CN112569900B - 一种市政污泥生物炭的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种市政污泥生物炭的制备方法及其应用，本发明通过将硫铁矿开采所产生的酸性矿山废水作为市政污泥生物炭的改性剂，得到一种铁和酸共改性的污泥生物炭材料；酸性矿山废水的引入能显著提升污泥生物炭材料的吸附性能，能高效地对重金属铅和有机物莠去津单一或同时吸附去除；在单一的重金属铅和有机物莠去津的吸附去除时，其吸附量分别可高达18.30mg/g和6.20mg/g；在同步去除时，其吸附量分别可高达13.90mg/g和4.02mg/g。本发明既实现了酸性矿山废水和市政污泥的处置和资源化，又实现了多种污染物质的单一和同步吸附去除，最终实现了“以废治废”的环境治理理念。
Description
技术领域
本发明环境工程中固体废弃物及废水资源化利用与处理领域，具体是一种市政污泥生物炭的制备方法及其应用。
背景技术
随着城市规模增长和工业化的迅速发展，向环境水体排放的毒性污染物质也随之增加，引发越来越严重的水体污染，尤其是对环境危害最为严重的是重金属和有机污染物，重金属和有机污染物共存于环境水体中，给人类健康安全带来严重的威胁，受重金属和有机物污染水体的治理迫在眉睫。另外，日益严重的环境污染也引发城市污水厂产生急剧增长的市政污泥，如何妥善处置污泥并使其实现资源化一直是固废处理的难题之一。研究表明，污泥热解法既能有效削减污泥量，又能得到资源化产品—污泥生物炭，其被广泛地用作吸附剂用于有毒污染物质如重金属和有机物的去除。但由于原始的污泥生物炭有比表面积小、灰分高、微孔多、孔容小以及吸附选择性能差等缺点，且其化学性质及表面官能团等存在一定缺陷，这限制了其吸附污染物的能力，远达不到环境污染快速修复的需求。因此，通过物理化学手段对生物炭结构和性质进行改性来提高其对污染物的吸附能力。目前主要改性生物炭的方法都为是化学改性，包括金属盐改性、氧化改性、还原改性、酸碱改性。铁是环境友好型元素，因此，商品化的氯化铁和硫酸铁被广泛应用于生物炭的改性，一方面，铁盐改性不会对环境造成污染；另一方面，改性后生物炭表面会负载铁氧化物和羟基氧化物，有助于增强其与重金属和有机污染物的结合，从而提高污泥生物炭的污染吸附能力。因此，迫切需要寻找富含铁的廉价原料替代商品化的铁盐作为铁改性剂。
近几十年来，硫铁矿酸性矿山废水所引起的水土环境污染也越来越受到国内外的广泛关注，酸性矿山废水是一种pH值一般在2左右，且含有高浓度的铁离子，同时也有一些重金属离子如铜、锰等的一种矿山废水。这种酸性废水会使周围的水体和土壤酸化，严重危害环境和人类健康安全，目前，常用混凝沉淀和生物法来处理此废水。然而，这种硫铁矿酸性矿山废水集高酸度和高铁含量两大显著特性，这些却又是生物炭常用改性方法中的酸和铁盐改性所需要的。然而，到目前为止，利用酸性矿山废水改性市政污泥生物炭的制备方法及其应用的专利技术还未见报道。
发明内容
本发明提供一种市政污泥生物炭的制备方法及其应用，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种市政污泥生物炭的制备方法，其方法包括以下步骤：
污泥生物炭制取：
S1：将市政污水厂二沉池污泥离心脱水，烘干至恒重，并进行磨碎，得到脱水污泥；
S2：将脱水污泥在氮气保护下，在管式炉以5℃/min速率升到650℃，保持高温热解180min，得到炭化污泥；
S3：将炭化污泥磨碎过100目筛，得到污泥生物炭；
改性污泥生物炭制取：
S4：将过滤预处理后的酸性矿山废水按一定的污泥生物炭与酸性矿山废水的固液比搅拌混合1440min，然后再150℃烘干；
S5：在氮气保护下650℃高温再热解180min，磨碎过100目筛，得到改性污泥生物炭。
作为本发明的进一步优选方案，步骤S4中酸性矿山废水中铁的质量浓度为0.89-1.02g/L。
作为本发明的进一步优选方案，步骤S4中污泥生物炭与酸性矿山废水的固液比为3-5：1。
作为本发明的进一步优选方案，污泥生物炭应用方法为：向含有重金属铅和/或有机物莠去津的水体中，投加改性污泥生物炭，反应120min，单一或同步吸附去重金属铅和有机物莠去津。
