CN106166558B - 一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，属于环境岩土工程领域,包括以下步骤：步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01‑0.5重量份的光催化剂、0.1‑2重量份的萃取剂、1‑15重量份的吸波剂和0.1‑5重量份的激发剂；步骤S2、将市政脱水污泥与步骤S1添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂和激发剂进行均匀混合；步骤S3、将具有上述污泥混合物放入微波炉进行微波处理而得到可用于提高加热效率的微波炉吸波剂。本发明变废为宝，能将固废材料污泥转化为微波吸收剂，将其作为添加剂能极大的提高微波加热效率，同时该方法具有高效降低污泥中的活性有机质、钝化惰性有机质、污泥体积减量大等优势。

Description

一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法

技术领域

本发明涉及环境岩土工程领域，具体涉及一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法。

背景技术

由于我国污水厂在建设过程中，我国城镇污水处理厂基本实现了污泥的初步减量化，但未实现市政脱水污泥的稳定化处理。据统计，约80％污水厂建有污泥的浓缩脱水设施，达到了一定程度的减量化；约有80％的污泥未经稳定化处理，污泥中含有恶臭物质、病原体、持久性有机物等污染物从污水转移到陆地，导致污染物进一步扩散，使得已经建成投运的大污水处理设施的环境减排效益大打折扣。

市政脱水污泥具有容量大、不稳定等特点，其中的固相有机质因为含量高达38％，且分子量大、沸点高、难降解，特别容易发生腐败变质而变得恶臭，对人体有毒有害，不处理或处置不当将导致污染水入侵地下水、恶臭气体侵蚀大气等严重的二次污染事故。在我国，市政脱水污泥及其有机质的处理技术、工艺及装备的发展仍受经济水平发展的制约，不堪巨额处理费用而作出的“重水轻泥”思想业已导致严重的环境污染。

传统污泥处理方法有3种：焚烧、填埋和资源化利用。国外多采用焚烧工艺，但投资巨大，易造成大气污染；国内多采用填埋，但需要占用大量的土地，同时会造成环境的二次污染。据统计，目前处置方式中，土地填埋占63.0％、污泥好氧发酵+农用约占13.5％、污泥自然干化综合利用占5.4％、污泥焚烧占1.8％、污泥露天堆放和外运各占1.8％和14.4％。事实上，土地填埋、露天堆放和外运的污泥绝大部分属于随意处置，真正实现安全处置的比例不超过20％。

另外，在资源化利用方面，研究人员也开发了一系列碳化工艺。所谓污泥碳化，就是通过一定的手段，使污泥中的水分释放出来，同时又最大限度地保留污泥中的碳值，使最终产物中的碳含量大幅提高的过程。在世界范围内，污泥碳化主要分为如下3种：

⑴高温碳化。碳化时不加压，温度为649—982℃。先将污泥干化至含水率约30％，然后进入碳化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值约为8 360—12540kJ/kg(日本或美国)。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于其技术复杂，运行成本高，产品中的热值含量低，当前尚未有大规模地应用。

⑵中温碳化。碳化时不加压，温度为426—537℃。先将污泥干化至含水率约90％，然后进入碳化炉分解。工艺中产生油、反应水(蒸汽冷凝水)、沼气(未冷凝的空气)和固体碳化物。另外，该技术是在干化后对污泥实行碳化，其经济效益不明显，除澳洲一家处理厂外，尚无其他潜在的用户。

⑶低温碳化。碳化前无需干化，碳化时加压至6—8MPa，碳化温度为315℃，碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率50％以下，经干化造粒后可作为低级燃料使用，其热值约为15 048～20 482kJ/kg(美国)。该技术通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通过机械方法即可将污泥中75％的水分脱除，极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。

(4)污泥水解热干化技术。污泥水热干化技术通过将污泥加热，在一定温度和压力下使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下机械脱水的含水率大幅度降低。污泥的水解宏观上表现为挥发性悬浮固体浓度减少和COD、BOD以及氨氮等浓度增加。水热干化技术采用浆化反应器，通过闪蒸乏汽返混预热浆化、蒸汽与机械协同搅拌，提高了***的处理效率；在水热反应器中，采用蒸汽逆向流直接混合加热的方式，强化了传质传热过程，可以避免局部过热结焦碳化：在连续闪蒸反应器中，实现了***能量的有效回收。

目前，我国市政脱水污泥处理的现状，主要存在处理率低、工艺不完善、技术单一、装备水平落后、处置保障率、资源化利用率低以及二次污染风险大等问题。因此，必须改进和革新市政脱水污泥固相有机质处理工艺。

