一种改性污泥吸附剂的制备方法及其应用

1.本发明涉及重金属污染水修复技术领域，具体涉及一种改性污泥吸附剂的制备方法及其应用。


背景技术：

2.目前大批工业污染土地，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。目前工业化的迅猛发展，导致了土壤重金属污染化日益加重。以镉为主的重金属污染有待迫切解决，其中，镉、铅是大部分地区土壤的主要重金属污染物，这些重金属对人类健康及环境安全产生了极大的危害。因此，选择一种高效、经济的方法处理重金属污染，成为一个迫切需要解决的问题。
3.污水处理厂在进行污水处理的过程中，通过在污水中加入聚合氯化铝等絮凝剂，脱水产生大量了废弃污泥。目前污水处理厂污泥处置主要的处理方式主要有：直接排入城市污水管网、脱水处理后卫生填埋、陆上直接堆弃、直接排入水体环境。这些方法不仅需要大量的处理成本，还会对环境安全造成不利影响。
4.污泥本身作为一种可回收资源，通过对污泥的回收利用，可有效减少污水处理厂的污泥处置成本，同时解决其对环境造成的不利影响，从而产生显著的经济和环境效益。。


技术实现要素：

5.解决的技术问题：本发明针对现有技术中存在的重金属污染问题迫切需要解决、污泥处理需要大量处理成本等技术问题，提供了一种改性污泥吸附剂的制备方法及其应用，该污泥吸附剂经过高温酸化改性后，能够有效地吸附溶液中的重金属，具有极高的吸附性能，同时经济安全、对环境安全健康；
6.本技术的另一个目的是提供一种污水处理厂污泥资源化处置的一种方法，提升污水处理厂污泥的利用价值，有效应用于污水处理厂污泥处理。
7.技术方案：
8.一种改性污泥吸附剂的制备方法及其应用，具体包括以下步骤：
9.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用；
10.步骤2：将过筛后的含铝污泥在400-500℃下高温碳化处理3-4h，处理后的高温改性污泥用酸化改性剂进行酸化处理；
11.步骤3：将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂。
12.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤1中铝盐为聚合氯化铝，含铝污泥为污水处理厂用铝盐絮凝剂絮凝脱水而成，其中铝占所述含铝污泥干重的7-16％。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤3得到的改性污泥吸附剂粒径不大于0.15mm。
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中高温碳化处理过程中改性环境的
含氧量不大于10％。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤2中酸化改性剂为浓度为2.0-3.0mol/l浓盐酸。
16.作为本发明的一种优选技术方案：所述高温改性污泥与酸化改性剂固液比为1：(2-4)。
17.作为本发明的一种优选技术方案：所述酸化处理为室温下搅拌，搅拌时间为3-6h，搅拌后静置时间为18-24h。
18.本技术还公开了上述制备方法制得的改性污泥吸附剂在铅、镉废水修复中的应用，按3g/l的浓度将改性污泥吸附剂加入至400mg/l的铅废水中，或按3g/l的浓度将改性污泥吸附剂加入至100mg/l的镉废水中，将改性污泥吸附剂与铅、镉废水分别混合，按150r/min的搅拌速度，搅拌360min。
19.作为本发明的一种优选技术方案：所述改性污泥所作用的铅、镉废水初始ph＞4。
20.作为本发明的一种优选技术方案：所述改性污泥用于铅、镉重金属废水吸附，最大吸附量分别为87-97mg/g、17-21mg/g。
21.本技术的技术原理是：由于污水处理厂的含铝污泥主要由土壤颗粒、悬浮颗粒、有机物、腐殖质等物质组成，同时污泥中含有大量的活性铝成分，具有较好的吸附性能，本技术经过了大量的实验发现，考虑不同温度、酸化浓度、污染液初始ph，在后面的实施中将列出部分实验结果，含铝污泥通过高温酸性处理，可以扩大污泥的孔容，产生大量的孔隙其孔隙结构也更加发达，还能在其表面获得丰富的羟基、羧基等活性官能团，这些特征可以大大增强污泥本身的吸附能力，从而实现含铝污泥的资源化利用，同时高温温度及酸化浓度对改性污泥吸附材料的吸附性能影响较大，高温处理温度过低会导致污泥碳化不完全，温度过高则会致使其中活性铝成分部分丧失；酸化处理浓度过低时，不利于去除灰分，对污泥吸附材料的吸附能力提升也较小；此外，本技术不适用ph＜4以下的酸性溶液，在ph较低的酸性环境中，溶液中的h

