CN114570329A - 一种污泥生物炭的制备工艺及其应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种污泥生物炭的制备工艺及其应用，涉及污泥无害化资源化利用领域。本申请首先公开了一种污泥生物炭的制备工艺，包括以下工艺步骤：S1、污泥干燥，将污泥烘干脱水，得到烘干污泥；S2、污泥粉碎，将烘干污泥进行粉碎，粉碎完成后过筛得到粉碎污泥；S3、污泥混合，在粉碎污泥中加入添加剂，得到污泥混合物，所述添加剂主要包括柠檬酸和羧甲基纤维素钠；S4、污泥炭化，将步骤S3中得到的污泥混合物进行缺氧热解，得到污泥生物炭。本申请进一步公开了上述的制备工艺制得的污泥生物炭在污水处理中的应用。本申请以一步煅烧的方式，即可获得吸附性能良好的污泥生物炭，后续无需进一步活化、洗涤处理，从而降低二次污染的效果。

Description

一种污泥生物炭的制备工艺及其应用
技术领域
本申请涉及污泥无害化资源化利用领域，尤其是涉及一种污泥生物炭的制备工艺。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城市污水收集率和市政污水处理量逐年稳步提高，相应的，城市污水处理厂产生的市政污泥量也急剧增加，因此，如何将经过处理的污泥多途径资源化利用，是解决污泥问题的重要方向。目前，我国的污泥处理工艺大多是填埋、干化、焚烧等，填埋处理需要占用大量宝贵的土地资源，并且还会造成新的二次污染问题；污泥干化和焚烧技术又面临着投资大、能耗高、运行成本高、日常运行维护复杂等突出问题。
活性炭是采用优质煤、木屑、果壳、椰壳等材质为原料，经过适当的工艺过程生产的炭基吸附材料，由于其巨大的比表面积、优良的吸附性能和稳定的物理化学性质，因此被广泛应用于工业、农业、军事防护和人们日常生活等各个领域，如脱色精制、水处理、饮用水深度净化、气体分离精制、空气净化、有毒有害气体脱除、催化剂和催化剂载体等。但是，活性炭生产需要消耗大量的煤炭、木材等宝贵的不可再生资源，因此，如果有其他替代材料生产高性能吸附材料将大大降低对煤炭等资源消耗。
近年来，以污泥制备生物炭是一种污泥的新型利用途径，也被认为是一种极具发展前景的污泥无害化资源化综合利用方向。但是污泥也存在明显的缺点，污泥与传统生物炭原材料相比，含碳量较低，灰分含量较高，因而在成孔率和成碳率上都难以赶超传统活性炭，这也影响到其表面孔隙结构。也正因此，污泥生物炭往往吸附性能较差。
因此，污泥生物炭一般还需要进行活化或者改性(两步法生产，先高温热解炭化，再活化)，以提高污泥生物炭的吸附性能。常用的活化方式包括物理活化、化学活化、物理-化学活化，其中以化学活化方式最为普遍，主要的化学药剂包括：磷酸、氢氧化钾、碳酸钾、氯化锌、水蒸气等。
但是化学活化过程不仅需消耗大量的化学药剂，而且高温活化过程易造成化学药剂挥发而产生二次污染，另外，活化之后的生物炭需经过酸洗、水洗等过程消除未反应完全的化学品，后处理仍然可能产生二次污染。
因此，获得一种二次污染低的污泥生物炭制备方法是目前的研究热点之一。
发明内容
为了改善目前常见的污泥生物炭制备工艺需要进行活化和洗涤等后处理，因而容易产生二次污染的缺陷，本申请提供一种污泥生物炭的制备工艺及其应用。
第一方面，本申请提供一种污泥生物炭的制备工艺，采用如下的技术方案：
一种污泥生物炭的制备工艺，包括以下工艺步骤：
S1、污泥干燥，将污泥烘干脱水，得到烘干污泥；
S2、污泥粉碎，将步骤S1中得到的烘干污泥进行粉碎，粉碎完成后过筛得到粉碎污泥；
S3、污泥混合，在步骤S2得到的粉碎污泥中加入添加剂，得到污泥混合物，所述添加剂主要包括柠檬酸和羧甲基纤维素钠；
S4、污泥炭化，将步骤S3中得到的污泥混合物进行缺氧热解，得到污泥生物炭。
