CN114835356B - 一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法，所得生物填料重金属含量低、产品质量高、品质稳定。本发明方法包括如下步骤：S1，市政污泥电渗透处置：将市政污泥进行电渗透深度脱水后，用污泥破碎机进行破碎；S2，破碎污泥生物调质：将破碎污泥与生物调制剂混合均匀，得到所需有机物与灰分含量比的污泥基原料；S3，污泥基原料化学活化：将污泥基原料喷淋活化剂后进行化学活化，清洗、干燥，研磨得到污泥生物炭粉；S4，生物填料造粒：将污泥生物炭粉与铁粉、凹凸棒粘土粉末混合均匀，加水，球磨制成含水生料小球，干燥，得到干燥生料小球；S5，生物填料煅烧固形：将干燥生料小球煅烧固形，得到污泥基铁碳微电解生物填料。

Description

一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法

技术领域

本发明属于污水处理及污泥资源化处理技术领域，特别是一种污泥基铁碳微电解生物填料制备方法。

背景技术

生物填料具有比表面积大、质量轻、强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于污水处理过程中。

为减少市政污泥对环境造成的二次污染，提高有机废弃物资源化利用效率，业界开始尝试利用污泥制备水处理生物填料。

目前，利用污泥制备生物填料的方法如论文“污泥基生物填料制备及其对城市径流污染控制的研究”(黄怡然，宁波大学硕士论文，学位授予日期，2017-01-01)所述，其过程为以污泥、粉煤灰、河道淤泥为主要原料，添加一枝黄花和碳酸钙作为辅料烧制生物填料，确定了最优填料配方和焙烧工艺条件。结果表明，污泥基生物填料的最佳配方为污泥∶粉煤灰∶河道淤泥＝3∶5∶4.5，外掺9％一枝黄花和5％碳酸钙；最佳工艺是烧结温度950℃，烧结时间10min，预热温度500℃，升温速度7℃/min；此条件下填料吸水率65％，表观密度630kg/m³，筒压强度0.42MPa，比表面积0.2m²/g。通过SEM可见，污泥基生物填料表面粗糙，具有丰富的孔隙结构，且多为开孔；由XRD分析可知填料主要是以离子晶体组成，最主要的晶体结构是氧化结构和硅酸盐结构。该论文还进行了污泥基生物填料重金属吸附研究。研究了污泥基生物填料吸附水中重金属Pb²⁺、Cd²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺的效果，并以Cr³⁺为例研究了其对重金属的吸附机理。结果表明，原料中添加碳酸钙有利于提高污泥基生物填料对Cr³⁺、Pb²⁺的吸附能力；四种重金属的竞争能力大小为Cr³⁺>Pb²⁺>Ni²⁺>Cd²⁺；污泥基生物填料对Cr³⁺的最大吸附量为4.32mg/g；吸附等温线符合Langmuir和Freundlich模型；吸附机理主要包括：含氧官能团阴离子与铬离子结合形成难溶化合物沉降；铬离子水解生成氢氧化铬沉淀进而被填料吸附；吸附剂表面负电势与正价铬离子结合，发生静电吸附；铬离子与阳离子的置换反应。

然而，由于生活污水与工业废水混合处理，导致污水厂的污泥中含有大量重金属，而现有技术在进行污泥制备生物填料时未考虑这一问题，使得制备出来的污泥生物填料存在重金属析出的二次污染风险；

其次，现有污泥制备的生物填料品质差主要由于两方面原因：一是由于污水来源、污水污泥处置工艺差异，导致污泥的性质差异大；二是由于污泥本身有机质含量低(小于50％)，有机质与灰分比例失衡。

总之，现有技术存在的问题是：现有方法制备得到的污泥基铁碳微电解生物填料的重金属含量高、产品品质低，不同性质污泥制备的生物填料生产批次差异大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法，所得生物填料重金属含量低、产品质量高、品质稳定。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法，包括如下步骤：

S1，市政污泥电渗透处置：将含水率75％～85％的市政污泥进行电渗透深度脱水后，用污泥破碎机进行破碎；

S2，破碎污泥生物调质：将所述破碎污泥与生物调制剂混合均匀，得到所需有机物与灰分含量比的污泥基原料；

S3，污泥基原料化学活化：将所述污泥基原料喷淋活化剂后进行化学活化，清洗、干燥，研磨得到污泥生物炭粉；

S4，生物填料造粒：将所述污泥生物炭粉与铁粉、凹凸棒粘土粉末混合均匀后，加入清水，通过球磨机制成含水生料小球，将所述含水生料小球置于105℃空气氛围中干燥，得到干燥生料小球；

