一种污泥基生物炭粒的制备方法及其生物炭粒

1.本发明涉及生物炭粒制备技术领域，尤其涉及一种利用污泥制备生物炭粒的技术。


背景技术：

2.污泥是污水处理过程中产生的半固态或固态物质。目前，国内外城市剩余污泥常规处置方法有土地利用、填埋及焚烧等，但均未在根本上解决去除其重金属及难处理的有毒有害物质。此外，城市剩余污泥除了含水率高、成分复杂及含有重金属和病原菌等有害物质外，还富含大量的有机物丰富的氮磷营养盐等有用物质，若被作为废弃物经过简单处理后丢弃，不仅会造成资源浪费，还会污染环境。
3.生物炭是利用农林废弃物、动物粪便及污泥等生物质材料，在限氧或无氧条件下低温热解产生的稳定、有丰富多孔结构、高度芳香化的固态物质，其作为一种新型的吸附材料在水处理领域得到广泛应用。在众多制备原料中，城市剩余污泥以易操作、成本低且资源化等特点占据显著优势。且污泥基生物炭不仅具有比表面积大、表面基团丰富等特征，还可将城市污泥中的重金属固定化，降低其浸出毒性，同时具有较高的氮、磷、钾等元素含量，且对重金属等污染物均具有良好的吸附性能。故将城市剩余污泥热解制备成生物炭是有效处置污泥的方法。
4.另外，现阶段的研究中，生物炭的制备大多围绕生物炭粉末(d《0.25mm)，鲜有学者研究有关生物炭粒(d》1mm)的性能特征。然而实际应用中，粉末状的生物炭应用范围较小，且不利用作为基质或填料以及回收利用，因此对颗粒状污泥基生物炭粒的制备有待进一步的探究。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是实现一种投资少、运行高效且成本低的污泥基生物炭粒制备系统。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种污泥基生物炭粒的制备方法，包括以下步骤：
7.1)取污水处理厂二沉池剩余脱水污泥(含水率为80-85％)，并将城市剩余脱水污泥风干至含水率为60-70％；
8.2)采用不锈钢机身出条器将含水率为60-70％的污泥制备为同等含水率的污泥条；
9.3)将含水率为60-70％的污泥条摆放于abs双把手制丸板上，并制备同等含水率的污泥球粒；
10.4)将含水率为60-70％的污泥球粒摆放于不锈钢风干托盘中，置于烘箱中制备干污泥球粒；
11.5)采用限氧高温热解法，制备污泥基生物炭粒。
12.所述脱水污泥风干方法包括：将城市剩余脱水污泥平铺于不锈钢风干托盘中后，将其中石块、塑料等杂质挑出后，自然风干，期间不断搅拌翻面以保证风干后污泥各部分含水率均匀，直至污泥各部分平均含水率为60-70％；
13.选择需要的污泥粒径安装对应粒径的出条孔，将权利要求2中平均含水率为60-70％的污泥压实放置于不锈钢机身出条器中，缓慢旋转推出条状污泥；
14.条状污泥放置于与出条孔粒径对应的abs双把手制丸板上，并垂直于制丸板孔道整齐摆放，按照操作要求对齐制丸板孔道后，前后推动三至四次，得到固定粒径的污泥球粒；
15.污泥球粒用清洁刷轻轻刮下，分散摆放于不锈钢风干托盘中，并置于 40-50℃烘箱中干燥12h，得到干污泥球粒；
16.取一定量的5)中干污泥球粒，采用限氧高温热解法，将干污泥球粒放入有盖方舟中，置于高温管式炉中，通入氮气保护，另一端接上橡胶软管通入1mo l/l 的naoh溶液中吸收尾气，以设置生物速率从室温升温至所需热解温度，并在此温度下热解所需时间，热解完成后取出置于玻璃干燥器中冷却至室温，得到污泥基生物炭粒。
17.污泥基生物炭粒制备方法中可对其进行改性处理，改性方法包括
18.在2)或3)中，污泥风干过程中或风干完成后，添加改性剂使其混合均匀，后续操作不变，得到改性污泥基生物炭粒；
19.在5)中，用改性剂与干污泥基球粒混合浸渍，浸渍完成后再次50℃烘干后热解，后续操作不变，得到改性污泥基生物炭粒；
20.干污泥球粒热解过程中添加改性剂使其共热解，后续操作不变，得到改性污泥基生物炭粒；
21.最后，制备完成的污泥基生物炭粒与改性剂混合浸渍，浸渍完成后再次80℃烘干，得到改性污泥基生物炭粒。
22.一种生物炭粒，生物炭粒为由所述制备方法制作的球粒状物体。
23.本发明用于处理城市剩余污泥的生物炭粒制备，利用简单的工具辅助，通过生态的方法达到处理城市剩余污泥并扩大其资源化利用的目的，该方法无需添加药剂、不耗费能量且简单易操作，同时具有良好的经济、环境和社会效益。
附图说明
24.下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
25.图1为污泥基生物炭粒的制备方法流程图；
26.图2为污泥基生物炭粒的图表；
27.图3为污泥基生物炭粒的柱状图。
具体实施方式
28.下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
29.污泥基生物炭粒的制备方法如图1所示，包括：脱水污泥风干、成条、制粒、烘干、热解，以获得污泥基生物炭粒，具体来说包括以下步骤：
30.选择含水率为80-85％的城市剩余脱水污泥；
31.制备污泥基生物炭粒的具体步骤包括：将城市剩余脱水污泥平铺于不锈钢风干托盘中后，将其中石块、塑料等杂质挑出后，自然风干，期间不断搅拌翻面以保证风干后污泥各部分含水率均匀，直至污泥各部分平均含水率为60-70％；