通过采用上述技术方案，柠檬酸是一种重要的有机酸，污泥在缺氧条件下热解炭化时，柠檬酸一方面能够对无机灰分进行刻蚀，从而形成层状的堆砌结构，提高孔隙率。另一方面，柠檬酸的分解温度较低(约为175℃)，此时的污泥还未炭化固结，因此，柠檬酸此时分解产生二氧化碳和水，从内部释放的过程中形成新的微孔结构，因此，通过添加柠檬酸可以获得多尺度的微孔和中孔。此外，柠檬酸分解产生的水蒸气同样对于污泥生物炭具有一定的刻蚀、活化作用(水蒸气活化本就是活性炭活化方式的一种)。以上三方面的效果导致了，加入柠檬酸后制得的污泥生物炭即使不进行活化处理，也能够获得良好的吸附效果。因此，本申请特定的以一步煅烧的方式，即可获得吸附性能良好的污泥生物炭，后续不需要使用任何强酸、强碱性化学试剂进行活化处理，自然也就无需后续的清洗步骤，减少二次污染，并且能够节能减排。
另外，由于污泥中的无机成分含量较高，制得的污泥生物炭本就机械强度较低，柠檬酸产生的刻蚀作用甚至会进一步降低污泥生物炭的机械强度。因此，制备过程中还加入有羧甲基纤维素钠，羧甲基纤维素钠作为粘结剂，能够以自身的羟基和污泥中各成分表面的羟基发生相互作用以及物理交联等，配合柠檬酸的刻蚀等作用，能够使污泥生物炭形成规则有序的网状结构，从而制备出高强度的污泥生物炭。最终制得的污泥生物炭外形大致为颗粒、柱状、粉状等。
可选的，所述步骤S3中，柠檬酸的添加量为粉碎污泥质量的1-5％。
通过采用上述技术方案，柠檬酸的添加量需要严格控制，柠檬酸的添加量过少时，最终制得的污泥生物炭孔隙率过低，吸附效果较差；柠檬酸的添加量过多时，柠檬酸的刻蚀作用等对污泥生物炭机械强度的影响过大，影响污泥生物炭的成型和后续使用。
可选的，所述步骤S3中，羧甲基纤维素钠的添加量为粉碎污泥质量的1-1.5％。
通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素钠的添加量同样需要严格控制，这是由于若羧甲基纤维素钠的添加量过少；制得的污泥生物炭机械强度不足；若羧甲基纤维素钠的添加量过多，容易堵塞污泥生物炭内部的空隙，降低污泥生物炭的吸附效果。
可选的，所述步骤S3中，柠檬酸和羧甲基纤维素钠的质量比为(1-5)：1。
通过采用上述技术方案，柠檬酸和羧甲基纤维素钠的比例需要控制在合适的范围，既可使成型后的生物炭具有一定的机械强度，又可减少羧甲基纤维素钠对污泥生物炭内部孔道的堵塞。
可选的，所述添加剂还包括硬脂酸，柠檬酸、羧甲基纤维素钠和硬脂酸的质量比为(1-5)：1：1。
通过采用上述技术方案，硬脂酸具有良好的润滑和增塑作用，不但能够提高混料时各物料之间的摩擦力，还能够提高最终制得的污泥生物炭的机械强度，降低柠檬酸刻蚀作用等对污泥生物炭机械强度的影响。此外，在添加有柠檬酸的基础上，羧甲基纤维素钠和硬脂酸复配使用对于污泥生物炭的机械强度提高更大。可能是由于，硬脂酸的润滑作用能够帮助羧甲基纤维素钠更良好的分散，从而进一步提高羧甲基纤维素钠对污泥生物炭机械强度的影响。
可选的，所述步骤S4中，热解温度为250-300℃。
通过采用上述技术方案，目前一般的污泥生物炭热解温度高达约至少300℃，甚至为了使污泥炭化完全，还会采用400-700℃的高温。这是由于，污泥的密实度较高，若热解温度过低很容易导致大颗粒污泥内部炭化不完全(甚至有大污泥颗粒炭化后仍然是棕黄色，显然炭化不足)。由于本申请中特定添加有高温下分解的柠檬酸，因而在缺氧热解时就会产生大量的孔隙结构，从而大大降低污泥的密实度，因此，能够以更低的热解温度获得近似甚至更好的炭化效果。
可选的，所述步骤S4中，热解升温速率为9-11℃/min。
通过采用上述技术方案，温速度过低时,炭化过程中污泥内部产生的气体扩散速度较慢,而外侧的污泥一旦炭化固结，污泥内部的气体就容易聚集在内部,产生尺寸较大的孔隙,造成中孔含量较多,微孔结构偏少，比表面积偏低；若升温速度过快，污泥内部产生的气体扩散速度过快，在外侧污泥还未炭化固结时就受到过强的冲击，容易导致污泥的孔隙结构不稳定，孔隙坍塌，不利于中、微孔形成。
可选的，所述步骤S4中热解时间为0.5-1.5h。
通过采用上述技术方案，炭化温度下保持足够的保温时间，使污泥微粒被充分炭化，炭化时间太短，导致原料内部炭化不足，影响产品品质和吸附性能。
