一种污泥基生物炭的制备方法及污泥基生物炭与流程

1.本发明涉及污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种污泥基生物炭的制备方法及污泥基生物炭。


背景技术：

2.污泥是污水处理过程中不可避免的产物。随着我国经济的飞速发展以及城镇化进程的推进，生活污水产生量逐渐增大，自2007年起，我国城市污水处理厂所产污泥总量以超过10％的增长率高速增长，2017年第四季度全国城镇污水处理厂所产湿污泥(含水率约80％)808.4万吨，预计2020年湿污泥产生总量将达到6000万吨(含水率80％)。污泥含有大量的重金属，病原体等污染物并且释放臭气，妥善科学地处理处置污泥是我国科研及工程技术领域亟待解决的问题。
3.污泥基生物炭是一种实现污泥资源化的有效途径。污水处理过程中大量且具有较高活性的重金属富集在污泥中，污泥基生物炭制备过程中大量重金属被临时固化于生物炭中，在后续应用过程中存在很大释放风险。开发控制重金属含量的高效生物炭，实现环境应用过程中的绿色生态，对于真正实现污泥资源化具有重要的科研价值和应用前景。
4.有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的一目的在于：提供一种污泥基生物炭的制备方法，解决目前污泥基生物炭在应用中溶出大量重金属的问题，通过本发明制备方法得到的污泥基生物炭，在后期应用中基本无重金属释放的风险，产品具有绿色、环境友好的特点。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
8.s1、向污泥中加入酸和水进行搅拌，注入污泥室中；
9.s2、将电解液置于阴极室，水置于阳极室，同时调节所述阴极室的ph为酸性；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板与滤纸依次分隔设置；
10.s3、将电极分别插入所述阴极室和所述阳极室，接通电源，并搅拌所述污泥室中的污泥；
11.s4、将步骤s3中得到的污泥进行离心脱水，干燥，研磨过筛；
12.s5、在惰性气体的保护下，热解步骤s4得到的污泥，冷却，得到污泥基生物炭。
13.其中，在初始污泥中加入酸，以酸作为辅助试剂，可以通过络合、酸化的作用使污泥中重金属的活性提高，进而提高后续重金属的去除率。
14.优选的，步骤s1中，所述酸为柠檬酸；所述柠檬酸与所述污泥的质量比为(1～2)：10。采用柠檬酸进行处理，一方面柠檬酸可以提高污泥中重金属的活性，另一方面柠檬酸还对铬有很高的去除率，可以进一步提高对污泥重金属的去除率，降低污泥基生物炭在应用中大量重金属溶出的问题。
15.优选的，步骤s2中，所述电解液可为0.02～0.05mol/l硝酸钾溶液。具体的硝酸钾溶液的浓度可为0.02～0.03mol/l、0.03～0.04mol/l、或0.04～0.05mol/l。
16.优选的，步骤s2中，所述阴极室的ph为1～3。其中，氢氧化铁开始沉淀的ph约为3，将阴极室的ph调节至1～3，可以防止重金属离子(如铁离子)生成沉淀后再回到污泥中，进一步保证污泥中重金属离子的去除效果。更优选的，阴极室的ph为1～2。
17.优选的，步骤s2中，所述含孔隔板的孔隙直径为4～6mm。该隔板的孔隙一方面可以满足重金属离子在电场作用下迁移至阴极室中，一方面也不会因孔隙过大而致使污泥中的微小生物等随意进出阴极室和阳极室，进而破坏电场的平衡，影响重金属离子的迁移。
18.优选的，步骤s3中，所述电源提供恒定电压；所述恒定电压为10～20v，通电时间为2～8h。具体的，恒定电压可为10～12v、12～14v、14～16v、16～18v、或18～20v；通电时间为2～3h、3～4h、4～5h、5～6h、6～7h、或7～8h。将电压设置在上述范围内，一方面不会因电压过小，而导致电场强度不足影响大部分重金属离子的迁移；另一方面也不会因电压过大，而致使污泥中的腐殖质析出，从而影响重金属离子的迁移。
19.优选的，步骤s4中，所述离心的转速为2000～3000r/min，离心时间为5～15min。具体的，离心的转速可为2000～2200r/min、2200～2500r/min、2500～2800r/min、或2800～3000r/min；离心时间可为5～10min或10～15min。离心脱水后的污泥可以大大降低污泥中的含水率，为后续操作创造条件。
20.优选的，所述干燥的温度为60～85℃，干燥时间为18～30h。具体的，干燥的温度为60～65℃、65～70℃、70～75℃、75～80℃、或80～85℃；干燥时间为18～20h、20～24h、24～28h、或28～30h。将污泥设置在低温下干燥，更有利于保证污泥内微生物等的稳定，以保证制得的污泥基生物炭的稳定。
21.优选的，步骤s4中，研磨过筛后的污泥的直径≤0.075mm。研磨污泥，使得颗粒直径尽可以的小，以提高其比表面积，更有利于后续污泥的热解。
22.优选的，步骤s5中，所述热解的温度为400～600℃，热解时间为1～5h。具体的，热解的温度可为400～450℃、450～500℃、500～550℃、或550～600℃；热解时间可为1～2h、2～3h、3～4h、或4～5h。
23.本发明的另一目的在于，提供一种由上述任一项所述的污泥基生物炭的制备方法制备得到的污泥基生物炭。
