CN112374724A - 底泥脱水剂及脱水方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种底泥脱水剂及脱水方法，以污泥为原料制备生物炭来活化过硫酸盐，改善底泥的脱水效果。首先生物炭能通过骨架构建作用改善底泥脱水性能，同时污泥高温裂解后产生的活性位点和其中含有的金属离子能活化过硫酸盐产生具有强氧化性的硫酸根自由基，裂解胞外聚合物并释放结合水进一步提高底泥脱水性能。进而减小底泥体积，便于底泥后续的资源化利用。

Description

底泥脱水剂及脱水方法
技术领域
本发明涉及污泥处理处置、环境治理技术领域，尤其是涉及一种底泥脱水剂及脱水方法。
背景技术
底泥是江河湖泊水库等水体底部的长期积存的沉积物，是影响水环境质量状况的重要因素。随着全球社会经济快速发展，城市工业化加剧，给环境带来的问题也逐渐增多。其中，污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶等作使污染物沉积到底泥中并且逐渐富集。以及污水泵站溢流排放、生活污水和工业污水的大量排放。导致重金属含量和各类污染物质不断富集，且含量迅速增加导致污染问题越发严重。因此，如何有效的对底泥进行处理处置，实现底泥的减量化、无害化、资源化成为了当前必须解决的紧迫问题。
目前国内底泥处理处置能力不足，处理手段落后，大量的底泥得不到合理化和规范化的处理，严重危害生态环境。河湖底泥最好的处理方式之一是资源化，目前技术主要有底泥土地利用、制造建筑材料、固化后做填方材料以及制备生物炭。河湖底泥同污泥一样有较高的含水率，一般为96％。底泥的含水率成为了限制它处理处置的关键因素。此外，较高的含水率伴随着底泥体积庞大、运输成本高和占地面积广等问题。底泥处理处置的成本主要包括运输费和最终处置费，影响成本的关键因素是底泥的量，降低底泥含水率可以大大降低处置成本。可见，提高底泥脱水效率、降低污泥含水率已成为底泥处理乃至环境科学技术领域亟需解决的难题之一。
底泥脱水性能受多种因素的影响，主要包括：底泥水分存在形式、底泥颗粒的大小及分布、表面电荷和胞外聚合物等。其中，由于胞外聚合物(EPS)形成的污泥有机絮体结构，亲水性高，包裹能力强，阻碍了底泥在处置处理过程中释放结合水。另外，底泥絮体有机质含量高，具有高压缩性，在过滤后期会堵塞滤饼的孔隙，导致机械脱水效率较低；并且污泥絮体以胶体形式稳定的悬浮于水中，难以凝聚沉降。因此，为了提高污泥脱水效率，现有的研究采取了一系列预处理措施对底泥进行调理，如破坏底泥胞外聚合物，改变其表面特性；增大底泥颗粒粒径，促使其脱稳聚集沉降等。
现有提高脱水效率的方法主要可分为：物理法、化学法和生物法。其中物理处理后底泥可脱水程度可以得到大大改善，含水率普遍在50％以下，但是污泥预处理的工艺复杂，造作困难，反应消耗大量的能量，成本相对较高。生物法脱水效率有限，可降到70％,由于微生物选取难、培菌过程复杂和培养周期较长等因素，限制了整体的发展。化学法是目前研究最多的方法，其能从改变底泥的性质来改善底泥脱水性能，操作简单，效果稳定。目前比较成熟的化学方法主要有酸处理、高级氧化技术和热处理等方法。为了达到脱水性能最大化和经济性能最优化，常常通过不同方法的结合以及协同作用来达到目的。
在脱水领域，高级氧化技术目前比较常用的有Fenton氧化、电化学氧化、类Fenton氧化法。基于过硫酸盐的高级氧化技术是目前最具发展潜力的技术之一。过硫酸盐可通过金属离子或生物炭活化，产生具有强氧化性的过硫酸根自由基破坏底泥胞外聚合物的结构，并改变其表面电荷，释放结合水，可以大大提升底泥的脱水性能。污泥由于含有大量有机物，可用其制备生物炭，其中有含有活性位点可用于活化过硫酸盐。因此基于底泥制备的生物炭活化过硫酸盐提升底泥脱水性能是可行且有效的。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种底泥脱水剂和脱水方法，利用废弃的污泥制备生物炭的活性位点来活化过硫酸盐，实现了污泥资源化和循环利用。
本发明采用的技术方案是：一种底泥脱水剂，其特征在于：包括生物炭和过硫酸盐试剂，每1g所需脱水的底泥中，所述生物炭用量为10～40mg，所述过硫酸盐试剂用量为40～80mg。
作为优选，制备所述生物炭包括以下步骤：将污泥经风干、烘干后，研磨筛分得到污泥粉末，干燥储存备用；取污泥粉末，经碳化筛分后，得到所需生物炭。
进一步的，所述碳化温度为750～900℃，升温速率为10℃/min,停留时间为2h-3h。
作为优选，所述过硫酸盐试剂为含有过硫酸根自由基的过硫酸盐。
进一步的，所述过硫酸盐为过硫酸钠。