对于炭化技术，其炭化温度越高，炭化时间越长，所需要的外热能源越多，经济成本也就越大，因此在能够对污泥实现炭化的前提下，降低炭化温度和减少炭化时间都能够提高工艺的经济性。
可选的，所述步骤S2中进行粉碎时，烘干污泥中还添加有助磨剂，所述助磨剂为三乙醇胺和甘油按照质量比(2-2.5)：1的混合物。
通过采用上述技术方案，三乙醇胺和甘油作为助磨剂不但能够降低粉碎污泥的细度，提高粉碎污泥的比表面积，还能够显著减低粉碎研磨过程中的电耗。且相较于单一的三乙醇胺和单一的甘油，以两者的复配物作为助磨剂具有更好的协同助磨效果。
发明人在做对照实验时发现，加入助磨剂后，最终制得的污泥生物炭吸附效果有十分显著的提升，若将助磨剂中的三乙醇胺替换为三异丙醇胺后，最终制得的污泥生物炭吸附效果又有较为明显的下降。这说明三乙醇胺与体系中的某个组分产生了协同增强吸附效果的作用。发明人在进一步做对照实验时发现，若步骤S3中未添加柠檬酸，三乙醇胺和三异丙醇胺对于最终制得的污泥生物炭吸附性能影响差异并不大，这说明三乙醇胺和三异丙醇胺作为助磨剂，两者的助磨效果比较接近，这也进一步说明是三乙醇胺和柠檬酸之间产生了协同增强吸附效果的作用。
这可能是由于，随着体系温度的升高，污泥中的游离水分逐渐转化为水蒸气，柠檬酸吸湿离子化，从而与污泥中的碳酸钙等反应产生二氧化碳，由于反应并不剧烈，并且体系温度较低(100℃以内)，二氧化碳以较为缓和的方式逸散，冲击力不足以产生良好的孔隙结构。但是助磨剂中的三乙醇胺是二氧化碳良好的吸收剂，因此，反应产生的二氧化碳大部分被三乙醇胺吸附。随着体系温度的不断升高，三乙醇胺吸附的二氧化碳又会解吸，从而将吸附的二氧化碳以较为剧烈的方式释放，从而对污泥产生较为剧烈的冲击，形成更大量的微孔和中孔。
此外，三乙醇胺解吸二氧化碳的温度约为120℃-150℃，而柠檬酸的分解温度为175℃，两者的分解温度相差并不大，当升温速率为10℃/min时，两者的分解时间仅相差几分钟。这就使得，污泥内能够较为连续的产生更稳定、更大量的中、微孔结构。
此外，发明人发现，是否添加硬脂酸和甘油对于最终制得的污泥生物炭的机械强度有较为明显的影响，这可能是由于，硬脂酸和甘油在高温条件下会发生反应，生成硬脂酸甘油酯，这是一种良好的表面活性剂，能够提高各物料的相容性，从而改善最终制得的污泥生物炭的微观结构，提高污泥生物炭的机械强度。
可选的，所述助磨剂的添加量为烘干污泥质量的0.1-0.2％。
通过采用上述技术方案，助磨剂的添加量不需过多，随着助磨剂添加量的提升，助磨效果的提高放缓。
第二方面，本申请提供一种污泥生物炭的在污水处理用的应用。
通过采用上述技术方案，本申请中特定制备工艺制得的污泥生物炭对工业废水中的化学需氧量(COD)、氮、磷以及重金属、有机污染物的去除与市场上常用的吸附材料活性炭和活性焦等效果相当，这样不但能够解决污泥处置问题，还代替活性炭、活性焦等吸附材料在工业废水处理中应用，使污泥生物炭产生真正的经济价值。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过在污泥中加入柠檬酸和羧甲基纤维素钠，以柠檬酸的刻蚀作用、柠檬酸分解时气体的成孔效应、柠檬酸分解时高温水蒸气的活化作用以及羧甲基纤维素钠的增强效果，能够以一步热解法获得吸附性能和机械强度均较好的污泥生物炭，由于不需要进一步进行活化和洗涤等操作，大大降低了二次污染；
2.通过对柠檬酸和羧甲基纤维素钠添加量的限定，能够使制得的污泥生物炭在吸附效果和机械强度之间取得更好的平衡；
3.通过进一步在污泥生物炭的制备过程中加入硬脂酸，以硬脂酸良好的润滑和增塑性能，能够降低污泥混合搅拌时的摩擦力，也能够与羧甲基纤维素钠协同进一步提高制得的污泥生物炭的机械强度；
4.加入柠檬酸后，热解时污泥的密实度下降，能够以更低的热解温度、更短的热解时间，使污泥炭化完全，以降低生产能耗；