微波能量是一种新型的绿色能源，在交变的微波电场作用下，具有极性的物质分子随电磁场的变化而发生变化，微波辐射高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞***。由于吸收微波能，细胞内部温度迅速上升，使其细胞内部压力超过细胞壁膨胀承受能力，细胞破裂。细胞内有效成分自由流出，在较低的温度条件下提取介质捕获并溶解。同时由于极性分子间的摩擦发热，使污泥体系的温度迅速上升而固化。与传导性质的加热相比，微波加热可以使物体的更大部分得到加热，且由于微波能透入内部，由内向外逐步加热，有利于水分和有机质从污泥的内部向外迁移挥发，因而萃取和脱水速度非常快。

关于污泥微波处理的典型研究如下：傅大放等用输出功率为750W的微波辐射浓缩池污泥发现，辐射45min污泥含水率可降为36％。邹路易等用微波辐射浓缩池污泥的研究表明，当电耗小于0.2×10^-3kW·h时污泥含水率仍在80％以上，电耗达0.35×10^-3kW·h时污泥含水率可降至60％。田禹等研究了微波辐射处理对污泥结构和脱水性能的影响。MENNEDEZ等对微波制备活性炭的可行性进行了分析。Gan进一步证明：微波干燥重金属氢氧化物沉淀污泥时，对其中重金属Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺和Pb²⁺有明显固定作用。Tai HS证明了微波辐射对土壤中重金属铬的固定效果，满足美国环境保护署规定5mg/L的浸出最高浓度要求。在污泥有机物和重金属检测方面，有少量的研究报道，比如采用Tessier五步萃取法分析城市污水厂污泥中重金属的形态分布、采用微波辅助萃取/高效液相色谱法测定深圳市龙岗区供水集团有限公司各水厂的沉淀池和回收水池池底污泥中烷基酚类和烷基酚聚氧乙烯醚类化合物的浓度等。但这些检测实验的污泥用量一般都是30ml左右，所使用的微波炉设备简陋，有的还使用家用微波炉，工业化污泥微波萃取尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，包括以下步骤：

步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-0.5重量份的光催化剂、0.1-3重量份的萃取剂、1-15重量份的吸波剂和0.1-5重量份的激发剂；

步骤S2、将市政脱水污泥与步骤S1添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂和激发剂进行均匀混合；

步骤S3、将步骤S2混合后的污泥混合物放入微波炉进行微波处理，获得微波吸波剂。

本发明的有益效果是：本发明的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法具有高效降低活性有机质、快速脱水、污泥体积减量大等优势,吸波剂、光催化剂和绿色萃取剂等物质能使污泥体系的温度超过了300℃，微波能量能破坏污泥及其有机质本身复杂的结构，污泥中的活性有机质被大量降解、催化氧化、萃取出来，将富含惰性有机质、光催化剂、吸波剂、激发剂的污泥混合物转化为微波吸收剂，变废为宝。本发明利用微波能量直接处理污泥，将富含有机质污泥转化为既可吸附重金属又能提高微波加热效率的吸波材料，具有成本低、同步低耗深度脱水、高温降解有机质、光催化活性有机质、萃取有机质等多项优点。

进一步的，所述步骤S1的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌或其混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明针对污泥中活性有机质、惰性有机质、重金属等的特点，将氧化能力强、化学性质稳定、价格低廉的无毒光催化剂二氧化钛引入到印染污泥微波无害化处理工艺中，添加光催化剂纳米二氧化钛、纳米氧化锌或其混合物后，再进行微波处理，明显加快了处理速率，能大幅度的增强微波处理的效果。

进一步的，所述步骤S1的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥、煤矸石粉和污泥生物炭等含碳废料中任意一种或多种的混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用微波选择性加热的特点，使微波能量集中到污泥体系，提高了微波的使用效率，污泥体系的温度范围是100-500℃，远高于没有添加吸波剂的污泥体系温度，有利于污泥中水分脱出、活性有机质分解和萃取。

进一步的，所述步骤S1的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是：使用了萃取剂，加速了低分子有机质和分解的有机质的溶解和萃取行为，能使污泥有机质含量降低50％。

进一步的，所述步骤S3中的激发剂是氯化镁、硫酸钠、氢氧化钙中任意一种或多种的混合物。

采用上述进一步方案的有益效果是：使用了低成本的激发剂，能促进有机质溶解到萃取剂中，也能提高微波的加热效率。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