一种脱水方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在底泥中加入生物炭，在常温下搅拌；
(2)然后加入过硫酸盐试剂，在20～80℃下搅拌；
(3)将步骤(2)处理后的底泥放入毛细管吸收时间测定仪和比阻测定装置；
(4)将步骤(3)中比阻测定装置抽滤后的底泥放入卤素水分测定仪，测定含水率。
作为优选，步骤(1)中的底泥含水率为90％～98％。
作为优选，步骤(1)中，搅拌时间为15分钟；步骤(2)中，搅拌时间为15分钟。
作为优选，步骤(2)中的搅拌温度为60℃。
本发明取得的有益效果是：以污泥为原料制备生物炭来活化过硫酸盐，改善底泥的脱水效果。首先生物炭能通过骨架构建作用改善底泥脱水性能，同时污泥高温裂解后产生的活性位点和其中含有的金属离子能活化过硫酸盐产生具有强氧化性的硫酸根自由基，裂解胞外聚合物并释放结合水进一步提高底泥脱水性能。进而减小底泥体积，便于底泥后续的资源化利用。利用废弃的污泥制备生物炭的活性位点来活化过硫酸盐，实现了污泥资源化和循环利用；并且能降低底泥的含水率，能极大地减少体积，为底泥的后续处理处置的应用奠定了基础。与现有的技术相比，本发明的具有以下优点:
(1)、利用污泥制备污泥生物炭具有孔隙结构和活性位点，能吸附底泥中的部分重金属，避免了二次污染；同时能活化过硫酸盐，进而提升底泥的脱水性能；
(2)、能显著降低比阻和毛细吸水率，降低底泥的含水率，减少底泥的体积，为底泥的最终处理处置和引用奠定了基础；
(3)、通过高级氧化的方式对底泥进行调理，改变了底泥胞外聚合物的结构，释放了结合水，改变了表面电荷，水分更容易分离；并且改变了底泥的孔隙结构，是的脱水和干化效率更高。并且能耗较低，操作简单，运行管理方便，交易实施。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明一种底泥脱水剂，包括生物炭和过硫酸盐试剂，每1g所需脱水的底泥中，生物炭用量为10～40mg，过硫酸盐试剂用量为40～80mg。根据性质不同的底泥，对生物炭和过硫酸盐的剂量可做相应调整，通过破坏底泥胞外聚合物的结构，释放结合水，改变表面电荷，从而改善脱水性能。
制备生物炭的具体步骤如下：将污泥经自然风干、烘干后，用球磨机研磨，过100目筛得到污泥粉末，干燥储存备用；取部分污泥粉末在850℃焚烧3h(碳化)，过100目筛后得到所需的生物炭，干燥储存备用。
过硫酸盐试剂为含有过硫酸根自由基的过硫酸盐(如：过一硫酸盐和过二硫酸盐)，最佳选择是过硫酸钠。
一种脱水方法，包括以下步骤：
(1)在含水率为90％～98％的底泥中加入生物炭，在常温下搅拌；
(2)然后加入过硫酸盐试剂，在20～80℃下搅拌；
(3)将步骤(2)处理后的底泥放入毛细管吸收时间测定仪(CST测定仪)和比阻测定装置；
(4)将步骤(3)中比阻测定装置抽滤后的底泥放入卤素水分测定仪，测定含水率。
实例一
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善底泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在850℃下充分焚烧3h，并过100目筛，得到生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭20mg/g，搅拌15min；
(4)、然后加入60mg/g的过硫酸钠，搅拌15min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000051
实例二
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善底泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在850℃下充分焚烧3h，并过100目筛，得到生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭10mg/g，搅拌15min；
(4)、然后加入40mg/g的过硫酸钠，搅拌15min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000061
实例三
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善底泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在850℃下充分焚烧3h，并过100目筛，得到生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭40mg/g，搅拌15min；