5.在污泥中加入助磨剂，能够降低研磨时的能耗和产生的噪音，并能一定程度上提高制得的污泥生物炭的吸附效果；
6.特定选用三乙醇胺和甘油两种助磨剂，是因为这两种助磨剂具有协同助磨效果，另外，三乙醇胺低温吸附二氧化碳、高温解吸的性质能够充分利用柠檬酸低温时刻蚀产生的二氧化碳，从而使制得的污泥生物炭具有更好的孔隙结构；
7.助磨剂中的甘油和添加剂中的硬脂酸在高温、缺氧的条件下，能够反应生成硬脂酸甘油酯，硬脂酸甘油酯是一种良好的表面活性剂，能够大大提高各物料的相容性，改善最终制得的污泥生物炭的微观结构，从而提高污泥生物炭的机械强度；
8.以本申请中特定的制备方法制得的污泥生物炭对于工业废水中的化学需氧量(COD)、氮、磷以及重金属、有机污染物的去除与市场上常用的吸附材料活性炭和活性焦等效果相当，这样不但能够解决污泥处置问题，还代替活性炭、活性焦等吸附材料在工业废水处理中应用，使污泥生物炭产生真正的经济价值。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种污泥生物炭的制备工艺及污泥生物炭在污水处理中的应用。
实施例1
本申请实施例首先公开了一种污泥生物炭的制备工艺，包括以下工艺步骤：
S1、污泥干燥，将污泥烘干脱水，得到烘干污泥，烘干污泥的含水率控制在约15％。
S2、污泥粉碎，用破碎机对步骤S1中得到的烘干污泥进行粉碎，随后用研磨机对粉碎后的污泥进行研磨，研磨完成后过20目筛得到粉碎污泥。
S3、污泥混合，在步骤S2得到的粉碎污泥中加入添加剂，在60r/min的速度下搅拌10min，得到污泥混合物，添加剂为粉碎污泥质量1％的柠檬酸和粉碎污泥质量1％的羧甲基纤维素钠。
S4、污泥炭化，将步骤S3中得到的污泥混合物放入炭化炉中，在氮气气氛下加热进行缺氧热解，热解升温速率为10℃/min，在250℃热解1.5h，冷却到室温后得到污泥生物炭。
本申请实施例进一步公开了上述制备工艺制得的污泥生物炭在污水处理中的应用，只需将污水和制得的污泥生物炭混合即可，污泥生物炭的添加量可根据污水成分适当调整。
实施例2-4
实施例2-4与实施例1的不同之处在于，步骤S3中，添加剂的组成以及添加剂中各组分的添加量占粉碎污泥的质量百分比不同，记为下表：
Figure BDA0003532646960000101
实施例5-6
实施例5-6与实施例4的不同之处在于，步骤S4中的工艺参数不同，记为下表：
Figure BDA0003532646960000102
实施例7
实施例7与实施例5的不同之处在于，步骤S2中，在对污泥进行研磨时，还添加有烘干污泥质量0.15％的助磨剂，助磨剂为三乙醇胺和甘油按照质量比为2：1的混合物。
实施例8
实施例8与实施例2的不同之处在于，步骤S2中，在对污泥进行研磨时，还添加有烘干污泥质量0.15％的助磨剂，助磨剂为三乙醇胺和甘油按照质量比2：1的混合物。
实施例9-11
实施例9-11与实施例7的不同之处在于，助磨剂的组成及助磨剂中各组分的质量比不同，记为下表：
Figure BDA0003532646960000111
实施例12
实施例12与实施例11的不同之处在于，以等质量的三异丙醇胺替换三乙醇胺作为助磨剂。
对比例
对比例1
对比例1与实施例1的不同之处在于，步骤S3中并未添加添加剂，具体工艺步骤如下：
S1、污泥干燥，将污泥烘干脱水，得到烘干污泥，烘干污泥的含水率控制在约15％。
S2、污泥粉碎，用破碎机对步骤S1中得到的烘干污泥进行粉碎，随后用研磨机对粉碎后的污泥进行研磨，研磨完成后过20目筛得到粉碎污泥。
S3、污泥混合，对步骤S2得到的粉碎污泥进行搅拌，在60r/min的速度下搅拌10min，得到污泥混合物。
S4、污泥炭化，将步骤S3中得到的污泥混合物放入炭化炉中，在氮气气氛下加热进行缺氧热解，热解升温速率为10℃/min，在250℃热解1.5h，冷却到室温后得到污泥生物炭。
对比例2
对比例2与对比例1的不同之处在于，步骤S2中，在对污泥进行研磨时，还添加有烘干污泥质量0.15％的助磨剂，助磨剂为三乙醇胺和甘油按照质量比2：1的混合物。
