一种污泥生物质炭及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及生物质炭技术领域，具体涉及一种污泥生物质炭及其制备方法和用途。
背景技术
社会经济的发展和环保要求不断提高，对污水处理厂的出水提出了更高的要求。目前，用常规方法处理的污水，其氮、磷指标很难到达出水要求，需要进一步的对城市污水处理厂的出水进行处理，以去除其中的悬浮物和溶解性无机物、重金属和有机物等，使之达到相应的水质标准。基于对污水进行进一步处理的需求，城市污水厂的数量不断增加，规模扩大，污水处理副产物剩余市政污泥产量也日益增加。
据统计，目前我国约有90％的污泥未经稳定化处理，这导致了污泥中的恶臭物质、病原体、持久性有机污染物等进一步扩散，造成严重的环境污染。同时，城市工业的快速发展，工业、生活污水的长年无序排放，城市内河和湖泊普遍受到严重污染和淤塞，大量污染物沉积在底泥中，使底泥发黑发臭，需要定时清淤，淤泥含有大量的有机物，严重破坏了生态环境，威胁着城市居民的身心健康。
因此，如何将市政污泥或河流、湖泊底泥进行有效的处理，成为环保领域亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提供一种污泥生物质炭及其制备方法和用途，解决目前市政污泥或河流、湖泊底泥大量堆积，未能有效利用的问题，又能解决对富含氮、磷、重金属、有机污染物等溶解性物质以及悬浮固体杂质的城市污水难以进行有效处理的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种污泥生物质炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、将市政污泥或河流、湖泊底泥在缺氧条件下进行加热分解，获得生物质炭；
S2、利用活化剂对分解后的生物质炭进行活化改性；
S3、将改性后的生物质炭干燥后粉碎，获得污泥生物质炭。
以市政污泥或城市河流、湖泊底泥为原料，其有毒、有害物质含量较少，经过缺氧高温制备生物质的过程中，泥中少量的重金属和无机磷基本被固化。浸出实验表明，污泥或底泥浸提液中未检出重金属、溶解性氮和磷。并且，利用市政污泥或河流、湖泊底泥制备生物质炭，可以就地取材，以废治废，变废为宝。在缺氧的条件下，市政污泥或城市河流、湖泊底泥被快速加热到较高反应温度，能够致使污泥或底泥分解，生成大量焦炭产物以及合成气和液态焦油等副产品。利用活化剂对生物质炭进行改性，并经干燥、粉碎，即可获得污泥生物质炭。
进一步，步骤S1具体包括：
将市政污泥或河流、湖泊底泥在500℃-600℃高温分解，高温分解的时间为2-4小时。
在500℃-600℃高温下，对市政污泥或河流、湖泊底泥高温分解2-4小时，污泥或底泥将被充分碳化，形成大量的生物质炭。
进一步，步骤S2具体包括：
在740℃-840℃下，利用活化剂对高温分解后的生物质炭进行活化；
所述活化剂为水蒸气或二氧化碳中的一种或多种。
将温度进一步提升，水蒸气或二氧化碳气体可以改造生物质炭的内部结构，提高其吸附能力。改性后的生物炭可吸附污水中可溶性物质以及氮、磷等，氮、磷等营养盐作为微生物的养分，使得微生物对污水中有机物的利用更加高效。
进一步，步骤S3具体包括：
将改性的生物质炭风干后粉碎，过100-200目筛，获得粒径为 0.01-0.05mm的污泥生物炭。
含有较多水分的生物质炭吸附能力将大为降低，而风干后的生物质炭吸附力强。将生物质炭粉碎成粉末，可以增大生物质炭的吸附表面积，增强吸附的效果。
进一步，所述市政污泥或河流、湖泊底泥中有机质含量为50％-80％，氮、磷含量为1％-5％。
市政污泥或河流、湖泊底泥中的有机物含量越高，制备的生物质炭越多。但是，一般市政污泥或河流、湖泊底泥中的有机物质量占比小于80％。氮、磷含量为1％-5％，可使得生物质炭中的氮、磷含量保持在极低的水平。
上述任一项所述的制备方法制得的污泥生物质炭也理应在本申请的保护范围之内，该污泥生物质炭含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团。利用本发明提供的方法，制备的生物质炭，抗击水冲力的能力强，吸附性能好。