(4)、然后加入80mg/g的过硫酸钠，搅拌15min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000062
实例四
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善污泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在900℃下充分焚烧2h，并过100目筛，得到污泥生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭20mg/g，常温搅拌10min；
(4)、然后加入60mg/g的过一硫酸钾，在60℃下搅拌10min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000071
实例五
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善污泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在850℃下充分焚烧2h，并过100目筛，得到污泥生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭20mg/g，常温搅拌10min；
(4)、然后加入60mg/g的过一硫酸钾，在60℃下搅拌10min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000072
Figure BDA0002812523110000081
实例六
一种以污泥制备的生物炭活化过硫酸钠改善污泥脱水性能，过程如下：
(1)、将自然风干、烘干过后的污泥经球磨机磨细，并过100目筛，干燥保存备用；
(2)、取部分步骤(1)中得到的污泥细料在750℃下充分焚烧2h，并过100目筛，得到污泥生物炭，干燥保存备用；
(3)、在含水率较高的底泥中加入污泥制备的生物炭20mg/g，常温搅拌10min；
(4)、然后加入60mg/g的过一硫酸钾，在60℃下搅拌10min；
(5)、然后取步骤(4)中得到的底泥，检测比阻(SRF)和毛细吸水率(CST)与调理前对比。
调理前后的底泥的各项参数如下表所示：
Figure BDA0002812523110000082
通过上述实例可以看出，在本例设定的温度范围内，底泥脱水性能随生物炭碳化时间的增加而提升；在本例设定的掺量范围内，增加过硫酸盐的投加量和催化剂的投加量有助于提高底泥脱水性能；经过本方案调理过后的底泥比阻和毛细吸水时间明显降低，脱水性能得到显著提升。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种底泥脱水剂，其特征在于：包括生物炭和过硫酸盐试剂，每1g所需脱水的底泥中，所述生物炭用量为10～40mg，所述过硫酸盐试剂用量为40～80mg。
2.根据权利要求1所述的底泥脱水剂，其特征在于：制备所述生物炭包括以下步骤：将污泥经风干、烘干后，研磨筛分得到污泥粉末，干燥储存备用；取污泥粉末，经碳化筛分后，得到所需生物炭。
3.根据权利要求2所述的底泥脱水剂，其特征在于：所述碳化温度为750～900℃，升温速率为10℃/min,停留时间为2h～3h。
4.根据权利要求1所述的底泥脱水剂，其特征在于：所述过硫酸盐试剂为含有过硫酸根自由基的过硫酸盐。
5.根据权利要求5所述的底泥脱水剂，其特征在于：所述过硫酸盐为过硫酸钠。
6.一种脱水方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在底泥中加入生物炭，在常温下搅拌；
(2)然后加入过硫酸盐试剂，在20～80℃下搅拌；
(3)将步骤(2)处理后的底泥放入毛细管吸收时间测定仪和比阻测定装置；
(4)将步骤(3)中比阻测定装置抽滤后的底泥放入卤素水分测定仪，测定含水率。
7.根据权利要求6所述的脱水方法，其特征在于：步骤(1)中的底泥含水率为90％～98％。
8.根据权利要求6所述的脱水方法，其特征在于：步骤(1)中，搅拌时间为15分钟；步骤(2)中，搅拌时间为15分钟。
9.根据权利要求6所述的脱水方法，其特征在于：步骤(2)中的搅拌温度为60℃。
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