CN115849658B - 一种水处理污泥循环利用方法及碳基多孔材料的应用 - Google Patents
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Abstract
一种水处理污泥循环利用方法及碳基多孔材料的应用，本发明是为了解决现有污泥处理导致资源利用率低，焚烧造成二次污染的问题。循环利用方法：一、填料塔内装有水处理污泥，从填料塔底部通入臭氧/空气混合气进行氧化处理；二、氧化后的污泥通过压滤机脱水，再经过造粒和干燥，得到干燥的污泥；三、在N2保护条件下以800～1500℃的温度进行碳化处理；四、以水为吸收剂吸收尾气，尾气溶液经过减压蒸馏得到铵肥。本发明基于碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极。本发明充分利用污泥中的生物质碳源与氮源，经过高级氧化处理，将初步得到的CO2与NH3转变成为碳酸铵与碳酸氢铵溶液，浓缩制备化学肥料，污泥焚烧后产生多孔填料。
Description
技术领域
本发明涉及一种活性污泥的再利用方法及碳基产物的应用。
背景技术
随着我国对污水治理的力度加深，全国各地生活污水处理量逐渐加大，相应地产生的活性污泥量逐年增加，污泥传统处理方法是通过脱水处理后，经过高温燃烧或者填埋，会造成大量二次污染。此外，活性污泥中含有大量有机质，具有资源化利用价值，因此，高效污泥再利用方法研究成为该领域的热门研究方向。污泥处理处置的目标是实现污泥的减量化、稳定化、无害化及资源化。在目前双碳背景下，能更好地实现节能减排和发展循环经济的目的。我国污泥年产量超过6000万吨，富集了污水中30％～50％污染物，既是污染物，同时也是碳资源，既是碳排放，也可以碳汇。污泥焚烧(包括掺烧)与填埋是目前污泥回收的重要渠道，产生的尾气与固废造成了二次污染。截至目前，尚缺乏高效低污染、高效率的污泥循环利用技术。
发明内容
本发明是为了解决现有污泥处理导致资源利用率低，焚烧造成二次污染的问题，而提供一种水处理污泥循环利用方法及碳基多孔材料的应用。
本发明水处理污泥循环利用方法按照以下步骤实现：
一、填料塔内装有水处理污泥，从填料塔底部通入臭氧/空气混合气进行氧化处理，得到氧化后的污泥；
二、氧化后的污泥通过压滤机脱水，再经过造粒和干燥，得到干燥的污泥；
三、在N2保护条件下以800～1500℃的温度对干燥的污泥进行碳化处理，得到碳基多孔材料，并产生尾气；
四、以水为吸收剂吸收尾气，尾气溶液经过减压蒸馏得到铵肥。
本发明水处理污泥循环利用方法中碳化产生的尾气采用小型填料塔作为吸收装置，尾吸收剂采用纯水，吸收剂与尾气流量比为0.8～2.0；所制备溶液经过减压蒸馏得到碳酸铵/碳酸氢铵肥料，得到水分回流至填料吸收装置。
本发明应用碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极的方法按照以下步骤实现：
一、对碳基多孔材料进行洗涤、干燥，得到洗涤后的碳基材料；
二、将FeCl3·6H2O和无水乙酸钠溶于乙二醇溶液中，再加入洗涤后的碳基材料，得到反应液；
三、将步骤二得到的反应液置于带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180～220℃的温度下进行溶剂热反应，经洗涤和干燥后得到Fe3O4/碳基材料；
四、将醋酸锌溶解于甲醇中，得到醋酸锌溶液；将氢氧化钾甲醇溶液加入到醋酸锌溶液中，以60℃～80℃的温度搅拌反应2～4h，得到氧化锌量子点反应液；
五、将Fe3O4/碳基材料置于氧化锌量子点反应液中，在50～60℃的温度下反应，经过抽滤、洗涤和干燥得到Fe3O4/ZnO复合碳材料；
六、在300℃～400℃的温度下对Fe3O4/ZnO复合碳材料进行退火处理，得到ZnO量子点复合粒子电极。
本发明水处理产生污泥的循环利用方法，该方法充分利用污泥中的生物质碳源与氮源，经过高级氧化处理，将初步得到的CO2与NH3转变成为碳酸铵与碳酸氢铵溶液，进一步浓缩制备化学肥料，污泥经过焚烧后产生大量多孔填料。
本发明基于碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极，以碳基多孔材料作为载体，碳基多孔材料的比表面大，生物炭表面还带有-OH、-COOH和C＝O等表面官能团，通过物理和化学(络合)吸附有机污染物，在碳基多孔材料表面负载Fe3O4/ZnO异质结材料，Fe3O4具有磁性，作为粒子电极时，在电流的作用下，碳基多孔材料表面的磁性Fe3O4会产生磁电耦合作用，加速碳基多孔材料表面的电子反应，而Fe3O4表面的ZnO是以量子点的形式存在，不会影响Fe3O4材料的电磁性。结合紫外光照射，ZnO量子点形成更多的光电催化活性位点，Fe3O4/ZnO形成的异质结以及生物炭基体会同时抑制光电生电子-空穴对的复合，催化获得更多的羟基自由基·OH，从而有效提高复合粒子电极的电催化性能。
