一种铁碳填料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及工业固体废弃物的资源化再生利用领域及工业废水的催化氧化降解领域技术领域，特别是涉及一种铁碳填料及其制备方法和用途。

背景技术

随着国家对环保治理力度的加强，工业废水的排放标准也随之提高。芬顿工艺在脱色及去除难降解有机物的优秀表现，让其在造纸废水、印染废水、焦化废水等领域得到普遍应用。但该工艺产生了大量的芬顿污泥，不但提高了污水处理成本，且对生态环境构成威胁。芬顿污泥的常规处置手段包括：脱水填埋和干化焚烧，填埋工艺占用土地资源，有污染地下水的风险，焚烧工艺成本高昂，且有二次污染可能，两种处理工艺均未能有效回收污泥中的铁资源，造成了资源的浪费。

本发明旨在通过回收芬顿污泥中的铁资源，制备一种具有催化氧化效果的铁炭填料，用于工业废水的深度处理。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铁碳填料及其制备方法和用途，对废弃物进行资源化利用制备铁碳填料，并将铁碳材料应用于工业废水的深度处理。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种铁碳填料，包括污泥混合粉末，所述污泥混合粉末选自芬顿脱水污泥和/或生化脱水污泥，所述污泥混合粉末中按重量百分比计：C元素为35～45％，如35～40％或40～45％；Fe元素为25～35％，如25～30％或30～35％；Al元素为5～15％，如5～10％或10～15％，余量为污泥中其他常规成分和不可避免的杂质。

在一可行的实施例中，所述铁碳填料还包括：粘结剂，所述污泥混合粉末与粘结剂的质量比为(85～95):(15～5)，例如粘结剂的添加量质量比占总质量的比例约为5-15％，例如5-10％或10-15％。

优选的，所述的粘结剂为黏土、高岭土中的几种或一种。

在一可行的实施例中，所述污泥混合粉末的粒径为0.1～0.3mm，如0.1～0.2mm或0.2～0.3mm。

在一可行的实施例中，所述污泥混合粉末为芬顿脱水污泥和生化脱水污泥的混合物。所述芬顿脱水污泥和生化脱水污泥的质量比为1:(0.6-1.2)，例如1:(0.6-1.0)或1:(1.0-1.2)。

在一可行的实施例中，所述铁碳填料为多孔结构，所述多孔结构的孔径为10～100微米，例如10～30微米，30～50微米，50～70微米或70～100微米。多孔结构来源于造孔剂添加到填料前体再经过煅烧获得，造孔剂为秸秆活性炭粉末、稻壳锯末废屑等材料中的一种或几种。

在一可行的实施例中，所述铁碳填料的直径为0.5～2cm，如0.5～1cm、1～1.5cm或1.5～2cm。

本发明第二方面提供一种铁碳填料的制备方法，所述制备方法包括将污泥混合粉末与粘结剂混合造粒后，再通过加热程序后和冷却程序后获得铁碳填料。

在一可行的实施例中，具体包括如下步骤：

1)提供芬顿脱水污泥和/或生化脱水污泥中的一种或两种混合后，经过研磨、过筛得到污泥混合粉末；

2)将污泥混合粉末、粘结剂和造孔剂混合后，经过造粒获得球状生填料；

3)将球状生填料通过加热程序后获得铁碳填料。

更具体的，步骤1)中，包括如下技术特征中的至少一项：

1a)所述芬顿脱水污泥和生化脱水污泥的质量比为1:(0.6-1.2)，如1:(0.6-1.0)或1:(1.0-1.2)。

1b)所述芬顿脱水污泥源自污泥脱水车间，含水率为75～85％，经烘干后获得芬顿脱水污泥；

1c)所述生化脱水污泥源自污泥脱水车间，含水率为75～85％，经烘干后获得生化脱水污泥；

1d)研磨采用球磨仪；

1e)研磨后过筛，筛网目数为80～110目；

1f)所述污泥混合粉末中各元素的组成为：C元素为30～40％，如35～40％或40～45％；Fe元素为20～30，如25～30％或30～35％；Al元素为5～10％，如5～10％或10～15％；余量为污泥中其他常规成分和不可避免的杂质。

更具体的，步骤2)中，包括如下技术特征中的至少一项：

2a)所述污泥混合粉末、粘结剂和造孔剂的质量比为(77～94):(15～5):(1:8)；具体的，所述的粘结剂为黏土、高岭土中的几种或一种，其添加量质量比占总质量的比例约为5-15％，例如5-10％或10-15％；所述的造孔剂为秸秆活性炭粉末、稻壳锯末废屑等材料中的一种或几种，其添加质量比约为1-8％，例如1-5％或5-8％。根据实际工艺或者所需要造孔的数量或大小进行选择。