上述任一项所述的制备方法制得的污泥生物质炭可用于污水处理；具体的，污泥生物质炭加入到污水中，它通过吸附、助凝，改善菌胶团结构，能够提高污水中的污泥浓度，进一步降低污水中氮、磷、COD、重金属、有机污染物等溶解性物质和悬浮固体杂质。同时，污泥生物质炭可以降低污泥比阻，改善污泥脱水性能，降低处理污水中污泥的难度。
进一步，所述污水处理具体包括：
在待处理的污水中，加入所述污泥生物质炭；
其中，所述污泥生物质炭与污水中所含污泥的量干重比为1％-5％。
利用污泥生物质炭处理城市污水时，操作方式简便，只需将其加入到收集有城市污水的曝气反应池即可。污泥生物质炭的添加量与污水中所含污泥量的干重比为1％-5％。
在上述方法的基础之上，本申请还提供了一种污水处理系统，具体包括：第一沉淀池、曝气反应池、第二沉淀池和污泥回流泵；
所述第一沉淀池通过进水管道与曝气反应池连通，所述曝气反应池通过出水管道与所述第二沉淀池连通；
所述第二沉淀池通过一水管与所述进水管道连通，所述水管设有污泥回流泵和投加点。
将本发明制备的污泥生物质炭，通过投加点加入至水管中，在污泥回流泵的作用下，污泥生物质炭和经第一沉淀池处理后的城市污水一起进入曝气反应池。城市污水在曝气反应池内被处理后，再进入第二沉淀池，符合标准的城市污水通过第二沉淀池排除。城市污水中的污泥和污泥生物质炭通过污泥回流泵，实现循环利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本申请的方法中，将市政污泥或河流、湖泊底泥在缺氧条件下加热分解后获得的生物质炭，利用活化剂进行活化，并经干燥和粉碎，得到的污泥生物质炭。利用该方法发制备的生物质炭，抗击水冲力的能力强，吸附性能好。将该污泥生物质炭应用于本申请提供的污水处理系统，用于处理污水时，能高效处理城市污水中富含的氮、磷、COD、重金属、有机污染物等溶解性物质和悬浮固体物质。利用市政污泥或河流、湖泊底泥制备生物质炭，提高了污泥和底泥的利用率，变废为宝，既节约了能源，也降低了环境的污染。
附图说明
图1为实施例1与对照例1的污水处理效果对照图；
图2为实施例2与对照例2的污水处理效果对照图；
图3为本发明提供的一种污水处理系统整体示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一沉淀池，2、曝气反应池，3、第二沉淀池，4、污泥回流泵，5、投加点。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
取北京市A污水厂剩余污泥，其有机质含量为50％，氮、磷含量为1％。在500℃高温下，将自然干化的污泥置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温分解。控制热解时间为2小时，获得生物质炭。通过在740℃下利用水蒸气对获得的生物质炭进行活化处理，得到改性的污泥生物炭，并自然风干、研磨，过100目筛，获得粒径为0.05mm的污泥生物炭，作为污水处理的强化剂。
在北京A污水厂开展实验，该污水厂采用氧化沟工艺，设计规模5万吨。将生物炭添加的量与城市污水剩余污泥的量以1％的干重比，通过投加到5 添加到一组反应池的回流污泥泵吸水管前，通过机械混合，与第一沉淀池1 出水一起进入曝气反应池2，加入的污泥生物质炭能够作为菌胶团的核心，改善污泥的絮体结构。检测实施例1中，处理后的出水中BOD5(5日生化需氧量)、SS(固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
对比例1
在北京A污水厂开展对照实验。城市污水经过第一沉淀池1处理后，进入曝气反应池2。城市污水在曝气反应池2内进行处理，期间不加入污泥生物炭。监测对照组出水的水质，记录出水中BOD5(5日生化需氧量)、SS (固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
