CN107335405A - 一种污泥生物炭土壤修复剂及其制备方法 - Google Patents

一种污泥生物炭土壤修复剂及其制备方法 Download PDF

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吴平霄
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Abstract

本发明公开一种污泥生物炭土壤修复剂以及制备该土壤修复剂的方法，在剩余污泥中加入活化剂之后进行热碱预处理，后加入蒙脱石、氯化铁和聚丙烯酰胺并进行搅拌，然后导入高压的压滤装置中，压滤脱水得到泥饼，最后在厌氧环境中或真空条件下，将泥饼高温热解，得到的热解产物即为污泥生物炭土壤修复剂。本发明所制备的生物炭土壤修复剂孔隙结构发达且比表面积高，具有良好的吸附性、保水性和保肥性，是一种良好的土壤修复剂，非常适用于城市绿化、沙地改良和低浓度重金属有机物污染土壤修复，并且本发明原材料价廉易得，将污泥变废为宝，缓解能源危机，提高污泥的附加值，为污泥资源化利用提供技术支持。

Description

一种污泥生物炭土壤修复剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及环境功能材料领域，尤其涉及一种污泥生物炭土壤修复剂及其制备方法。
背景技术
污泥可以说是一种取之不尽用之不竭的资源，其一般富含磷、钾、有机质等，有很高的价值，若直接填埋或焚烧，比较浪费。通过各种形式将其资源化再利用，使污泥重新参与生态***的物质循环，不仅成本低，而且可以有效利用污泥中有用的营养物质，减少自然资源的损耗，变废为宝，符合可持续发展战略。污泥资源化利用应兼顾环境生态效益、社会效益和经济效益，将污泥合理资源化利用成为人们研究的热点之一。
由于将污泥进行土地利用这种方式因投资较少、能耗水平较低、运行费用较少、可起到土壤改良作用等优点而被认为是最有发展潜力的一种污泥处置方式，其前提是污泥中有毒有害物质含量不应超过环境所能承受的容量范围，科学合理的土地利用，可减少污泥中污染物质带来的负面环境效应。污泥土地利用包括以下三个方面：(1)作为农作物、牧草肥料用于农用，并进入食物链；(2)作为园林绿化肥料；(3)作为沙地、盐碱地、废弃矿区基质土壤改良。用于林地和市政绿化时能够避免污泥中污染物的环境风险进入食物链，因而成为污泥土地利用的重要方式。污泥用于土壤改良，能够在处置污泥的同时实现对生态环境的修复，因而具有重要的环境效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法。
本发明的另一个目的是提供由上述制备方法制备得到的污泥生物炭土壤修复剂。
本发明的技术方案如下：一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取含固率为40～60g/L的剩余污泥，在剩余污泥中加入活化剂，之后进行热碱预处理，热碱预处理的温度为20-100℃，热碱预处理的时间为1～5h；
(2)加入蒙脱石、氯化铁和聚丙烯酰胺并搅拌2～10min，其中，所述剩余污泥的固体和蒙脱石重量比为：1：0.2～1：1，氯化铁的投加量为4～10g/L，聚丙烯酰胺的加入量为0～1％；
(3)将步骤(2)调理好的污泥导入高压的压滤装置中，压滤脱水得到泥饼，压滤脱水时的气压强度为20～60psi；
(4)在厌氧环境中或真空条件下，将泥饼高温热解，高温热解的温度为200℃～600℃，高温热解的时间为1～3h，得到的热解产物即为污泥生物炭土壤修复剂。
步骤(1)中所述活化剂为KOH溶液。
步骤(1)中所述活化剂为强碱溶液，其浓度为0～1mol/L。
所述污泥生物炭土壤修复剂由上述方法制备得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所制备的生物炭土壤修复剂孔隙结构发达且比表面积高，具有良好的吸附性、保水性和保肥性，是一种良好的土壤修复剂，非常适用于城市绿化、沙地改良和低浓度重金属有机物污染土壤修复。
(2)本发明原材料价廉易得，将污泥变废为宝，缓解能源危机，提高污泥的附加值，为污泥资源化利用提供技术支持。
附图说明
图1为活化剂浓度对产物碘值和产物亚甲基蓝值的影响。
图2为活化剂浓度对产物阳离子交换量和本土壤修复剂产率的影响。
图3为蒙脱石掺杂比例对产物碘值和产物亚甲基蓝值得影响。
图4为蒙脱石掺杂比例对产物阳离子交换量和本土壤修复剂产率的影响。
图5为热解温度对产物碘值和产物亚甲基蓝值的影响。