2d)造粒采用造粒机；

2e)球状生填料的粒径为1～4cm，如1～2cm、2～3cm或3～4cm。

更具体的，步骤3)中，加热程序和冷却程序包括：

3a)将球状生填料于50～100℃的烘干箱中低温干燥定型4～12小时；烘干温度如50～70℃，70～90℃或90～100℃；烘干时间可为4～6小时，6～8小时或8～12小时。

3b)将经步骤3a)处理的填料于200-300℃煅烧炉中无氧煅烧0.5-1小时；煅烧温度如200-250℃或250-300℃。

3c)将经步骤3b)处理的填料于600-800℃高温煅烧炉中无氧煅烧0.5-1小时；煅烧温度如600-650℃，650-700℃，700-750℃或750-800℃。

3d)将步骤3b)中填料冷却至室温得到铁碳填料。

本发明第三方面提供上述铁碳填料或上述的制备方法制备获得的铁碳填料在废水处理中的用途。

本发明第四方面提供一种废水处理的方法，包括如下步骤：

1)提供上述铁碳填料，或如上述铁碳填料制备方法制备的铁碳填料；

2)将步骤1)中的铁碳填料置入反应装置中，铁碳填料体积占总体积的比例为30～50％，如30～40％或40～50％。

3)调整进水水质的pH为2.5～4.5，如2.5～3.0，3.0～4.0或4.0～4.5。酸碱调节剂为稀硫酸，硫酸浓度约10-20wt％。

4)控制进水流量，使水力停留时间在0.5～1.5h，如0.5～1.0h或1.0～1.5h。

5)调整出水水质的pH为6.0～7.0，如6.0～6.5或6.5～7.0。再经沉淀过滤后，反应完成。

本发明第五方面提供一种废水工艺系统，包括依次流体连通的酸化调节池、铁碳催化反应池、中和池和沉淀池；所述铁碳催化反应池内装载上述所述的铁碳填料，或上述所述的铁碳填料制备方法制备的铁碳填料。

在一可行实施例中，还包括如下技术特征中的至少一项：

c1)所述酸化调节池设有废水输入管路；

c2)包括第一输送管路，所述第一输送管路的一端与所述酸化调节池的下侧连通，另一端与所述铁碳催化反应池的下侧连通，且所述第一输送管路上设有计量泵；

c3)还包括设于所述沉淀池下游且与所述沉淀池连通的清水池；

c4)所述铁碳催化反应池底部设有放空管。

如上所述，发明具有以下有益效果中的至少一项：

1)采用芬顿污泥、生化污泥及秸秆/稻壳等固体废弃物为原材料，进行资源化再利用，有效的回收了芬顿污泥中的铁资源，制备出一种具有催化氧化效果的铁炭填料。

2)本发明的填料具有MBC(磁性生物炭)的催化效果，同时具有较好的孔隙结构，与芬顿试剂耦合的铁炭微电解反应，对于工业难降解废水具有广泛的适用性和较高的COD去除率，具有较强的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1中铁碳填料的制备方法流程图。

图2为本发明实施例2中废水工艺系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照常规条件或者制造商建议的条件进行或配置。

实施例1

参阅图1：

步骤(1)，准备印染厂废水芬顿工艺处理后的芬顿脱水污泥和生化脱水污泥(生化反应后的二沉池污泥)各1份，经烘干、脱水、球磨仪研磨后，过110目筛，以质量比1:1进行混合，得到污泥混合粉末。污泥混合粉末中各元素重量百分比如下：C元素38％，Fe元素28％，Al元素8％，其他26％。

步骤(2)，将污泥混合粉末，粘结剂，造孔剂按照质量比80:15:5混合成型，造粒机制成直径约1cm的球状生填料。所述的粘结剂为高岭土，所述的造孔剂为秸秆活性炭粉末与稻壳的混合物，质量比为2:1。

步骤(3)，(3a)将球状生填料在烘干箱内以80℃进行烘干8小时；

(3b)经步骤(3a)处理的填料送入管式炉，管式炉以5℃/min的升温速率升温至200℃后恒温，采用200℃恒温无氧煅烧1小时；

(3c)经步骤(3b)处理的填料继续以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃后恒温，将填料于800℃高温无氧煅烧1小时；