附图说明
图1为实施例二得到的ZnO量子点复合粒子电极的XRD谱图；
图2为实施例二中ZnO量子点复合粒子电极降解苯酚效果的测试图，其中●代表施加电流和光照的ZnO量子点复合粒子电极，▲代表Fe3O4/碳基多孔材料粒子电极，■代表未施加电流和光照的ZnO量子点复合粒子电极。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式水处理污泥循环利用方法按照以下步骤实施：
一、填料塔内装有水处理污泥，从填料塔底部通入臭氧/空气混合气进行氧化处理，得到氧化后的污泥；
二、氧化后的污泥通过压滤机脱水，再经过造粒和干燥，得到干燥的污泥；
三、在N2保护条件下以800～1500℃的温度对干燥的污泥进行碳化处理，得到碳基多孔材料，并产生尾气；
四、以水为吸收剂吸收尾气，尾气溶液经过减压蒸馏得到铵肥。
本实施方式水处理污泥循环利用方法能够有效利用污泥的碳源与氮源，经过处理后产生大量铵肥，实现资源化利用；污泥经过焚烧后产生大量碳基多孔材料，多孔材料的比表面积可达20～50m2/g，实现污泥废弃物的资源化利用；该碳基多孔材料可应用作为吸收填料塔的填料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中臭氧/空气体积比为1:100～1:400。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中污泥造粒粒径为1～30mm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中所述的干燥温度为80～100℃。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中碳化处理时间为1h～3h。
具体实施方式六：本实施方式应用碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极的方法按照以下步骤实施：
一、对碳基多孔材料进行洗涤、干燥，得到洗涤后的碳基材料；
二、将FeCl3·6H2O和无水乙酸钠溶于乙二醇溶液中，再加入洗涤后的碳基材料，得到反应液；
三、将步骤二得到的反应液置于带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180～220℃的温度下进行溶剂热反应，经洗涤和干燥后得到Fe3O4/碳基材料；
四、将醋酸锌溶解于甲醇中，得到醋酸锌溶液；将氢氧化钾甲醇溶液加入到醋酸锌溶液中，以60℃～80℃的温度搅拌反应2～4h，得到氧化锌量子点反应液；
五、将Fe3O4/碳基材料置于氧化锌量子点反应液中，在50～60℃的温度下反应，经过抽滤、洗涤和干燥得到Fe3O4/ZnO复合碳材料；
六、在300℃～400℃的温度下对Fe3O4/ZnO复合碳材料进行退火处理，得到ZnO量子点复合粒子电极。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二中FeCl3和无水乙酸钠的质量比为(1～1.5):(3～5)。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤三中溶剂热反应时间为4～6h。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤四中醋酸锌和氢氧化钾的摩尔比为(8～12)：(16～18)。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤六中退火处理时间为2～3h。
实施例一：本实施例水处理污泥循环利用方法按照以下步骤实施：
一、填料塔内装有水处理污泥，从填料塔底部通入(曝气)臭氧/空气混合气进行氧化处理，臭氧/空气体积比为1:200，得到氧化后的污泥；
二、氧化后的污泥通过压滤机脱水，再经过造粒和干燥(干燥温度为80℃)，得到干燥的污泥；
三、在N2保护条件下以1300℃的温度对干燥的污泥进行碳化处理2h，得到碳基多孔材料，并产生尾气，尾气中含有NH3与CO2；
四、以水为吸收剂吸收尾气，尾气溶液经过减压蒸馏得到碳酸铵/碳酸氢铵肥料。
本实施例步骤三碳化降温过程余热利用(蛇管)换热器加热干燥过程产生的水分，得到水蒸气作为步骤二中干燥单元的热源。
本实施例尾气溶液经过减压蒸馏得到碳酸铵/碳酸氢铵肥料；每吨污泥约回收混合肥料0.2kg。得到的碳基多孔材料可用作吸收填料塔的填料使用，比表面积为25m2/g。
实施例二：本实施例应用碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极的方法按照以下步骤实施：
一、对粒径为10mm的碳基多孔材料进行洗涤、干燥，得到洗涤后的碳基材料；
二、将1.5g的六水合三氯化铁和4.3g无水乙酸钠溶于80mL乙二醇溶液中，再加入洗涤后的碳基材料，得到反应液；