24.本发明的有益效果在于：本发明提供的制备方法，利用酸强化电动法，通过调节初始污泥的ph以及加入化学试剂同电解液污泥相结合的方式，使污泥中的重金属在电场作用下发生电迁移、电泳、电渗析、电渗流等过程，进而迁移至阴极室中，达到从源头去除污泥中重金属的目的。相比于现有技术，本发明在生物炭制备前即对污泥进行预处理，从根本上降低了后期应用中污泥基生物炭重金属释放的风险，有效解决了目前污泥基生物炭在应用中溶出重金属的问题，本发明的产品具有绿色、环境友好的特点，为污泥基生物炭材料的开发和应用提供了理论参考和技术保障。
附图说明
25.图1为本发明制备方法的流程图。
26.图2为本发明制备方法采用的实验装置图。
27.图3为本发明不同阴极室酸浓度及电压下铁离子的去除率。
28.图4为本发明不同阴极室酸浓度及电压下铬离子的去除率。
具体实施方式
29.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
30.以下实施例以天津市某污水处理厂市政污泥为例进行说明，其中，污泥的含水率为87.5％，铁含量为42320mg/kg，铬含量为558mg/kg。
31.以下实施例制备方法采用的电极反应器为：如图2所示，反应器由阴极室、污泥室和阳极室构成，各室之间通过含孔隔板与滤纸间隔开，滤纸夹持于两个含孔隔板间，隔板的孔隙为4～6mm；阳极室和阴极室中插有电极，并接通直流电源以通电；此外，该反应器置于磁力搅拌装置上，转子设置在污泥室中，用于搅拌污泥室中的污泥。
32.实施例1
33.如图1所示，一种污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
34.s1、向污泥中加入柠檬酸和水进行搅拌，按0.1kg污泥加入18g柠檬酸和865ml水比例加入，注入污泥室中；
35.s2、以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.01mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置；
36.s3、将碳棒作为电极分别插入所述阴极室和所述阳极室，外接直接电源，控制电压恒定为20v，开启磁力搅拌器搅拌所述污泥室中的污泥，通电时间为6h；
37.s4、将步骤s3中得到的污泥进行离心脱水，离心转速为3000r/min，离心时间为10min；然后将离心脱水后的污泥置于85℃的烘箱中干燥24h，研磨干污泥，并过筛200目筛子，得到尺寸小于0.075mm的粉末；
38.s5、在氮气的保护下，将步骤s4得到的干污泥置于500℃下，热解2h，自然冷却至室温，得到低重金属溶出风险的污泥基生物炭。
39.其中，本实施例制备方法采用的电极反应器为：如图2所示，反应器由阴极室、污泥室和阳极室构成，各室之间通过含孔隔板与滤纸间隔开，滤纸夹持于两个含孔隔板间，隔板的孔隙为4～6mm；阳极室和阴极室中插有电极，并接通直流电源以通电；此外，该反应器置于磁力搅拌装置上，转子设置在污泥室中，用于搅拌污泥室中的污泥。
40.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达76.15％，cr离子的去除率达54.41％，如图3～4所示。
41.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
42.实施例2
43.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.1mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
44.其余同实施例1，这里不再赘述。
45.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达68.21％，cr离子的去除率达50.24％，可如图3～4所示。
46.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
47.实施例3
48.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
49.其余同实施例1，这里不再赘述。
50.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达63.42％，cr离子的去除率达32.45％，可如图3～4所示。
51.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
52.实施例4
53.一种污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
54.s1、向污泥中加入柠檬酸和水进行搅拌，按0.1kg污泥加入18g柠檬酸和865ml水比例加入，注入污泥室中；
55.s2、以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.01mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置；
56.s3、将碳棒作为电极分别插入所述阴极室和所述阳极室，外接直接电源，控制电压恒定为15v，开启磁力搅拌器搅拌所述污泥室中的污泥，通电时间为6h；
57.s4、将步骤s3中得到的污泥进行离心脱水，离心转速为3000r/min，离心时间为10min；然后将离心脱水后的污泥置于85℃的烘箱中干燥24h，研磨干污泥，并过筛200目筛子，得到尺寸小于0.075mm的粉末；
