申請日2016.04.29
公開(公告)日2016.07.06
IPC分類號C02F11/10; C01B31/02
摘要
本發明提供一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，工藝步驟為：分別將剩余污泥和榛子殼烘干后破碎成1mm以下的固體顆粒;按一定比例混合后加入氯化鋅溶液，于室溫條件下浸泡24h并烘干;將烘干后的混合顆粒真空熱解;熱解產物依次采用稀鹽酸、去離子水洗滌，烘干后得到生物炭。本發明將剩余污泥與含有大量有機質的榛子殼進行混合熱解制備生物炭，結合ZnCl2溶液浸泡的活化造孔方法，使熱解過程更容易發生，與直接焚燒、熱解以及添加玉米秸稈等農作物熱解的方式相比，本發明有助于形成產量高、比表面積大、孔隙度良好的生物炭產品。
權利要求書
1.一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于按以下步驟進行：
(1)分別將剩余污泥和榛子殼烘干;
(2)分別將烘干后的剩余污泥與榛子殼破碎成1mm以下的固體顆粒;
(3)將剩余污泥和榛子殼的固體顆粒混合后加入氯化鋅溶液，于室溫條件下浸泡24h，烘干;
(4)將烘干后的混合顆粒真空熱解;
(5)將熱解后的混合物依次采用稀鹽酸、去離子水洗滌，烘干后得到生物炭。
2.根據權利要求1所述的一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于所述步驟(3)中榛子殼占剩余污泥和榛子殼總質量的5~30%。
3.根據權利要求1所述的一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于所述步驟(3)中氯化鋅溶液的濃度為2~5mol/L。
4.根據權利要求1所述的一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于所述步驟(4)中真空熱解的條件為：真空度為100~500Pa，升溫速率為10℃/min，熱解終溫為400~700℃，時間為15~120min。
5.根據權利要求1所述的一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于所述步驟(1)、(3)和(5)中烘干的溫度為100~110℃，時間為22~26h。
6.根據權利要求1所述的一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，其特征在于所述生物炭的比表面積為632.54~806.15m2/g，碘吸附值為589.27~669.15mg/g。
說明書
一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法
技術領域
本發明屬于污泥處理工藝技術領域，特別涉及一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法。
背景技術
污水處理廠排放的污泥按處理方法和分離過程分為五類：初沉污泥、活性污泥、腐殖污泥、化學污泥和沉淀污泥。其中剩余污泥來源于二沉池中排出系統外的活性污泥，具有有機質含量高并富集大量的碳元素的特點，加以絕氧熱解可有效地保留其中的碳元素，轉變成污泥處置過程中減量化、無害化、安全化，并具有經濟附加值的生物炭產品，同時避免了傳統生產中使用木質原料制備生物炭而消耗大量天然植被的弊端。
生物炭是一種碳含量極其豐富的木炭，幾乎為純碳，主要功能體現在以下幾個方面：①固碳作用：生物炭是穩定的碳固定載體，可將不穩定碳轉化為芳香性碳骨架封存于土壤中，抑制溫室氣體的排放，減輕溫室效應;②土壤改良：生物炭表面含有氮、磷、鉀等植物生長所需營養元素，添加于土壤中可改善土壤的理化性質;③吸附效應：生物炭富含微孔結構，有很強的吸附能力，可用作吸附劑去除污水、大氣中污染物。