三、将步骤二得到的反应液置于带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在200℃的温度下进行溶剂热反应5h，经洗涤和干燥后得到Fe3O4/碳基材料；
四、将10mmol醋酸锌溶解于甲醇中，得到100mL醋酸锌溶液；将100mL氢氧化钾(16.8mmol)甲醇溶液逐滴加入到醋酸锌溶液中，以70℃的温度搅拌反应2.5h，得到氧化锌量子点反应液；
五、将Fe3O4/碳基材料置于氧化锌量子点反应液中，在55℃的温度下反应2h，经过抽滤、洗涤和干燥得到Fe3O4/ZnO复合碳材料；
六、在350℃的温度下对Fe3O4/ZnO复合碳材料进行退火处理2h，得到ZnO量子点复合粒子电极。
采用ZnO量子点复合粒子电极降解苯酚实验条件如下：
配置500mL浓度为50mg/L的苯酚溶液，以石磨棒为主电极，ZnO量子点复合粒子电极的投加量为80g/L，直流电源施加10V电压，光源为紫外光，电解质硫酸钠投加量为6g/L。
在相同条件下采用未负载ZnO量子点的Fe3O4/碳基多孔材料，以及不施加电流和紫外光的ZnO量子点复合粒子电极作为对比。
从图2的测试图可知，在施加电流和紫外光照条件下，投加ZnO量子点复合粒子电极，在80min时，苯酚的降解率为88.3％；100min时，苯酚的降解率为90.0％。不施加电流和紫外光照的情况下，在80min时，苯酚的降解率为55.9％；100min时，苯酚的降解率为57.0％。采用未负载ZnO量子点的Fe3O4/碳基多孔材料的情况下，只施加电流，在80min时，苯酚的降解率为75.8％；100min时，苯酚的降解率为78.8％。本发明复合粒子电极通过Fe3O4/ZnO复合形成异质结，抑制光电生电子-空穴对复合，利用Fe3O4增强磁电耦合作用，提高了有机污染物苯酚的去除效果。
Claims (9)
1.应用碳基多孔材料制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：
一、对碳基多孔材料进行洗涤、干燥，得到洗涤后的碳基材料；
二、将FeCl3·6H2O和无水乙酸钠溶于乙二醇溶液中，再加入洗涤后的碳基材料，得到反应液；
三、将步骤二得到的反应液置于带聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在180～220℃的温度下进行溶剂热反应，经洗涤和干燥后得到Fe3O4/碳基材料；
四、将醋酸锌溶解于甲醇中，得到醋酸锌溶液；将氢氧化钾甲醇溶液加入到醋酸锌溶液中，以60℃～80℃的温度搅拌反应2～4h，得到氧化锌量子点反应液；
五、将Fe3O4/碳基材料置于氧化锌量子点反应液中，在50～60℃的温度下反应，经过抽滤、洗涤和干燥得到Fe3O4/ZnO复合碳材料；
六、在300℃～400℃的温度下对Fe3O4/ZnO复合碳材料进行退火处理，得到ZnO量子点复合粒子电极；
其中碳基多孔材料的制备方法按照以下步骤实现：
a、填料塔内装有水处理污泥，从填料塔底部通入臭氧/空气混合气进行氧化处理，得到氧化后的污泥；
b、氧化后的污泥通过压滤机脱水，再经过造粒和干燥，得到干燥的污泥；
c、在N2保护条件下以800～1500℃的温度对干燥的污泥进行碳化处理，得到碳基多孔材料，并产生尾气；
d、以水为吸收剂吸收尾气，尾气溶液经过减压蒸馏得到铵肥。
2.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤二中FeCl3和无水乙酸钠的质量比为(1～1.5):(3～5)。
3.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤三中溶剂热反应时间为4～6h。
4.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤四中醋酸锌和氢氧化钾的摩尔比为(8～12)：(16～18)。
5.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤六中退火处理时间为2～3h。
6.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤a中臭氧/空气体积比为1:100～1:400。
7.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤b中污泥造粒粒径为1～30mm。
8.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤b中所述的干燥温度为80～100℃。
9.根据权利要求1所述的制备ZnO量子点复合粒子电极的方法，其特征在于步骤c中碳化处理时间为1h～3h。
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