S5，生物填料煅烧固形：将所述干燥生料小球转移至固定床管式炉进行煅烧固形，得到污泥基铁碳微电解生物填料。

优选地，所述S3，污泥基原料化学活化步骤中，化学活化过程包括：

将所述喷淋活化剂后的污泥基原料置于干化设备中进行低温干燥；

将所述低温干燥后的污泥基原料转移至旋转管式炉中直接热解。

进一步优选地，所述干化设备为闪蒸式干燥器、转筒式干燥器、带式干燥器、薄膜干燥器或圆盘式干燥器中的一种；

低温干燥温度控制在120℃～150℃；

直接热解温度控制在500℃～600℃，直接热解过程中通入6％-12％的含氧氮气。

优选地，将所述化学活化后的污泥基原料用10％的盐酸和自来水清洗至pH中性，再进行干燥、研磨，得到污泥生物炭粉。

优选地，所述活化剂为氯化锌溶液，浓度为3～4mol/L，污泥基原料与活化剂固液比为1：2～1：2.5。

优选地，所述市政污泥电渗透处置步骤中，电渗透深度脱水条件为：

机械压力80～100kPa，电压梯度30～50V/cm，污泥厚度0.5～1cm，电渗透脱水处置后污泥含水率为50％～60％。

优选地，所述S2，破碎污泥生物调质步骤中，污泥基原料的有机物与灰分含量比A根据下式确定：

A＝0.00304B-4.66355C+2.95633D-0.51155E+2.33806，

式中，B为比表面积，C为总孔孔容，D为微孔孔容，E为微孔比。

根据BET理论，比表面积越大，吸附量就越大。

当比表面积＜600m²/g时，为普通品铁碳微电解生物填料，

当600m²/g≤比表面积≤900m²/g时，为良品铁碳微电解生物填料，

当比表面积＞900m²/g时，为优品铁碳微电解生物填料。

上述污泥基原料的有机物与灰分含量比A的经验公式是将不同有机质与灰分含量配比A制成的生物填料进行比表面积、总孔孔容、微孔孔容、微孔比测定，然后将测定的结果与A进行线性拟合得到。后续生产填料可根据客户或者实际生产批次对比表面积、总孔孔容、微孔孔容、微孔比的需求，代入经验公式，获得污泥基原料有机质与灰分含量配比A。

例如，需求为生产比表面积600、总孔孔容0.35、微孔孔容0.15、微孔比0.35的生物填料，将上述数据代入公式，得到A＝2.8965。按照此配比，实际生产出来的产品为比表面积606.44，总孔孔容0.37，微孔孔容0.14，微孔比0.38，满足生产需求。

优选地，所述生物调质剂为秸秆粉、稻壳粉、花生壳粉、食用菌基质粉中的一种。

优选地，所述S4，生物填料造粒步骤中，污泥生物炭粉与铁粉混合比例为2：1，凹凸棒粘土粉末添加量为污泥生物炭粉末与铁粉总量的20％，通过球磨机制成的含水生料小球制直径控制在0.5～1cm。

优选地，所述S5，生物填料煅烧固形步骤具体为：

将所述干燥生料小球转移至固定床管式炉进行煅烧固形，升温速度为2～4℃/min，达到终温700℃后维持90～150min，降温过程充入纯氮气，以维持无氧环境。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、重金属含量低：本发明方法在预处理阶段将原料污泥中的重金属富集在电渗透脱水设备阴极板去除，通过污泥电渗透预处理有效降低污泥生物填料中的重金属离子，从根本上解决污泥生物填料重金属易析出的问题。

2、产品质量稳定：本发明通过污泥基原料有机物含量与灰分比经验公式实现对不同性质污泥的精准调质，无需进行多次试验，不同生产批次产品差异小，产品质量稳定，而且试验工作量小，解决了现有技术中对污泥进行调质处理具有盲目性，工作繁琐的问题。

3、产品质量高：本发明通过高有机质含量的生物调制剂补充，提高了污泥基原料的有机质含量，有效解决铁碳微电解生物填料生产过程中有机质与灰分比例失衡的问题；同时利用金属腐蚀的特点，依靠溶液体系形成的铁碳微电解原电池构建铁碳微电解环境，进一步提高了铁碳生物填料的品质。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法的主流程图。

具体实施方式

实施例一

S1，市政污泥电渗透处置：将含水率80.12％的市政污泥进行电渗透深度脱水，电渗透脱水条件为机械压力80kPa，电压梯度30V/cm，污泥厚度1cm，脱水后污泥含水率为56.27％。将含水率56.27％的脱水污泥用污泥破碎机进行破碎。表1所示为污泥农用重金属浓度限值及电渗透脱水前后重金属含量。

表1污泥农用重金属浓度限值及电渗透脱水前后重金属含量

从表1可以看出，采用本发明方法制备的污泥基铁碳微电解生物填料，重金属在电渗透脱水预处理阶段得到进一步去除，满足农用污泥A级标准。

S2，破碎污泥生物调质：将破碎污泥与秸秆粉进行混合调质，制备比表面积B＝1000、总孔孔容C＝0.60、微孔孔容D＝0.55、微孔比E＝0.9的优品铁碳微电解生物填料。根据经验公式