作为本发明的进一步优选方案，污染水体中铅的质量浓度为10-120mg/L；莠去津的质量浓度为5-30mg/L，所述改性污泥生物炭材料剂量为1-4g/L。
作为本发明的进一步优选方案，在投加改性污泥生物炭材料之前，先必须对其进行研磨、过筛，确保其颗粒在小于150μm范围内。
作为本发明的进一步优选方案，在投加改性污泥生物炭材料之前，先调节水体的pH值为3-9。
作为本发明的进一步优选方案，向含铅和/或莠去津污染水体中投加改性污泥生物炭材料剂量为3g/L。
作为本发明的进一步优选方案，污染水体中铅的质量浓度为60mg/L；污染水体中莠去津的质量浓度为20mg/L。
作为本发明的进一步优选方案，在混合溶液中，污染水体中铅的质量浓度为60mg/L、莠去津的质量浓度为5-30mg/L。
与现有技术相比，本发明提供了一种市政污泥生物炭的制备方法及其应用，具备以下有益效果：
1.制备成本低，原料廉价易得；本发明采用酸性矿山废水替代商业化铁盐和酸试剂来改性市政污泥生物炭，实现了酸性矿山废水的处置及资源化。
2.处理工艺操作简单、运行成本低；本发明采用酸性矿山废水改性市政污泥生物炭用于重金属铅和有机物莠去津的去除，无论在单一还是同步去除均能实现较高的去除效果，实现了酸性矿山废水和市政污泥的“以废治废”的环境理念。
3.适用目标物范围广；本发明除了适用于含有铅和/或莠去津的污染水体，还适用于其他含重金属和其他有机污染物的水体。
附图说明
图1为本发明制得酸性矿山废水改性的污泥生物炭的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在以下实施例中，在水样分析测定之前，先进行水样的过滤预处理，水样中的铅的浓度采用原子吸收分光光度法测定；莠去津采用高效液相法测定。
实施例1:
一种市政污泥生物炭的制备方法由本实施例予详细说明；在本实施例中，制备过程如下：
将市政污水厂二沉池污泥离心脱水，烘干至恒重，磨碎后得到脱水污泥；然后脱水污泥在氮气保护下，在管式炉于650℃高温热解180min，磨碎过100目筛，获得污泥生物炭；将铁的质量浓度为0.95g/L的酸性矿山废水过滤预处理后，按污泥生物炭与酸性矿山废水固液比4:1混合搅拌1440min，于150℃烘干，然后于氮气保护下650℃高温热解180min，磨碎过100目筛，获得改性污泥生物炭材料。
实施例2:
在本实施例中，对比不同污泥生物炭对铅和莠去津的单一吸附效果，步骤如下：向含有铅或莠去津污染水体中加入未改性和改性后的污泥生物炭，进行水体污铅或莠去津的去除，采用100mL烧杯为反应器，处理对象是浓度为50mL铅浓度为60mg/L或莠去津浓度为20mg/L的水体，水体pH为5。往烧杯加入3g/L未改性或改性后的污泥生物炭，并将烧杯置于搅拌器上，转速为120rpm，反应时间为120min。实施例2结果如表1所示。
表1不同污泥生物炭对铅和莠去津的单一吸附效果
由表可知，未改性污泥生物炭在反应时间120min的铅吸附去除率仅为15.83％，其相应的吸附量为3.13mg/g，而经酸性矿山废水改性市政污泥生物炭的去除率高达92.40％，相应的吸附量为18.30mg/g，是未改性的五倍多。另外，未改性污泥生物炭对莠去津的吸附去除率和吸附量分别为27.50％和1.82mg/g，同样地，经改性后，对莠去津的吸附能力得到非常显著的提升。结果表明，酸性矿山废水中的高酸度和高铁含量是改性此种污泥生物炭的成功关键，一方面高酸度能使生物炭表面的杂质得到去除，另一方面炭表面形成铁的氧化物和氢氧化物颗粒，有助于污染物的吸附和络合。因此，采用酸性矿山废水改性市政污泥生物炭，提升其对重金属铅和有机物莠去津的吸附效果是可行的。
实施例3:
与实施例2不同之处在于，调节pH范围至3、5、7、9，其它条件与实施例2相同，测定反应前后水体中铅或莠去津的变化。实施例3结果如表2所示。由表可知，铅的吸附依赖于pH条件的变化，在酸性时的吸附效果优于中性和碱性。其中pH＝5为最佳pH反应条件，铅去除率高达92.40％，相应的吸附量为18.30mg/g。另外，莠去津的吸附也具有相似的趋势，在酸性时，生物炭对莠去津的吸附效果最佳。
表2不同pH条件下污泥生物炭对铅和莠去津的单一吸附效果
实施例4：