对比例3
对比例3与对比例2的不同之处在于，以等质量的三异丙醇胺替换三乙醇胺作为助磨剂。
对比例4
对比例4为常规市售的活性焦，具体生产厂家为宁夏中优活性炭有限公司，规格为2-8mm，碘值为600。
对比例5
对比例5为常规市售的活性炭，具体生产厂家为承德远洋活性炭有限公司，型号为桃壳活性炭，碘值为900。
性能检测方法和检测数据
一、吸附性能的检测方法
最大吸附量是指在一定温度和一定的吸附质浓度下，单位吸附剂吸附吸附质的最大量。
1.1COD最大吸附量
试验污水取自杭州某污水处理公司
取各实施例中制得的污泥生物炭或对比例中制得的污泥生物炭、活性焦及活性炭(为便于表述，以下均简称污泥生物炭)，将0.25g污泥生物炭分散于250mL的污水中，配置为污泥生物炭浓度1g/L的污水试样。随后将容器密封并放入摇床进行震荡，震荡工艺参数为160r·min-1、5h；震荡结束后，取50mL污水试样于离心管中进行离心分离，离心工艺参数为3500r·min-1、5min；离心结束后，取上层清液。
对初始状态的污水COD浓度和离心得到的上层清液COD浓度进行测试，测试方法如下：取污水或上层清液2mL，加入COD试剂(购自哈希)，150℃下加热2h，随后取出摇匀并冷却至室温，放入COD检测仪进行检测。
通过比较污水处理前后的COD浓度之差，计算污泥生物炭的COD最大吸附量，污泥生物炭的COD最大吸附量越大，说明其吸附效果越好。
1.2苯酚最大吸附量
检测方法包括以下步骤：
①.自配2g/L苯酚溶液。
②.配制其他溶液
缓冲溶液、4-氨基安替比林溶液、铁氰化钾溶液均按《中华人民共和国国家环境保护标准(HJ 503-2009)》配制。
③.取自配2g/L苯酚溶液10mL，用去离子水定容至100mL并转移至250mL的容器中，随后加入0.1g污泥生物炭(为便于表述，将对比例中的活性焦及活性炭均简称污泥生物炭)，即为苯酚试样。随后将容器密封并放入摇床进行震荡，震荡工艺参数为160r·min-1、5h；震荡结束后，取50mL污水试样于离心管中进行离心分离，离心工艺参数为3500r·min-1、5min；离心结束后，取上层清液。
以分光光度法测试上层清液中苯酚的浓度，通过比较上层清液中苯酚的浓度与自配2g/L苯酚溶液的浓度之差，计算污泥生物炭的苯酚最大吸附量，污泥生物炭的苯酚最大吸附量越大，说明其吸附效果越好。
二、机械强度的检测方法
活性炭机械强度的测定方法较多，一般需要根据活性炭在实际应用中受到哪一种磨损来选用适宜的检测方法。如防毒面具中的活性炭颗粒主要受到磨损，则一般检测活性炭在球磨机中的磨损来确定活性炭的机械强度。本申请中的污泥生物炭主要用于污水处理，污水处理过程中污泥生物炭所受静态负荷较少，更容易受到磨损，因此也对污泥生物炭在球磨机中的磨损来确定其机械强度。
污泥生物炭的检测方法如下(为便于描述，对比例中的活性焦和活性炭同样简称为污泥生物炭)：
首先取100mL,试样放入烘箱内，在105-110℃下烘干2h,然后在粒度仪上用测定该样品粒度使用的下筛进行筛选，除去粉尘。水分小于1％的试样不必烘干，但必须过筛。然后用量筒量取50mL试样，在天平上称其质量，装入强度测定仪的转鼓内，旋紧鼓盖，水平放置在两滚轴间，开动仪器并同时撤动秒表，运转5min,取下钢转鼓，开盖倒出钢球，将试样移至粒度仪上，仍用前述筛层进行第二次过筛，过筛时间为3min。收集保留在筛层上的试样并称量质量，与球磨前的质量进行比较，求出试样强度。
强度W的计算公式为：
W＝(m2/m1)×100％；
式中，
m2：球磨后保留在筛层上的试样，g；
m1：球磨前试样的质量，g。
检测数据记为下表：
Figure BDA0003532646960000151
结论