会与铅、镉离子产生竞争吸附，从而降低污泥吸附材料的吸附性能。
22.有益效果：
23.与现有技术相比，本技术具有以下优势：
24.1、本技术以污水处理厂含铝污泥为原材料，为以铝盐絮凝剂为主的污水处理厂含铝污泥的资源化处置提供了新的方法，在减轻污水处理厂污泥对环境造成的危害的同时，具有吸附强度大、制作成本低等优点。
25.2、本技术提出的重金属污染废水吸附剂及其应用方法，在短时间内便可迅速发生反应，同时对ph＞4的各种环境下的重金属溶液均适用；
26.3、本技术提出的重金属污染废水吸附剂及其应用方法可为新型吸附剂的重金属废水修复提供一定的借鉴作用。
27.4、对比市面上常见的花生壳活性炭，其对污染液中铅、镉离子的最大吸附量分别为57.23mg/g和17.75mg/g，本技术所述改性污泥的铅、镉离子最大吸附量分别为87-97mg/g、17-21mg/g，可以替代常见的花生壳活性炭作为铅、镉离子污染液的吸附材料。
附图说明
28.图1为本技术实施例1不同温度对改性污泥吸附剂吸附铅(b)、镉(a)性能的影响
图；
29.图2为本技术实施例2不同酸化浓度对改性污泥吸附剂吸附铅(b)、镉(a)性能的影响图；
30.图3为本技术实施例3不同ph对改性污泥吸附剂吸附铅、镉性能的影响图。
具体实施方式
31.以下将配合实例来详细说明本发明的实施方式，提供以下优选的实施方式是为了对本发明如何应用技术手段来解决并达成技术功效的实现过程进行进一步的说明，并通过以下实施方式将本发明的范围完整的传达给相关技术人员。
32.实施例1
33.本实施目的在于测试出最优高温处理范围，实验过程如下所示：
34.如图1所示，一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
35.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的13.6％；
36.步骤2：将过筛后的含铝污泥分别在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、800℃的高温条件下碳化处理3h，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量8％，得到不同温度条件下的高温改性污泥吸附剂；
37.步骤3：将处理后得到的高温改性污泥吸附剂按3g/l的浓度加入至100mg/l的镉污染液与400mg/l的铅污染液中，调节ph＝6，进行重金属吸附。
38.对所述的改性前后的污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，得到的结果如下：随着温度的升高，污泥的吸附性能逐渐增加，在300℃-500℃的温度下，吸附效果均高于原污泥，尤其在400℃的温度下，污泥吸附剂的吸附性能最佳，铅、镉的最大吸附值分别为77.13mg/g和17.12mg/g。而随着温度的继续增加，吸附性能逐渐降低，高于600℃后改性污泥的吸附效果不及原污泥。
39.实施例2
40.本实施目的在于测试出最优酸化处理范围，实验过程如下所示：
41.如图2所示，一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
42.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的13.6％；
43.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行3h的400℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量8％，处理后的高温改性污泥在室温下分别进行1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mol/l浓盐酸酸化搅拌3h，污泥与盐酸固液比1：2，搅拌后静置20h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂；
44.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂在ph＝6的条件下按3g/l的浓度加入至100mg/l的镉污染液与400mg/l的铅污染液中，进行重金属吸附。
45.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，得到的结果如下：酸化处理浓度在2.0-3.0mol/l时，所述的改性污泥吸附剂的吸附性能较高。
46.实施例3
47.本实施目的在于测试出本技术适宜的溶液初始ph范围，实验过程如下所示：
48.如图3所示，一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
49.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的13.6％；
50.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行3h的400℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量8％，处理后的高温改性污泥在室温下进行2.5mol/l浓盐酸酸化搅拌3h，污泥与盐酸固液比1：2，搅拌后静置20h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂；
51.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂分别在ph＝2、ph＝4、ph＝5、ph＝6、ph＝7的条件下按3g/l的浓度加入至100mg/l的镉污染液与400mg/l的铅污染液中，进行重金属吸附。
52.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，得到的结果如下：在ph＜4时，由于溶液中的h