与实施例3不同之处在于，调节污泥生物炭剂量为1-4g/L，其它条件与实施例3相同，测定反应前后水体中铅或莠去津的变化。实施例4结果如表3所示。由表可知，铅和莠去津的吸附去除率都随着污泥生物炭剂量增加而增大，当剂量为3g/L时，两者的去除率均达到较高水平，进一步再增大剂量，其去除率变化不大。
表3不同污泥生物炭剂量条件下铅和莠去津的单一吸附效果
实施例5：
与实施例4不同之处在于，调节铅浓度范围为10-120mg/L或莠去津浓度范围为5-30mg/L，其它条件与实施例4相同，测定反应前后水体中铅或莠去津的变化。实施例5结果如表4所示。由表可知，铅和莠去津的吸附去除率都随着其相应浓度的增加而减小，当铅和莠去津的浓度分别为60mg/L和20mg/L时，其两者的去除率均达到较高水平，分别为92.40％和93.96％。
表4不同污染物浓度条件下污泥生物炭对铅和莠去津的单一吸附效果
实施例6:
与实施例2不同之处在于，污染水体为铅与莠去津的混合溶液，固定铅浓度为60mg/L，调节莠去津浓度范围为5-30mg/L。其它条件与实施例2相同，每次测定反应前后水体中铅和莠去津浓度的变化。
实施例7结果如表5所示。由表可知，污泥生物炭对铅的吸附去除效果随着添加的莠去津浓度增加而下降，当莠去津浓度小于或等于10mg/L，铅的去除率能保持83.14％，而莠去津也能实现74.27％的去除率。结果表明，铅和莠去津既能实现在酸性矿山废水改性污泥生物炭的单一去除，也能实现两者的同步高效去除。
表5污泥生物炭对铅和莠去津的同步吸附效果
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种市政污泥生物炭的制备方法，其方法包括以下步骤：
污泥生物炭制取：
S1：将市政污水厂二沉池污泥离心脱水，烘干至恒重，并进行磨碎，得到脱水污泥；
S2：将脱水污泥在氮气保护下，在管式炉以5℃/min速率升到650℃，保持高温热解180min，得到炭化污泥；
S3：将炭化污泥磨碎过100目筛，得到污泥生物炭；
改性污泥生物炭制取：
S4：将过滤预处理后的酸性矿山废水按一定的污泥生物炭与酸性矿山废水的固液比搅拌混合1440min，然后再150℃烘干；
所述酸性矿山废水中铁的质量浓度为0.89-1.02g/L；
S5：在氮气保护下650℃高温再热解180min，磨碎过100目筛，得到改性污泥生物炭。
2.根据权利要求1所述的市政污泥生物炭的制备方法，其方法在于，步骤S4中污泥生物炭与酸性矿山废水的固液比为3-5：1。
3.根据权利要求1所述的制备方法制备的市政污泥生物炭的应用，其方法在于：向含有重金属铅和/或有机物莠去津的水体中，投加改性污泥生物炭，反应120min，单一或同步吸附去除重金属铅和有机物莠去津。
4.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，污染水体中铅的质量浓度为10-120mg/L；莠去津的质量浓度为5-30mg/L，所述改性污泥生物炭材料剂量为1-4g/L。
5.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，在投加改性污泥生物炭材料之前，先必须对其进行研磨、过筛，确保其颗粒在小于150μm范围内。
6.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，在投加改性污泥生物炭材料之前，先调节水体的pH值为3-9。
7.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，向含铅和/或莠去津污染水体中投加改性污泥生物炭材料剂量为3g/L。
8.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，污染水体中铅的质量浓度为60mg/L；污染水体中莠去津的质量浓度为20mg/L。
9.根据权利要求3所述的市政污泥生物炭的应用，其方法在于，在混合溶液中，污染水体中铅的质量浓度为60mg/L、莠去津的质量浓度为5-30mg/L。
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