图6为热解温度对产物阳离子交换量和本土壤修复剂产率的影响。
图7为本土壤修复剂对不同初始浓度的重金属Cr的吸附作用。
图8为本土壤修复剂对不同初始浓度的四环素和双酚A的吸附作用。
图9为本土壤修复剂的组成成分。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取六份100mL的剩余污泥液(其含固率为40g/L)，在每份中分别加入KOH，使活化剂的浓度(即KOH的浓度)分别为0,0.2,0.4,0.6,0.8和1.0mol/L,并在60℃条件下进行热碱预处理3h；
(2)向上述六份进行热碱预处理后的污泥中每份均加入比例为0.3的蒙脱石(即蒙脱石与污泥中的固体比例为0.3)、氯化铁7g/L以及质量比(聚丙烯酰胺/污泥量)为0.1％聚丙烯酰胺，并进行搅拌，搅拌时间为6min；
(3)把调理好的污泥，倒入气压高压的压滤装置中，在气压强度为40psi下压滤脱水得到泥饼；
(4)将泥饼在厌氧或真空的氛围中高温热解，热解温度为400℃，热解的时间为2h，热解得到的产物即为不同活化剂浓度制得的污泥生物炭土壤修复剂。
利用亚甲基蓝吸附值、碘值、阳离子交换量以及污泥生物炭土壤修复剂的产率四项指标来进行评测，其中亚甲基蓝吸附值、碘值和阳离子交换量是用来测量生物炭的吸附性、保水性和保肥性的。如图1所示，产物碘值随活化剂浓度的逐渐升高呈现先增加后减小的趋势，活化剂浓度为0.2mol/L时碘值最大，达到144mg.g-1，产物亚甲基蓝值随活化剂浓度增加呈现逐渐升高的趋势。
如图2所示，阳离子交换量随活化剂浓度的增加先上升后略有下降，活化剂浓度为0.4mol/L处达到最大值，约为185cmol.kg-1。污泥生物炭土壤修复剂产率随着活化剂浓度的增加先逐渐上升后趋于平衡，约为78％。
由图1与图2综合评价可得，活化剂浓度为0.4mol/L时制备的产物性能最佳。
实施例2
一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取六份100mL的剩余污泥液(其含固率为40g/L)，在每份中分别加入KOH，使其活化剂的浓度(即KOH的浓度)为0.4mol/L，并在60℃条件下进行热碱预处理3h；
(2)将比例(指蒙脱石与污泥中固体的比例)为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6的蒙脱石分别加入上述六份进行热碱预处理的污泥，再加入氯化铁7g/L，加入质量比(聚丙烯酰胺/污泥量)为0.1％聚丙烯酰胺，并进行搅拌，搅拌时间为6min；
(3)把调理好的污泥，倒入气压高压的压滤装置中，在气压强度为40psi下压滤脱水得到泥饼；
(4)将泥饼在厌氧或真空的氛围中高温热解，热解温度为400℃，热解的时间为2h，热解得到的产物即为不同蒙脱石比例制得的污泥生物炭土壤修复剂。
利用亚甲基蓝吸附值、碘值、阳离子交换量以及污泥生物炭土壤修复剂的产率四项指标来进行评测，其中亚甲基蓝吸附值、碘值和阳离子交换量是用来测量生物炭的吸附性、保水性和保肥性的。如图3所示，产物碘值随蒙脱石投加比例的逐渐升高呈现先增加后减小的趋势，投加比例为0.3时碘值最大，达172mg.g-1。产物亚甲基蓝值随蒙脱石投加比例的逐渐升高也呈现先增加后减小的趋势，投加比例为0.3时亚甲基蓝值最大，达57mg.g-1。
如图4所示，阳离子交换量随着蒙脱石投加比例的增加而先上升后趋于平衡，投加比例为0.3处达到最大值，约为150cmol.kg-1。污泥生物炭土壤修复剂产率随着蒙脱石投加比例的增加而先上升后下降，投加比例为0.3处达到最大值，约为84％。
由图3与图4综合评价可得，蒙脱石比例为0.3时制备的产物性能最佳。
实施例3
一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)取五份100mL的剩余污泥液(其含固率为40g/L)，在每份中分别加入KOH，使其活化剂的浓度(即KOH的浓度)为0.4mol/L，并在60℃条件下进行热碱预处理3h；
(2)向上述五份热碱预处理后的污泥中每份均加入比例为0.3的蒙脱石(即蒙脱石与污泥中固体的比例)、氯化铁7g/L，以及质量比(聚丙烯酰胺/污泥量)为0.1％聚丙烯酰胺，并进行搅拌，搅拌时间为6min；
(3)把调理好的污泥，倒入气压高压的压滤装置中，在气压强度为40psi下压滤脱水得到泥饼；
(4)将泥饼在厌氧或真空的氛围中高温热解，热解温度分别为300℃、400℃、500℃、600℃和700℃，热解的时间为2h，热解得到的产物即为不同热解温度制得的污泥生物炭土壤修复剂。