58.s5、在氮气的保护下，将步骤s4得到的干污泥置于400℃下，热解2h，自然冷却至室温，得到低重金属溶出风险的污泥基生物炭。
59.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达86.74％，cr离子的去除率达77.03％，可如图3～4所示。
60.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
61.实施例5
62.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.1mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
63.其余同实施例1，这里不再赘述。
64.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达68.42％，cr离子的去除率达58.25％，可如图3～4所示。
65.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经
icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
66.实施例6
67.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
68.其余同实施例1，这里不再赘述。
69.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达63.72％，cr离子的去除率达49.01％，可如图3～4所示。
70.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
‑
oes检测，基本没有重金属离子溶出。
71.实施例7
72.一种污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
73.s1、向污泥中加入柠檬酸和水进行搅拌，按0.1kg污泥加入18g柠檬酸和865ml水比例加入，注入污泥室中；
74.s2、以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.01mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置；
75.s3、将碳棒作为电极分别插入所述阴极室和所述阳极室，外接直接电源，控制电压恒定为10v，开启磁力搅拌器搅拌所述污泥室中的污泥，通电时间为6h；
76.s4、将步骤s3中得到的污泥进行离心脱水，离心转速为3000r/min，离心时间为10min；然后将离心脱水后的污泥置于85℃的烘箱中干燥24h，研磨干污泥，并过筛200目筛子，得到尺寸小于0.075mm的粉末；
77.s5、在氮气的保护下，将步骤s4得到的干污泥置于400℃下，热解2h，自然冷却至室温，得到低重金属溶出风险的污泥基生物炭。
78.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达58.21％，cr离子的去除率达33.21％，可如图3～4所示。
79.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
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oes检测，基本没有重金属离子溶出。
80.实施例8
81.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液注入阴极室，采用0.1mol/l盐酸将阴极室的ph调至2；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
82.其余同实施例1，这里不再赘述。
83.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达67.32％，cr离子的去除率达44.26％，可如图3～4所示。
84.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
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oes检测，基本没有重金属离子溶出。
85.实施例9
86.与实施例1不同的是步骤s2，步骤s2为：以0.03mol/l硝酸钾作为电解液，将电解液
注入阴极室；阳极室注入自来水；其中，所述阴极室、污泥室和阳极室采用含孔隔板依次分隔设置。
87.其余同实施例1，这里不再赘述。
88.将上述步骤s3得到的污泥进行重金属离子检测，发现fe离子的去除率达63.85％，cr离子的去除率达46.78％，可如图3～4所示。
89.再将该实施例得到污泥基生物炭在ph为1～11下进行重金属离子浸出实验，经icp
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oes检测，基本没有重金属离子溶出。
90.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。