通过比较实施例1和对比例1的方案和数据，不难看出，若如对比例1中仅对污泥进行热解，而不进行活化处理，最终得到的污泥生物炭吸附效果较差，实际上，对比例1中的热解温度较低，还有部分污泥生物炭内部炭化不完全，污泥内部颜色并未完全转化为黑色。而热解时添加有柠檬酸和羧甲基纤维素钠的实施例1制得的污泥生物炭不但吸附效果良好，与市售的活性焦近似，且具有良好的机械强度。
通过比较实施例1-3的方案和数据，不难看出，柠檬酸的添加量对于污泥生物炭的吸附效果影响十分大，但是随着柠檬酸添加量的增加，污泥生物炭的机械强度也有较为明显的下降。此外，随着羧甲基纤维素钠的添加量的增大，污泥生物炭的机械强度提高速率放缓，且污泥生物炭的吸附效果受到一定影响。因此，综合考量污泥生物炭的吸附效果和机械强度，实施例2的方案为优选方案。
通过比较实施例2和实施例4的方案和数据，不难看出，进一步加入硬脂酸，硬脂酸的润滑和增韧效果能够提高污泥生物炭的机械强度。此外，硬脂酸对于污泥生物炭机械强度的影响较大，可能是由于硬脂酸还能提高羧甲基纤维素钠的分散效果，从而获得更好的增强效果。
通过比较实施例4-6的方案和数据，不难看出，热解温度和热解时间对于制得的污泥生物炭的吸附率和机械强度均有一定影响。
通过比较实施例5和实施例7的方案和数据，不难看出，在污泥中加入助磨剂能够显著提高污泥生物炭的吸附效果和机械强度，而进一步比较对比例1和对比例2的方案和数据，不难看出，在污泥中加入助磨剂虽然能够少量提高污泥生物炭的吸附效果和机械强度，但是效果并不十分明显。这说明，单纯助磨剂的添加并不足以使污泥生物炭的性能有如此显著的提升。只有在体系中有柠檬酸的基础上，进一步加入助磨剂，污泥生物炭的性能才有十分明显的提升，这说明助磨剂和添加剂具有协同效果。
通过比较实施例7-8和实施例2的方案和数据，不难看出，不论体系中是否添加硬脂酸，进一步加入助磨剂，都能够获得吸附性能良好的污泥生物炭(实施例7和实施例8的吸附性能近似)；但是体系中是否添加有硬脂酸，对于助磨剂加入后的污泥生物炭的机械强度却有不同的影响。在体积中无硬脂酸的基础上，加入助磨剂能够获得的机械强度提升为4％(实施例2和实施例8)；在体系中有硬脂酸的基础上，加入助磨剂能够获得的机械强度提升为6％(实施例5和实施例7)。考虑到机械强度越接近100％，其提升难度越大，实际上，两者的差异并不止2％。也就是说，硬脂酸和助磨剂有协同提高污泥生物炭机械强度的效果。
通过比较实施例7和实施例9的方案和数据，不难看出，若助磨剂仅为三乙醇胺，而不加入甘油，则三乙醇胺和甘油的协同助磨效果消失，最终导致污泥生物炭的各项性能均有所下降。
通过比较对比例2和对比例3的方案和数据，不难看出，在本申请的体系中，未添加柠檬酸和羧甲基纤维素钠的基础上，相较于三乙醇胺，三异丙醇胺的助磨效果更好。
但是进一步比较实施例11和实施例12的数据，不难看出，在添加柠檬酸和羧甲基纤维素钠的基础上，使用助磨效果更差的三乙醇胺(实施例11)反而能够获得更好的吸附性能，这说明三乙醇胺在本申请的方案中，不但具有助磨剂的效果，还能够与添加剂协同，提高污泥生物炭的吸附效果。
通过比较实施例7和实施例9-10的方案和数据，不难看出，由于体系中未加入三乙醇胺，污泥生物炭的吸附性能下降的十分显著，这一方面当然有三乙醇胺和甘油的协同助磨效果消失的原因，但是更重要的是，三乙醇胺对于柠檬酸低温下产生的二氧化碳的吸附效果消失，也就无法在较高温时产生更集中的二氧化碳释放，污泥生物炭的空隙率有所下降。此外，实施例9和实施例10的污泥生物炭机械强度近似，这也是出乎发明人预料的，这是由于，一般认为，三乙醇胺的助磨效果是优于甘油的，这意味着虽然甘油助磨效果更差，但是甘油与体系中的添加剂具有协同增强污泥生物炭机械强度的效果。
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 (10)

1.一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：包括以下工艺步骤：
S1、污泥干燥，将污泥烘干脱水，得到烘干污泥；
S2、污泥粉碎，将步骤S1中得到的烘干污泥进行粉碎，粉碎完成后过筛得到粉碎污泥；