实施例1与对照例1所处理的城市污水理化性质相同。图1为实施例1 与对照例1的污水处理效果对照图。
实施例2
取北京市B河流底泥，其有机质含量为80％，氮、磷含量为5％。在600℃高温下，将自然干化的污泥置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温分解。控制热解时间为4小时，获得生物质炭。通过在840℃下利用水蒸气和二氧化碳对获得的生物质炭进行活化处理，得到改性的污泥生物炭，并自然风干、研磨，过200目筛，获得粒径为0.01mm的污泥生物炭，作为污水处理的强化剂。
将生物炭添加的量与城市污水剩余污泥的量以5％的干重比，通过投加到5添加到一组反应池的回流污泥泵吸水管前，通过机械混合，与第一沉淀池出水一起进入曝气反应池，加入的污泥生物质炭能够作为菌胶团的核心，改善污泥的絮体结构。检测实施例3中，处理后的出水中BOD5(5日生化需氧量)、SS(固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
对照例2
在北京A污水厂开展实验，待处理后的城市污水经过初次沉淀池处理后，进入曝气反应池。城市污水在曝气反应池内进行处理，期间不加入污泥生物炭。监测对照组出水的水质，记录出水中BOD5(5日生化需氧量)、 SS(固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
实施例2与对照例2所处理的城市污水理化性质相同。图2为实施例2 与对照例2的污水处理效果对照图。
实施例3
取北京市C污水厂剩余污泥，其有机质含量为65％，氮、磷含量为2.5％。在550℃高温下，将自然干化的污泥置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温分解。控制热解时间为3小时，获得生物质炭。通过在800℃下利用二氧化碳对获得的生物质炭进行活化处理，得到改性的污泥生物炭，并自然风干、研磨，过150目筛，获得粒径为0.025mm的污泥生物炭，作为污水处理的强化剂。
在北京C污水厂开展实验。将生物炭添加的量与城市污水剩余污泥的量以2.5％的干重比，通过投加到5添加到一组反应池的回流污泥泵吸水管前，通过机械混合，与第一沉淀池1出水一起进入曝气反应池2，加入的污泥生物质炭能够作为菌胶团的核心，改善污泥的絮体结构。检测实施例1中，处理后的出水中BOD5(5日生化需氧量)、SS(固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
对照例3
在北京A污水厂开展实验，待处理后的城市污水经过初次沉淀池处理后，进入曝气反应池。城市污水在曝气反应池内进行处理，期间不加入污泥生物炭。监测对照组出水的水质，记录出水中BOD5(5日生化需氧量)、 SS(固体悬浮物浓度)、TN(水中各种形态无机和有机氮的总量)指标。
实施例3与对照例3所处理的城市污水理化性质相同
实施例1与对照例1对比发现，利用市政污泥制备的污泥生物质炭，投加到污水处理系统后，出水的5日生化需氧量降为9.5mg/L，固体悬浮物浓度降为9mg/L，水中各种形态无机和有机氮的总量分别降为13mg/L。
实施例2与对照例2对比发现，利用河流底泥制备的污泥生物质炭，投加到污水处理系统后，出水的5日生化需氧量降为9mg/L，固体悬浮物浓度降为8mg/L，水中各种形态无机和有机氮的总量分别降为14mg/L。
实施例3与对照例3对比发现，利用河流底泥制备的污泥生物质炭，投加到污水处理系统后，出水的5日生化需氧量降为9mg/L，固体悬浮物浓度降为9mg/L，水中各种形态无机和有机氮的总量分别降为13mg/L。
综上可知，运用利用市政剩余污泥或城市河流、湖泊底泥为原料制备的生物质炭处理城市污水，降低了城市污水中悬浮物和氮磷的含量，提高了出水标准。并且，利用市政剩余污泥或城市河流、湖泊底泥为原料制备的生物质炭，成本低，能够实现资源的重复利用，对大力发展循环经济具有重要意义。
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。
