一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭及其制备方法和其应用

技术领域

本发明涉及废物资源化及水处理技术领域，具体涉及一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭及其制备方法和其应用。

背景技术

大量含磷的农业径流和工业废水排入水体会造成藻类过度生长、水体富营养化和水生生态系统崩溃等问题，从而对水环境造成严重破坏。因此，高效去除水体中的磷酸盐污染物一直是当前水处理技术领域的研究重点。

同时，人口的不断增长和消费水平的不断提高导致城市固体废弃物的大量产生和堆积，因此对固体废弃物，尤其是高毒性的废弃物的处理也是一个亟待解决的难题。

发明内容

针对上述问题，现提供一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭及其制备方法和其应用。

具体技术方案如下：

本发明的第一个方面是提供一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：

1)将重金属污泥烘干、研磨后过筛，通过剧烈搅拌将过筛后污泥颗粒分散在去离子水中，再向体系中加入可溶解性镧盐，搅拌混合均匀，随后在剧烈搅拌和水浴条件下将强碱溶液逐滴滴入体系中至体系的pH值大于10；

2)将步骤1)中泥浆搅拌一段时间后离心分离，用去离子水将滤渣反复漂洗至漂洗液呈中性，干燥，得镧负载剩余污泥；

3)将步骤2)中镧负载剩余污泥于惰性气氛下热解，冷却，制得镧负载生物炭吸附剂。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中镧盐是氯化镧、水合氯化镧、硝酸镧、硫酸镧中的至少一种。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤1)中污泥颗颗粒与镧离子的质量比为1：1。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤2)中强碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种，强碱溶液的浓度为10wt％。

上述的制备方法，还具有这样的特征，步骤3)中热解温度为300-800℃，升温速率为10-30℃/min，热解时间为2-4h。

本发明的第二个方面是提供一种根据上述制备方法制备获得的基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭。

本发明的第三个方面是提供一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭在污水处理中的应用。

上述方案的有益效果是：

1)本发明吸附剂由于制备过程中的强碱刻蚀作用，其孔隙率和比表面积大大增加，有利于加快吸附过程；

2)本发明吸附剂对磷酸盐具有很高的吸附容量(～87.4mg P/g)和选择吸附性；特别地，该吸附剂尤其适用于酸性污染水体的治理(水体pH为3～6)；

3)本发明中吸附剂重金属在热解之后主要以氧化态的形式存在，因此不易从材料中淋出，从而降低了重金属的泄露风险，可以实现重金属的固定化，所得到的吸附剂在所述投加量下是安全可行的，重金属泄露浓度显著低于地表水环境质量标准中规定的重金属浓度限值。

附图说明

图1为本发明的实施例中提供的制备流程图。

图2为本发明实施例2中提供的吸附剂的重金属离子泄露浓度测试图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合对比例和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭，其制备方法为：

1)以处理垃圾渗滤液的剩余污泥作为生物质原料，将其在50℃下烘干、研磨后过200目筛，通过剧烈搅拌将20g过筛后污泥颗粒分散在200mL去离子水中，再向体系中加入46.74g硝酸镧，使得污泥颗粒与镧离子的质量比为1：1，搅拌混合均匀，随后在剧烈搅拌和60℃水浴条件下将10wt％KOH溶液通过蠕动泵逐滴滴入体系中至体系的pH值大于10；

2)将步骤1)中泥浆搅拌24h后离心分离，用去离子水将滤渣反复漂洗至漂洗液呈中性，干燥，得镧负载剩余污泥；

3)将步骤2)中镧负载剩余污泥在氮气保护下以15℃/min升温速率升温至300℃，热解3h，冷却，制得镧负载生物炭吸附剂。

本发明中将上述镧负载生物炭吸附剂应用于磷酸盐污染物的去除，具体方法为：将镧负载生物炭吸附剂以0.2g/L的投入量投入pH为6.0、磷酸盐浓度为20mg P/L的废水中，随后置于摇床上震荡混合(转速为180rpm)，待吸附1440min后用0.45μm的滤膜过滤，再测试滤后水中磷酸盐的浓度，以计算获得磷酸盐的吸附量。