微波能量是一种新型的绿色能源，在交变的微波电场作用下，具有极性的物质分子随电磁场的变化而发生变化，微波辐射高频电磁波穿透萃取介质，到达物料的内部维管束和腺胞***。微波加热的特点如下：

a.穿透性加热，加热速度快。其穿透的距离，在理论上与电磁波波长同数量级。微波加热是使被加热物体本身成为发热物体，称之为整体加热方式，不需要热传导的过程，因此能实现短时间内加热。微波加热时物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透电磁波，以产生热量，介质材料加热的无效性大大改善。

b.加热均匀。微波加热时，物体各部位不论形状如何，通常都能均匀渗透微波产生热量。因此均匀性大大改善。可避免外焦内生、外干内湿现象。

c.选择性加热。微波对不同性质的物料有不同的作用，因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较底的部位；物料中水比干物质吸收微波的能力强，故水受热高于干物质，这有利于水分温度上升，促使水分蒸发，也有利于干物质发生过热现象，这对减小营养和风味的破坏极为有利。选择性加热的特点有：自动平衡吸收微波，避免物料加热干燥时发生焦化。

d.节能高效。微波对不同物质有不同的作用，微波加热时，被加热物一般都是放在金属制造的加热室内，加热室对微波来说是一个封闭的空腔，微波不能外泄；外部散热损失少，只能被加热物体吸收，加热室的空气与相应的容器都不会发热，没有额外的热能损耗，所以热效率极高；同时，工作场所的环境也不会因此升高，环境条件明显改善。所以节能、省电，一般可节省30％—50％。

e.易于控制。实现自动化生产微波加热干燥设备只要操作控制控制旋纽即可瞬间达到升降开停的目的。因为在加热时，只有物体本身升温，炉体、炉膛内空气均无余热，因此热惯性极小，没有热量损失，应用微机控制可对产品质量自动监测，特别适宜于加热过程中和加热工艺规范的自动化控制。

f.改善劳动条件，节省占地面积。微波加热设备无余热、无样品污染问题，容易满足食品卫生要求，本身又不发热、不辐射热量，所以大大改善了劳动条件，而且设备结构紧凑，节省厂房面积。

本发明提供了一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，包括以下步骤：

步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-0.5重量份的光催化剂、0.1-3重量份的萃取剂、1-15重量份的吸波剂和0.1-5重量份的激发剂；

步骤S2、将市政脱水污泥与步骤S1添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂和激发剂进行均匀混合；

步骤S3、将步骤S2混合后的污泥混合物放入微波炉进行微波处理，获得微波吸波剂。

所述步骤S1的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌中任意一种或多种的混合物。

所述步骤S1的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。

所述步骤S1的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥、煤矸石粉和污泥生物炭等含碳废料。

所述步骤S1的激发剂是氯化镁、硫酸钠、氢氧化钙中任意一种或多种的混合物。

所述步骤S3中，微波温度范围为100-500℃。

本发明用的可以是拉门式微波炉，内腔20L-100L，每次用量约为2000ml，加热3-5分钟，功率可达7000w；本发明用的也可以是隧道式微波炉，内腔50L-200L，每次用量约为5000ml，加热3-5分钟，功率可达800000w。

本发明的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法具有节能高效、均匀加热、降解有机物、重金属固化、低温杀菌、污泥体积减量大等优势，吸波剂、光催化剂和绿色萃取剂等物质能使污泥体系的温度超过了300℃，微波能量能破坏污泥及其有机质本身复杂的结构，污泥活性有机质被大量降解、催化氧化、萃取出来，污泥中的水分降低了80％以上，能将富含有机质污泥转化为既可吸附重金属又能提高微波加热效率的吸波材料。

本发明针对污泥中活性有机质、惰性有机质、水分等的特点，将氧化能力强、化学性质稳定、价格低廉的无毒光催化剂二氧化钛引入到印染污泥微波无害化处理工艺中，能将降解为低分子的有机质催化氧化或者萃取出来，具有成本低、同步低耗深度脱水、高温降解有机质、光催化活性有机质、萃取有机质等多项优点，能将富含有机质污泥转化为既可吸附重金属又能提高微波加热效率的吸波材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、向100重量份的市政脱水污泥中添加0.01-0.5重量份的光催化剂、0.1-3重量份的萃取剂、1-15重量份的吸波剂和0.1-5重量份的激发剂；

步骤S2、将市政脱水污泥与步骤S1添加的光催化剂、萃取剂、吸波剂和激发剂进行均匀混合；

步骤S3、将步骤S2混合后的污泥混合物放入微波炉进行微波处理，获得微波吸波剂。

2.根据权利要求1所述的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，所述步骤S1的光催化剂为纳米二氧化钛、纳米氧化锌中任意一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1所述的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，所述步骤S1的萃取剂是碳酸二甲酯、四氯化碳、丙二醇或乙酸乙酯中任意一种或多种的混合物。

4.根据权利要求1所述的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，所述步骤S1的吸波剂是碳渣、煤矸石粉、铸造粘土砂污泥、煤矸石粉和污泥生物炭这些含碳废料中任意一种或多种的混合物。

5.根据权利要求1所述的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，所述步骤S1的激发剂是氯化镁、硫酸钠、氢氧化钙中任意一种或多种的混合物。

6.根据权利要求1所述的利用市政脱水污泥制备微波吸收剂的方法，其特征在于，所述步骤S3中，微波温度范围为100-500℃。