A＝0.00304*B-4.66355*C+2.95633*D-0.51155*E+2.33806，

污泥基原料的有机物与灰分含量比A控制为3.75。

式中，B为比表面积，C为总孔孔容，D为微孔孔容，E为微孔比。

S3，污泥基原料化学活化：向上述将所述污泥基原料喷淋浓度3mol/L的氯化锌溶液进行化学活化，污泥基原料与活化剂固液比为1：2。

将活化后的污泥基原料放置120℃圆盘式干燥器进行低温干燥30min，将低温干燥后的污泥基原料转移至旋转管式炉中直接热解60min，热解温度为500℃，热解过程中通入8％的含氧氮气。

污泥基原料完成热解活化后用10％的盐酸和自来水清洗至pH中性，进行干燥、研磨制成污泥生物炭粉。

S4，生物填料造粒：将污泥生物炭粉，铁粉，凹凸棒粘土粉末按2：1：0.6比例混合均匀加入清水，待混合物料具备较好的成型效果通过球磨机制成含水生料小球，将生料小球置于105℃空气氛围中干燥，去除生料小球中多余水分，制成的生料小球直径为1cm。

S5，生物填料煅烧固形：将干燥的生料小球转移至固定床管式炉进行煅烧固形，煅烧过程中在固定床管式炉中充入纯氮气，并以2℃/min的升温速度升温至终温700℃后维持90min，制成污泥基铁碳微电解生物填料，降温过程充入纯氮气保护气维持无氧环境。

将制成的污泥基铁碳微电解生物填料按照BET法进行吸附性能测定、比表面积表征和孔径分析。根据BET方程：比表面积S_BET越大，吸附量n越大；

式中n为吸附量，S_BET为比表面积，δ为N₂在77K温度下液态下六方堆积的氮分子截面积，p0为饱和蒸汽压，p为吸附压力，p/p0适用范围为0.05～0.35。优品污泥基铁碳微电解生物填料比表面积表征和孔径分析结果如表2所示。

表2优品污泥基铁碳微电解生物填料比表面积表征和孔径分析结果

从表2可以看出，采用本发明方法制备的污泥基铁碳微电解生物填料实际比表面积B、总孔孔容C、微孔孔容D、微孔比E指标与需求指标误差率小于5％，实现对不同性质污泥的精准调质，生产批次产品差异小。

优品污泥基铁碳微电解生物填料对污水厂总磷吸附性能测试结果如表3所示。

从表3可以看出，采用本发明方法制备的污泥基铁碳微电解生物填料S_BET相对传统污泥生物填料提升3.48-10.45倍，相对商用生物填料提升1.05-2.61倍，在污水厂深度处理段添加后，对总磷去除效率最高为68.75％，且出水水质达到准Ⅳ类标准，满足污水厂提标改造需求，产品质量高。

表3优品污泥基铁碳微电解生物填料对污水厂总磷吸附性能测试表

Claims (2)

1.一种污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法，包括如下步骤：

S1，市政污泥电渗透处置：将含水率75％～85％的市政污泥进行电渗透深度脱水后，用污泥破碎机进行破碎；

S2，破碎污泥生物调质：将所述破碎污泥与生物调制剂混合均匀，得到所需有机物与灰分含量比的污泥基原料；

S3，污泥基原料化学活化：将所述污泥基原料喷淋活化剂后进行化学活化，清洗、干燥，研磨得到污泥生物炭粉；

S4，生物填料造粒：将所述污泥生物炭粉与铁粉、凹凸棒粘土粉末混合均匀后，加入清水，通过球磨机制成含水生料小球，将所述含水生料小球置于105℃空气氛围中干燥，得到干燥生料小球；

S5，生物填料煅烧固形：将所述干燥生料小球转移至固定床管式炉进行煅烧固形，得到污泥基铁碳微电解生物填料；

所述污泥基原料化学活化步骤中，化学活化过程包括：

将所述喷淋活化剂后的污泥基原料置于干化设备中进行低温干燥；

将所述低温干燥后的污泥基原料转移至旋转管式炉中直接热解；

将所述化学活化后的污泥基原料用10％的盐酸和自来水清洗至pH中性，再进行干燥、研磨，得到污泥生物炭粉；

所述活化剂为氯化锌溶液，浓度为3～4mol/L，污泥基原料与活化剂固液比为1：2～1：2.5；

其特征在于，所述破碎污泥生物调质步骤中，污泥基原料的有机物与灰分含量比A根据下式确定：

A＝0.00304B-4.66355C+2.95633D-0.51155E+2.33806，

式中，B为比表面积，C为总孔孔容，D为微孔孔容，E为微孔比。

2.根据权利要求1所述的污泥基铁碳微电解生物填料的制备方法，其特征在于，所述市政污泥电渗透处置步骤中，电渗透深度脱水条件为：

机械压力80～100kPa，电压梯度30～50V/cm，污泥厚度0.5～1cm，电渗透脱水处置后污泥含水率为50％～60％。