与铅、镉离子产生竞争吸附，从而导致吸附剂吸附性能降低。而ph＞4后，吸附性能逐步提高。
53.实施例4
54.一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
55.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的10％；
56.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行3h的400℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量8％，处理后的高温改性污泥在室温下进行2.5mol/l浓盐酸酸化搅拌3h，污泥与盐酸固液比1：2，搅拌后静置20h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂；
57.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂与常见的花生壳活性炭按3g/l的浓度分别加入至1000mg/l的铅污染液中，调节ph＝6，进行重金属吸附。
58.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，所述改性污泥的铅离子最大吸附量为96.39mg/g，对比市面上常见的花生壳活性炭，其对污染液中铅离子的最大吸附量为57.23mg/g，故本实例制备的改性污泥吸附材料可以替代常见的花生壳活性炭作为铅离子污染液的吸附材料。
59.实施例5
60.一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
61.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的15％；
62.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行4h的500℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量10％，处理后的高温改性污泥在室温下进行2.0mol/l浓盐酸酸化搅拌3h，污泥与盐酸固液比1：3，搅拌后静置18h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝
7后，得到改性污泥吸附剂；
63.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂与常见的花生壳活性炭按6g/l的浓度分别加入至800mg/l的铅污染液中，调节ph＝6，进行重金属吸附。
64.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，所述改性污泥的铅离子最大吸附量为95.11mg/g，对比市面上常见的花生壳活性炭，其对污染液中铅离子的最大吸附量为57.23mg/g，故本实例制备的改性污泥吸附材料可以替代常见的花生壳活性炭作为铅离子污染液的吸附材料。
65.实施例6
66.一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
67.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的12％；
68.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行4h的450℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量8％，处理后的高温改性污泥在室温下进行3.0mol/l浓盐酸酸化搅拌4h，污泥与盐酸固液比1：4，搅拌后静置24h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂；
69.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂与常见的花生壳活性炭按3g/l的浓度分别加入至300mg/l的镉污染液中，调节ph＝7，进行重金属吸附。
70.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，所述改性污泥的镉离子最大吸附量为19.12mg/g，对比市面上常见的花生壳活性炭，其对污染液中镉离子的最大吸附量为17.75mg/g，故本实例制备的改性污泥吸附材料可以替代常见的花生壳活性炭作为镉离子污染液的吸附材料。
71.实施例7
72.一种改性污泥吸附剂的制备方法，具体包括以下步骤：
73.步骤1：用铝盐作为污水处理厂的污泥絮凝剂，将污水处理产生的含铝污泥进行自然风干处理，处理后的含铝污泥经碎土机研磨过100目筛备用，其中铝含量占所述污泥干重的13％；
74.步骤2：将过筛后的含铝污泥进行3h的400℃高温碳化处理，高温碳化处理过程中改性环境的含氧量7％，处理后的高温改性污泥在室温下进行2.5mol/l浓盐酸酸化搅拌5h，污泥与盐酸固液比1：2，搅拌后静置22h；将酸化处理后的污泥进行去离子水清洗至ph＝7后，得到改性污泥吸附剂；
75.步骤3：将处理后得到的改性污泥吸附剂与常见的花生壳活性炭按3g/l的浓度分别加入至200mg/l的镉污染液中，调节ph＝5，进行重金属吸附。
76.对所述的改性污泥吸附剂吸附后的重金属污染液进行毒性浸出试验，所述改性污泥的镉离子最大吸附量为21.38mg/g，对比市面上常见的花生壳活性炭，其对污染液中镉离子的最大吸附量为17.75mg/g，故本实例制备的改性污泥吸附材料可以替代常见的花生壳活性炭作为镉离子污染液的吸附材料。
77.本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定；对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出
其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举；凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。