利用亚甲基蓝吸附值、碘值、阳离子交换量以及污泥生物炭土壤修复剂的产率四项指标来进行评测，其中亚甲基蓝吸附值、碘值和阳离子交换量是用来测量生物炭的吸附性、保水性和保肥性的。如图5所示，随温度的逐渐升高碘值呈现先增大后减小的趋势，400℃处达到最大值236mg.g-1。产物亚甲基蓝值随煅烧温度的增加而逐渐下降。
如图6所示，阳离子交换量随温度的增加先上升后减小。污泥生物炭土壤修复剂产率随着温度的增加而逐渐下降。
由图5与图6综合评价可得，热解温度为400℃时制备的产物性能最佳。
综上所述，当活化剂KOH的浓度为0.4mol/L、蒙脱石掺杂比例为0.3、热解温度为400℃时得到的污泥土壤修复剂的吸附性、保水性、保肥性以及产率最高。选择初始浓度C0各为2mg/L、4mg/L、8mg/L重金属Cr、初始浓度C0各为10mg/L、20mg/L和30mg/L的有机污染物四环素以及初始浓度C0各为5mg/L、10mg/L和20mg/L的双酚A这三种污染物为代表，研究本修复剂对三者的吸附作用。
由图7可知，本修复剂对重金属Cr具有较好的吸附作用，在Cr的初始浓度为2mg.L-1以及4mg.L-1时，Cr的去除率达20％左右，初始浓度为8mg.L-1时，去除率也能达到12％左右。
由图8可知，本吸附剂对四环素的吸附固定效果突出，在四环素的初始浓度为10mg.L-1，去除率达72％左右，在四环素的初始浓度为30mg.L-1，去除率也能达到55％左右。修复剂对双酚A的吸附效果也比较明显，在双酚A的初始浓度5mg.L-1时，去除率达到35％左右，在双酚A的初始浓度为20mg.L-1时，去除率也能达到20％左右。
图9为本修复剂的组成成分，由图可知，本修复剂不仅能对污染土壤中的重金属和有机污染物进行吸附固定，而且还具有一定的P、K等营养成分，是一种具有广阔应用前景的土壤修复剂。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明所制备的生物炭土壤修复剂孔隙结构发达且比表面积高，具有良好的吸附性、保水性和保肥性，是一种良好的土壤修复剂，非常适用于城市绿化、沙地改良和低浓度重金属有机物污染土壤修复。
(2)本发明原材料价廉易得，将污泥变废为宝，缓解能源危机，提高污泥的附加值，为污泥资源化利用提供技术支持。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取剩余污泥，在剩余污泥中加入活化剂，之后进行热碱预处理；
(2)加入蒙脱石、氯化铁和聚丙烯酰胺并进行搅拌；
(3)将步骤(2)调理好的污泥导入高压的压滤装置中，压滤脱水得到泥饼；
(4)在厌氧环境中或真空条件下，将泥饼高温热解，得到的热解产物即为污泥生物炭土壤修复剂。
2.根据权利要求1所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述剩余污泥的含固率为40～60g/L。
3.根据权利要求1所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，所述活化剂为KOH溶液。
4.根据权利要求1或3所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述活化剂为强碱溶液，其浓度为0～1mol/L，所述热碱预处理的温度为20-100℃，热碱预处理的时间为1～5h。
5.根据权利要求1所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述剩余污泥的固体和蒙脱石重量比为：1：0.2～1：1，氯化铁的投加量为4～10g/L，聚丙烯酰胺的加入量为0～1％，搅拌时间为2～10min。
6.根据权利要求1所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中压滤脱水时的气压强度为20～60psi。
7.根据权利要求1所述的污泥生物炭土壤修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中高温热解的温度为200℃～600℃，高温热解的时间为1～3h。
8.一种污泥生物炭土壤修复剂，其特征在于，由权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
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