离子相络合，提高了重金属离子的去除率，降低了污泥中的生物毒性。在电动过程中加入茶皂素生物表面活性剂，处理污泥后制备的污泥炭肥中重金属毒性浸出量降低了64.97％(Zn)和62.09％(As)，说明生物表面活性剂也可以提高重金属的去除率。经电动处理和在电动处理过程中加入无机盐或生物表面活性剂处理后的污泥，制备的污泥炭肥毒性都远低于美国环境保护署的标准。

表4.电动处理污泥前后及污泥炭肥中磷含量变化

由表4可知，电动处理前后污泥中的总磷含量基本维持不变，且稍有增加，增加的原因可能是电动处理过程中电解液与污泥在进行离子交换循环反应过程中有磷迁入到污泥中，使得磷含量增加。仅电动处理的污泥，污泥中的无机磷含量较原污泥增加了33.72％。在电动处理过程中加入氯化镁的污泥，较原污泥中的无机磷含量增加了34.6％；在电动处理过程中加入茶皂素的污泥，较原污泥中的无机磷含量增加了52.72％，但是有机磷的含量略微降低。

将污泥热解炭化后，虽然原污泥炭肥中的含磷量较高，但是原污泥中因含有重金属离子，不能作为农业炭肥的使用。经电动处理联合热解炭化制备的污泥炭肥，其含磷量较原污泥炭肥和电动处理后污泥中的含磷量都有增加，且电动处理后的污泥炭肥中重金属含量远低于美国环境保护署的标准，可以作为农业炭肥的使用。

表5.电动处理前后污泥及污泥炭肥中磷存在形态

由表5可知，污泥和污泥炭肥中磷存在形态和含量发生了变化。在热解炭化之前，污泥中以H₂O-P的存在形态为主，但是这种H₂O-P容易被水吸收，导致磷元素流失。经热解炭化后，污泥炭肥中H₂O-P含量显著降低，有效的防止磷在水体与土壤环境中大量富集，减少磷的流失。NaHCO₃-P和NaOH-P是植物易吸收的磷形态，HCl-P和残渣-P用作其他用途。电动处理污泥后，污泥中的NaHCO₃-P和NaOH-P与原污泥相比都有一定程度的增加，其中NaOH-P增加显著。将电动处理后的污泥经热解法制备成炭肥，其含有的NaHCO₃-P和NaOH-P较原污泥制备的炭肥也有增加，其中以NaOH-P增加较为显著，说明在热解的过程中可以进一步促进污泥中的磷存在形态的转化。

实施例2中污泥炭肥NaOH-P含量是原污泥(实施例1)含量的3.2倍，与原污泥炭肥相比增加了37.81％；实施例3中泥炭肥的NaOH-P的含量是原污泥含量的5.57倍，较实施例2增加了72.27％，实施例3中污泥炭肥较原污泥炭肥增加了37.81％；实施例4污泥中的NaOH-P的含量是原污泥含量的3.7倍，实施例4中的污泥炭肥较原污泥炭肥略有增加。说明利用电动法在去除污泥中的重金属的同时，使污泥中磷存在形态发生了改变，经热解反应后可以进一步促使污泥中磷存在形态的改变，提高污泥中可利用磷元素的回收率，实现污泥的资源化应用。

实施例5

实施例5的制备方法与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是原污泥的热解炭化温度为300℃。

实施例6

实施例6的制备方法与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是原污泥的热解炭化温度为500℃。

实施例7

实施例7的制备方法与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是原污泥的热解炭化温度为600℃。

实施例8

实施例8的制备方法与实施例1的制备方法相同，唯一不同的是原污泥的热解炭化温度为700℃。

实施例9

实施例9的制备方法与实施例4的制备方法相同，唯一不同的是第二污泥的热解炭化温度为300℃。

实施例10

实施例10的制备方法与实施例4的制备方法相同，唯一不同的是第二污泥的热解炭化温度为500℃。

实施例11

实施例11的制备方法与实施例4的制备方法相同，唯一不同的是第二污泥的热解炭化温度为600℃。

实施例12

实施例12的制备方法与实施例4的制备方法相同，唯一不同的是第二污泥的热解炭化温度为700℃。

表6.不同热解温度对原污泥和电动反应过程中添加茶皂素对污泥炭化的影响

由表6可知，原污泥在热解温度为600℃下(实施例7)，制备的污泥炭肥中含磷量较高且磷形态为容易被植物吸收的形态，但是因污泥中存在重金属离子影响了其在农业中的实际应用；而在电动反应中添加茶皂素生物添加剂处理后的污泥在热解温度为600℃下(实施例11)，制备的污泥炭肥中含量较高且磷存在的形态为容易被植物吸收的NaHCO₃-P和NaOH-P形态，实现了磷的资源化利用。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动法联合热解法制备污泥炭肥的方法，包括：

将污泥烘干并粉碎过筛，得到第一污泥；

将所述第一污泥置于含有电解液的反应器中，施加第一电压进行电动反应，烘干粉碎后得到第二污泥；

将所述第二污泥放入到热解反应器内，在惰性气体保护下，以第一升温速率将所述第二污泥的温度升温至第一温度，并在所述第一温度下进行热解反应得到污泥炭肥。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第一污泥置于反应器中进行电动反应，还包括：

向所述反应器中加入无机盐或生物表面活性剂；

所述无机盐或生物表面活性剂的浓度范围包括：0.1～1mol/kg。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无机盐包括水溶性铁盐、碱金属盐和碱土金属盐中的至少一种；

所述生物表面活性剂包括茶皂素、单宁酸、胆酸钠、鼠李糖脂、槐糖脂中任意一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加第一电压范围包括：16～24V；

所述第一电压梯度范围包括：1～1.6V/cm；

所述第一污泥电动反应第一段时间范围包括：120～144小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述惰性气体包括：氮气或氩气中的任意一种；

所述第一升温速率包括：5～10℃/min；

所述热解反应的第一温度范围包括：300～700℃；

所述热解反应的时间范围包括：1～2小时。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应器还包括用于容纳循环储备液的储液罐和电极池。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电动反应的电解液包括：磷酸二氢钾缓冲溶液；

所述电解液的浓度范围包括：0.1～1mol/L。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电动反应中使用的电极是镀钌铱钛板。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述污泥包括以下至少之一：市政污泥、脱硫污泥、印染污泥。

10.一种采用如权利要求1～9所述中任一项的方法制备的污泥炭肥。

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