隨著經濟的飛速發展以及國家對環境保護中主要污染物減排工程的重視，對剩余污泥的有效處理使之變廢為寶逐漸成為環境工作者們面臨的嚴峻問題。目前對剩余污泥的處理方式主要有以下三種：污泥焚燒、直接熱解、加入玉米秸稈熱解。
污泥焚燒法是將脫水污泥直接送入焚燒爐焚燒，可將污泥中所有水分和有機物全部去除，污泥本身變成灰燼，該方法適用于含少量有害物的工業污泥或有機物濃度極高的工業廢水，并且缺點是需要消耗大量的能源，設備要求高，運行管理復雜。此外，焚燒過程還會產生目前已成為環境熱點的劇毒產物二噁英。
直接熱解是利用污泥中有機物的熱不穩定性，在無氧條件下對其加熱，使有機物產生熱裂解，該方法能源利用率較高，并且無二噁英和呋喃等有害氣體產生，但該方法運行成本較高，且形成的生物炭比表面積較低，孔隙結構較差，不利于作為吸附材料等開發利用。
加入玉米秸稈熱解可增加生物炭的比表面積，優化孔隙結構，但玉米秸稈中的揮發份含量較大，在熱解過程中的質量損失較多，直接造成生物炭的產率低。
采用這三種方式處理剩余污泥均可以得到生物炭，但具有產率普遍較低、制得的生物炭比表面積和孔隙度較差、吸附性能不佳、重金屬元素含量較高等缺陷。因此，亟需開發一種生物炭產量高、性能好，且環境友好的剩余污泥處理方法。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，將剩余污泥與榛子殼按照一定比例混合，在特定條件下熱解，制備得到產率高、比表面積大、孔隙結構好、重金屬元素呈殘渣態(固定化)的生物炭。本發明的技術方案為：
一種利用剩余污泥和榛子殼共熱解制備生物炭的方法，按以下步驟進行：
(1)分別將剩余污泥和榛子殼烘干;
(2)分別將烘干后的剩余污泥與榛子殼破碎成1mm以下的固體顆粒;
(3)將剩余污泥和榛子殼的固體顆粒混合后加入氯化鋅溶液，于室溫條件下浸泡24h，烘干;
(4)將烘干后的混合顆粒真空熱解;
(5)將熱解后的混合物依次采用稀鹽酸、去離子水洗滌，烘干后得到生物炭。
上述方法中，所述步驟(3)中榛子殼占剩余污泥和榛子殼總質量的5~30%。
上述方法中，所述步驟(3)中氯化鋅溶液的濃度為2~5mol/L。
上述方法中，所述步驟(4)中真空熱解的條件為：真空度為100~500Pa，升溫速率為10℃/min，熱解終溫為400~700℃，時間為15~120min。
上述方法中，所述步驟(1)、(3)和(5)中烘干的溫度為100~110℃，時間為22~26h。
上述方法中，所述生物炭的比表面積為632.54~806.15m2/g，碘吸附值為589.27~669.15mg/g。
本發明的原理為：榛子是重要的堅果樹種之一，在我國東北產量較高，榛子殼中含有豐富的碳元素，但往往被作為垃圾扔棄，本發明將榛子殼作為碳源添加劑和剩余污泥混合，一方面可以增加原料中的含碳比例，另一方面由于榛子殼粉碎后的顆粒分散性好，有助于降低剩余污泥相互聚集，因此可促進熱解反應的發生，能顯著增加生物炭的比表面積，并有利于生物炭中的孔隙形成，同時優化生物炭產率，減少原料中重金屬元素含量，確保生物炭產品的環境安全性。
與現有技術相比，本發明的特點及其有益效果是：
本發明將剩余污泥與含有大量有機質的榛子殼進行混合熱解制備生物炭，結合ZnCl2溶液浸泡的活化造孔方法，使熱解過程更容易發生，與直接焚燒、熱解以及添加玉米秸稈等農作物熱解的方式相比，本發明有助于形成產率高、比表面積大、孔隙度良好的生物炭產品，并且所制備的生物炭可將重金屬元素穩定于其熱解過程所形成的晶體結構中，防止在使用過程中的析出，固定化效果好，實現剩余污泥向對環境安全無害化生物炭產品的轉變。
榛子殼、玉米秸稈工業分析結果如表1所示。
表1榛子殼、玉米秸稈工業分析
工業分析水分 Mar固定碳 FCd灰分Ad揮發份 Vd低位熱值LHV榛子殼7.22%13.98%4.23%74.57%27.82MJ/kg玉米秸稈8.24%11.94%3.57%76.25%13.37MJ/kg
注：ar表示收到基;d表示干基。