S3、污泥混合，在步骤S2得到的粉碎污泥中加入添加剂，得到污泥混合物，所述添加剂主要包括柠檬酸和羧甲基纤维素钠；
S4、污泥炭化，将步骤S3中得到的污泥混合物进行缺氧热解，得到污泥生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S3中，柠檬酸的添加量为粉碎污泥质量的1-5％。
3.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S3中，羧甲基纤维素钠的添加量为粉碎污泥质量的1-1.5％。
4.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述添加剂还包括硬脂酸，柠檬酸、羧甲基纤维素钠和硬脂酸的质量比为(1-5)：1：1。
5.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S4中，热解温度为250-350℃。
6.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S4中，热解升温速率为9-11℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S4中热解时间为0.5-1.5h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述步骤S2中进行粉碎时，烘干污泥中还添加有助磨剂，所述助磨剂为三乙醇胺和甘油按照质量比(2-2.5)：1的混合物。
9.根据权利要求8所述的一种污泥生物炭的制备工艺，其特征在于：所述助磨剂的添加量为烘干污泥质量的0.1-0.2％。
10.权利要求1-9任一项所述的制备工艺制得的污泥生物炭在污水处理中的应用。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112108118A (zh) * 2020-09-21 2020-12-22 黄河水利职业技术学院 一种基于芬顿污泥和纤维素的磁性生物质炭及其制备方法和应用
CN115845798A (zh) * 2022-11-10 2023-03-28 城康材料技术有限公司 一种改性污泥活性炭及其制备方法和应用
CN115845931A (zh) * 2022-11-16 2023-03-28 浙江农林大学暨阳学院 基于反渗透海水淡化厂污泥的过硫酸盐活化剂及其制备方法
CN116621327A (zh) * 2023-06-12 2023-08-22 长沙经济技术开发区水质净化工程有限公司 一种利用内源性碳源填料构建活性“重”泥系统的方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB345194A (en) * 1929-09-17 1931-03-17 Horace Gray Gilliland Improvements in or relating to the treatment of sewage sludges
US4552666A (en) * 1982-11-26 1985-11-12 Mueller Dietrich Process for the treatment of sewage sludge
CN106000303A (zh) * 2016-06-01 2016-10-12 湖南农业大学 一种利用柚子皮制备的生物炭、制备方法及其应用
CN108797612A (zh) * 2018-06-19 2018-11-13 江苏东珠景观股份有限公司 一种高稳定性边坡立体绿化生态修复方法
CN110526549A (zh) * 2019-07-29 2019-12-03 安徽百和环境技术有限公司 一种土地改良污泥生物炭及其制备方法