(3d)将步骤(3c)中填料冷却至室温得到铁碳填料。铁碳填料为多孔结构，多孔孔径的大小一般为10～100微米。

实施例2

参阅图2：

废水工艺系统包括依次流体连通的酸化调节池2、铁碳催化反应池5、中和池6和沉淀池7；所述铁碳催化反应池5内装载铁碳填料4，其中流体连通为各个池直接连通或通过管路连通，根据需要各连通管路上设置计量泵或控制阀门，所述酸化调节池2设有与酸化调节池2顶部连通的废水输入管路1。具体的，工艺系统包括第一输送管路连通，所述第一输送管辂的一端与所述酸化调节池2的下侧连通，另一端与所述铁碳催化反应池5的下侧连通，且所述第一输送管辂上设有计量泵3和控制阀门10。更具体的，工艺系统还包括设于所述沉淀池7下游且与所述沉淀池7连通的清水池8。

实施例3

步骤(1)，铁碳催化反应池5总体积约5L，向铁碳催化反应池5中填充实施例1制备的铁炭填料1.5L；

步骤(2)取印染厂废水15L，采用15％的稀硫酸调节废水pH值至3.5；

步骤(3)调节进水流量为83mL/min，经连续进水出水反应，出水采用氢氧化钠调节pH至6.5，经沉淀后进行出水取样检测，取样时间为1小时，2小时，3小时，COD去除率均值可达到85％以上。

实施例4

参阅图1：

步骤(1)，准备印染厂芬顿工艺处理后的芬顿脱水污泥和生化脱水污泥(生化反应后二沉池的生化污泥)各1份，经烘干、脱水、球磨仪研磨后，过100目筛，以质量比1:1进行混合，得到污泥混合粉末。污泥混合粉末中各元素重量百分比：C元素40％，Fe元素27％，Al元素8％，其他25％。

步骤(2)，将污泥混合粉末，粘结剂，造孔剂按照质量比79:15:6混合成型，造粒机制成直径约1cm的球状生填料。所述的粘结剂为高岭土，所述的造孔剂为秸秆活性炭粉末与稻壳的混合物，质量比为2:1。

步骤(3)，

(3a)将球状生填料在烘干箱内以80℃进行烘干8小时；

(3b)经步骤(3a)处理的填料送入管式炉，管式炉以6℃/min的升温速率升温至250℃后恒温，采用250℃恒温无氧煅烧1小时；

(3c)经步骤(3b)处理的填料继续以6℃/min的升温速率将管式炉升温至850℃后恒温，将填料于850℃高温无氧煅烧1小时；

(3d)将步骤(3c)中填料冷却至室温得到铁碳填料。

实施例5

步骤(1)，铁碳催化反应池5总体积约5L，向铁碳催化反应池5中填充实施例1制备的铁炭填料1.5L；

步骤(2)取印染厂废水15L，采用15％的稀硫酸调节废水pH值至3.5；

步骤(3)调节进水流量为83mL/min，经连续进水出水反应，出水采用氢氧化钠调节pH至6.5，经沉淀后进行出水取样检测，取样时间为1小时，2小时，3小时，COD去除率均值可达到87％以上。

实施例6

参阅图1：

步骤(1)，准备印染厂芬顿工艺处理后的芬顿脱水污泥和生化脱水污泥(生化反应后二沉池的生化污泥)各1份，经烘干、脱水、球磨仪研磨后，过100目筛，以质量比1:1.2进行混合，得到污泥混合粉末。污泥混合粉末中各元素重量百分比：C元素35％，Fe元素30％，Al元素10％，其他25％。

步骤(2)，将污泥混合粉末，粘结剂，造孔剂按照质量比80:15:5混合成型，造粒机制成直径约1cm的球状生填料。所述的粘结剂为高岭土，所述的造孔剂为秸秆活性炭粉末与稻壳的混合物，质量比为2:1。

步骤(3)，

(3a)将球状生填料在烘干箱内以80℃进行烘干8小时；

(3b)经步骤(3a)处理的填料送入管式炉，管式炉以5℃/min的升温速率升温至200℃后恒温，采用200℃恒温无氧煅烧1小时；

(3c)经步骤(3b)处理的填料继续以5℃/min的升温速率将管式炉升温至800℃后恒温，将填料于800℃高温无氧煅烧1小时；

(3d)将步骤(3c)中填料冷却至室温得到铁碳填料。

实施例7

步骤(1)，铁碳催化反应池5总体积约5L，向铁碳催化反应池5中填充实施例1制备的铁炭填料1.5L；

步骤(2)取印染厂废水15L，采用15％的稀硫酸调节废水pH值至3.5；

步骤(3)调节进水流量为90mL/min，经连续进水出水反应，出水采用氢氧化钠调节pH至6.5，经沉淀后进行出水取样检测，取样时间为1小时，2小时，3小时，COD去除率均值可达到90％以上。以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。