本实施例提供的镧负载生物炭吸附剂磷酸盐的吸附容量为33.85mg P/g。

本实施例中提供的镧负载生物炭吸附剂的重金属泄露浓度为：0.38μg/L Cr，10.25μg/L Zn，均显著低于初始剩余污泥样品的泄露浓度(1.56μg/L Cr，16.98μg/L Zn)。

实施例2

一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭，其制备方法为：

1)以处理垃圾渗滤液的剩余污泥作为生物质原料，将其在50℃下烘干、研磨后过200目筛，通过剧烈搅拌将20g过筛后污泥颗粒分散在200mL去离子水中，再向体系中加入50.84g水合氯化镧，使得污泥颗粒与镧离子的质量比为1：1，搅拌混合均匀，随后在剧烈搅拌和60℃水浴条件下将10wt％NaOH溶液通过蠕动泵逐滴滴入体系中至体系的pH值大于10；

2)将步骤1)中泥浆搅拌24h后离心分离，用去离子水将滤渣反复漂洗至漂洗液呈中性，干燥，得镧负载剩余污泥；

3)将步骤2)中镧负载剩余污泥在氮气保护下以15℃/min升温速率升温至500℃，热解3h，冷却，制得镧负载生物炭吸附剂。

本实施例提供的镧负载生物炭吸附剂磷酸盐的吸附容量为82.38mg P/g(方法同实施例1)。

本实施例中提供的镧负载生物炭吸附剂的重金属泄露浓度为：0.27μg/L Cr，8.72μg/L Zn，均显著低于初始剩余污泥样品的泄露浓度(1.56μg/L Cr，16.98μg/L Zn)。此外，其他重金属离子的泄露浓度也显著低于地表水环境质量标准中规定的重金属浓度限值。

实施例3

一种基于高毒性剩余污泥的功能化生物炭，其制备方法为：

1)以处理垃圾渗滤液的剩余污泥作为生物质原料，将其在50℃下烘干、研磨后过200目筛，通过剧烈搅拌将20g过筛后污泥颗粒分散在200mL去离子水中，再向体系中加入50.84g水合氯化镧，使得污泥颗粒与镧离子的质量比为1：1，搅拌混合均匀，随后在剧烈搅拌和60℃水浴条件下将10wt％KOH溶液通过蠕动泵逐滴滴入体系中至体系的pH值大于10；

2)将步骤1)中泥浆搅拌24h后离心分离，用去离子水将滤渣反复漂洗至漂洗液呈中性，干燥，得镧负载剩余污泥；

3)将步骤2)中镧负载剩余污泥在氮气保护下以15℃/min升温速率升温至800℃，热解3h，冷却，制得镧负载生物炭吸附剂。

本实施例提供的镧负载生物炭吸附剂磷酸盐的吸附容量为73.04mg P/g(方法同实施例1)。

本实施例中提供的镧负载生物炭吸附剂的重金属泄露浓度为：0.23μg/L Cr，6.57μg/L Zn，均显著低于初始剩余污泥样品的泄露浓度(1.56μg/L Cr，16.98μg/L Zn)。

对比例1

一种基于高毒性剩余污泥的生物炭吸附剂，其制备方法为：

1)以处理垃圾渗滤液的剩余污泥作为生物质原料，将其在50℃下烘干、研磨后过200目筛；

2)将步骤1)中研磨后的剩余污泥在氮气保护下以15℃/min升温速率升温至500℃，热解3h，冷却，制得高毒性污泥基生物炭吸附剂。

本对比例提供的高毒性污泥基生物炭的磷酸盐吸附容量为1.7mg P/g(方法同实施例1)。

本对比例中提供的高毒性污泥基生物炭的重金属泄露浓度为：0.52μg/L Cr，10.92μg/L Zn，均显著低于初始剩余污泥样品的泄露浓度(1.56μg/L Cr，16.98μg/L Zn)，实现了高毒性污泥的减害化。

由实施例1-3及对比例1对比可知，本申请中提供的镧负载生物炭可固定重金属并用于吸附去除水中磷酸盐污染物。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。