CN110922276A (zh) * 2019-11-15 2020-03-27 江苏省农业科学院 一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用
CN111659351A (zh) * 2020-07-14 2020-09-15 清华大学深圳国际研究生院 同时高效释硅及吸附重金属的改性生物炭及制备方法
WO2021003789A1 (zh) * 2019-07-09 2021-01-14 中国科学院城市环境研究所 一种污泥热解生物炭的资源化利用方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB345194A (en) * 1929-09-17 1931-03-17 Horace Gray Gilliland Improvements in or relating to the treatment of sewage sludges
US4552666A (en) * 1982-11-26 1985-11-12 Mueller Dietrich Process for the treatment of sewage sludge
CN106000303A (zh) * 2016-06-01 2016-10-12 湖南农业大学 一种利用柚子皮制备的生物炭、制备方法及其应用
CN108797612A (zh) * 2018-06-19 2018-11-13 江苏东珠景观股份有限公司 一种高稳定性边坡立体绿化生态修复方法
WO2021003789A1 (zh) * 2019-07-09 2021-01-14 中国科学院城市环境研究所 一种污泥热解生物炭的资源化利用方法
CN110526549A (zh) * 2019-07-29 2019-12-03 安徽百和环境技术有限公司 一种土地改良污泥生物炭及其制备方法
CN110922276A (zh) * 2019-11-15 2020-03-27 江苏省农业科学院 一种改性污泥水热炭材料的制备及其在面源污染减排的应用
CN111659351A (zh) * 2020-07-14 2020-09-15 清华大学深圳国际研究生院 同时高效释硅及吸附重金属的改性生物炭及制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
戴亮;任;陶玲;陈琛;: "不同热解温度下污泥基生物炭的性质及对Cd~(2+)的吸附特性", 环境工程学报, no. 07, pages 107 - 113 *
桂成民: "微波热解制备污泥生物炭研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑, no. 10, pages 1 - 4 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112108118A (zh) * 2020-09-21 2020-12-22 黄河水利职业技术学院 一种基于芬顿污泥和纤维素的磁性生物质炭及其制备方法和应用
CN115845798A (zh) * 2022-11-10 2023-03-28 城康材料技术有限公司 一种改性污泥活性炭及其制备方法和应用
CN115845931A (zh) * 2022-11-16 2023-03-28 浙江农林大学暨阳学院 基于反渗透海水淡化厂污泥的过硫酸盐活化剂及其制备方法
CN115845931B (zh) * 2022-11-16 2024-09-03 浙江农林大学暨阳学院 基于反渗透海水淡化厂污泥的过硫酸盐活化剂及其制备方法
CN116621327A (zh) * 2023-06-12 2023-08-22 长沙经济技术开发区水质净化工程有限公司 一种利用内源性碳源填料构建活性“重”泥系统的方法

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