32.之后将其压实放置于出条孔孔径为3、5、6mm的不锈钢出条器中，缓慢旋转推出条状污泥。
33.将条状污泥分别放置于3、5、6mm的制丸板上并垂直于制丸板孔道整齐摆放，按照要求对齐制丸板孔道后，前后推动三至四次，得到粒径为3、5、6mm 的污泥球粒。
34.将污泥球粒分散放置于不锈钢风干托盘上，50℃烘箱中干燥24h，得到粒径为1-4mm的干污泥球粒。
35.采用限氧高温热解法，将干污泥球粒放于有盖方舟中，置于高温管式炉中，通入氮气保护，另一端接上橡胶软管通入1mol/l的naoh溶液中吸收尾气。以 2.5℃/min的升温速率由室温升温至300、500和700℃，并在此温度下热解60min 后降温，热解完成后取出置于玻璃干燥器中冷却至室温，得到粒径为1-4mm的污泥基生物炭粒。
36.本发明实施例中，烘干的温度需要能够在保证烘干效率，同时不会使污泥球粒被破坏或碳化的范围内进行设置，一般来说可以将温度范围设置在 40-50℃，即将烘干温度设置为40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、 47℃、48℃、49℃或50℃等，这是由于对污泥烘干来说，所需所有的烘干温度不可超过50℃，以防污泥在烘干过程中，由于温度过高导致其水分流失过快，而造成污泥球粒的裂解，破坏污泥球粒的整体球体结构，应该后续生物炭粒的热解制备，因此，在烘干温度不超过50℃的前提下，对污泥选择合适温度进行烘干。40-50℃内的任意温度，都可在保证烘干效率的同时，不影响污泥球粒的结构和性能。
37.本发明实施例中，烘干时间及热解时间均不固定，与烘干温度的设置以及热解制备所需性能有关，一般来说，烘干温度较高、水分残余量小，烘干时间就短一些，反之时间较长。然而，观察到干污泥球粒质量恒定后，即为水分完全烘干，即可停止烘干储存或进行热解。本领域技术人员可设置一定的时间间隔，对烘干中的污泥球粒进行定时的称量，以确认是否质量恒定，本发明实施例中，为了统一表述，将烘干时间定为24h以上，因为通常来说，24h以上足以完全得到干污泥球粒。
38.本发明实施例中，获得烘干后的污泥球粒后，需要对其进行限氧高温热解，以获得污泥基生物炭粒，对于热解条件均没有特定的要求，因此马弗炉或者管式炉均可使用。
39.可选地，污泥基生物炭粒的制备热解温度为300-700℃。
40.本发明实施例中，当制备污泥基生物炭粒时，热解温度为300-700℃的范围内，其中，热解温度可以是300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、 650℃、700℃等，任意在300-700℃的范围内的温度，通常来说，生物炭碳化后的含碳量和热解温度有关。
41.可选地，污泥基生物炭粒的制备热解时间为30-120min。
42.本发明实施例中，当制备污泥基生物炭粒时，热解时间为30-120min的范围内，其中，热解时间可以是30min、60min、90min、120min等，任意在30-120min 的范围内的时间，通常来说，生物炭碳化后的结构和性能和热解时间有关。
43.可选地，污泥基生物炭粒的制备热解升温速率为2-10℃/min。
44.本发明实施例中，当制备污泥基生物炭粒时，热解升温速率为2-10℃/min 的范围内，其中，热解升温速率可以是2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、 6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min等，任意在2-10℃/min的范围内的升温速率，通常来说，生物炭碳化后的结构和热解升温速率有关。
45.另外，为了证明本发明的可行性，本发明实施例中采用300、500、700℃下热解制备粒径为2、3、4mm污泥基生物炭粒，分别记为bp300-2、bp300-3、bp300-4、 bp500-2、bp500-3、bp500-4、bp700-2、bp700-3和bp700-4，并采用吸附实验对所制备的污泥基生物炭粒进行测定比较，结果如图2、3所示，从上述数据可知，实际制备的污泥基生物炭粒能够保证较高的产率，且在未改性条件下依然有效保持了对金属镉的高效吸附能力。
46.本发明实施例提供的污泥基生物炭粒为根据以上制丸、热解等制备方法获得的生物炭粒。
47.本发明实施例中，以城市脱水剩余污泥为制备原点，通过搓制球粒等步骤，制备了具有球状结构的小粒径污泥基生物炭粒，充分利用了生物炭的特殊微观结构，使得获得的污泥基生物炭粒对金属镉能够高效吸附的同时，便于分离回收，一方面提高了生物炭的应用范围，提高了生物炭材料的回收利用率，另一方面，也提高了吸附法的应用范围及效率。
48.综上，在本发明实施例提供的污泥基生物炭粒的制备方法及污泥基生物炭粒中，所述的污泥基生物炭粒的制备方法包括：将含水率为80-85％的脱水剩余污泥依次进行风干、成条、制粒，以获得污泥球粒；对所述；污泥球粒烘干、热解，以获得生物炭粒。本发明提供的污泥基生物炭粒的制备方法，不使用操作复杂或成本过高的机械设备，避免使用复杂设备而带来的多余能源损失而带来的环境污染隐患。
49.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。