申请日2018.10.08
公开(公告)日2018.12.28
IPC分类号B01J20/20; B01J20/28; B01J20/30; C02F1/28
摘要
一种用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，涉及一种污泥炭顺磁载体的制备方法。目的是解决污泥炭磁性载体的磁性不稳定和工艺复杂的问题。制备方法：污泥进行浓缩脱水、烘干、破碎和炭化得到污泥炭;用酸液表面处理污泥炭，烘干后与顺磁体、骨架材料和粘接剂成型并固化得到半成品;半成品置于海藻酸钠溶液中浸泡，最后烘干。本发明直接采用顺磁型Fe3O4与污泥炭混合并固化，磁性稳定，同时载体结构稳定;本发明能够得到不同尺寸、形状的载体材料，能够满足不同的应用需求，适用范围广;本发明方法不需要浸渍铁离子溶液和烧结磁化，因此整体能耗和成本低。本发明适用于制备污泥炭顺磁载体。
权利要求书
1.一种用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、污泥炭制备：
取污泥并依次进行浓缩脱水、烘干、破碎和炭化，得到污泥炭;
所述污泥为城镇污水厂剩余污泥、污泥厌氧消化处理残余污泥中的一种或两种任意比例的混合物;
所述破碎得到的颗粒的粒径为60～100目;
二、污泥炭表面处理：
将步骤一得到的污泥炭置于酸液中浸泡24～48h，取出后依次进行洗涤和分离，得到表面处理的污泥炭;
所述酸液为HNO3溶液、HCl溶液中的一种或两种任意比例的混合物;
所述酸液的浓度为0.5～1mol/L;
三、污泥炭与磁体的粘接固化：
将步骤二得到的表面处理的污泥炭烘干，取顺磁体和骨架材料并烘干，然后将表面处理的污泥炭、顺磁体、骨架材料和粘接剂混合并搅拌均匀，得到混合物，将混合物成型，成型后固化，得到污泥炭顺磁载体半成品;
所述顺磁体为粒径10～100μm的顺磁型Fe3O4;
所述骨架材料为80～120目的石英砂;
四、污泥炭顺磁载体半成品表面的进一步包裹和再固化：
将污泥炭顺磁载体半成品置于海藻酸钠溶液中浸泡30～60s，取出后进行干燥，即完成;
所述海藻酸钠溶液的浓度为20～25g/L。
2.根据权利要求1所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤一所述炭化时采用的炭化装置为密闭坩埚，炭化温度为600～750℃。
3.根据权利要求1或2所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤一所述烘干的工艺为：在115～125℃烘干20～28h。
4.根据权利要求3所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤二所述洗涤的工艺为：首先用蒸馏水冲洗污泥炭3～5次，然后将污泥炭置于蒸馏水中得到混合液，用NaOH溶液将混合液滴定至中性，进行固液分离，最后用去离子水洗涤固液分离得到的污泥炭2～4次。
5.根据权利要求1、2或4所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤三所述烘干温度为115～125℃。
6.根据权利要求5所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤三所述混合物中表面处理的污泥炭的质量分数为24～44%，顺磁体的质量分数为12～28%，骨架材料的质量分数为2～3%，粘接剂为余量。
7.根据权利要求6所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤三所述固化处理工艺为在室温下静置70～74h。
8.根据权利要求7所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤三所述混合物成型时采用挤压成型或模具塑型。
9.根据权利要求8所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤三所述粘接剂为单组分中性硅酮。
10.根据权利要求9所述的用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法，其特征在于：步骤四所述干燥的工艺为：在温度为48～52℃下干燥8～10h。
说明书
一种用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法。
背景技术
随着我国对水环境质量的要求不断提高，我国自然水体受纳的城镇污水处理厂出水标准日趋严格，与此同时，经济的发展和人民生活的提高带来了日益增长的废水产生量，因此，废水的高效和低成本处理是当前污水处理领域的关键问题。我国污水处理主要采用生物法，借助微生物的新陈代谢实现污染物的降解和去除，高效率的废水处理往往需要以生物强化技术作为辅助。生物强化法是人为扩大废水生物处理的关键微生物种群，从而实现对废水中污染物强化去除的方法。以载体投加为核心的固定化技术是污水的生物增强的关键支撑技术之一。寻求成本低廉、有利于微生物附着、稳定性好的载体是污水处理行业共同致力的目标。以城市剩余污泥或厌氧消化稳定处理残余污泥为原料进行制备的污泥炭是成本低廉的多孔材料，如果能对其加以改进进而制备出适合污水处理的载体，将能够协同实现水处理行业处理效率提高和污泥资源化利用的技术目标。适度的磁场对微生物生长代谢、酶活性提高等方面具有促进作用。磁场也能够明显修正污泥颗粒形态、降低污泥胶体稳定性，改善污泥颗粒对有机物吸附的性能，因此，磁效应对污水的生物处理具有强化作用。
集成了污泥炭吸附性能和磁体的磁效应的污泥炭磁性载体能够对污水的生物处理提供双重的生物强化作用。污泥炭磁性载体属于磁性生物炭，以污泥、农林废弃物或食品废渣制备的炭基材料经过磁化后能够制备出磁性生物炭，但是现有的炭基材料中磁性获取方式也存在技术不足，例如，专利CN106242671A公开了一种磁化炭基肥及其制备方法，其中炭基来自于农林废弃物以及食品加工业排出的残渣，磁化过程通过将混合有粉煤灰的肥料放入磁场强度为200～500A/m的磁场中，磁化时间为4～8秒，激磁功率为1～5Kw;专利CN104028214A采用三价铁离子与农林废弃物超声混合的负载工艺、碱沉淀以及150～250℃水热炭化和赋磁，获得生物质炭基磁性材料。专利CN106362690A以植物生物质焙烧得到生物炭，浸渍于三价铁前驱液;再进行二次热反应进行烧结磁化，即得到磁性生物炭。专利CN106540672A以市政污泥为原料，高温炭化制成污泥炭，将金属离子通过等体积浸渍法固定到污泥炭中，再进行二次高温烧结得到具有磁性的污泥炭载金属氧化物催化剂。上述方法中，无论是基于铁离子浸渍而后烧结的磁化方法，还是利用磁场磁化的方法都具有一定的局限性。利用磁场直接磁化的活性炭载体在后续使用过程中容易失去磁性，因此磁性不够稳定。基于铁离子浸渍而后烧结的磁化方法制备的污泥炭磁性载体，制备工艺复杂，一般需要两次高温处理，成本较高，并且烧结得到的磁体的粒径尺寸固定，最终形成的磁性污泥炭的磁性强度受到铁离子与污泥炭的交联程度的限制，污泥炭能够负载的磁体的总体比例有限，因此适用范围窄。
发明内容
本发明为了解决现有污泥炭磁性载体制备方法制备的污泥炭磁性载体的磁性不稳定和需要进行烧结磁化进而造成制备工艺复杂的问题，进而提出一种用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法。
本发明用于污水强化生物处理的免烧结磁化的污泥炭顺磁载体的制备方法按照以下步骤进行：
一、污泥炭制备：
取污泥并依次进行浓缩脱水、烘干、破碎和炭化，得到污泥炭;
所述污泥为城镇污水厂剩余污泥、污泥厌氧消化处理残余污泥中的一种或两种任意比例的混合物;所述烘干的工艺为：在115～125℃烘干20～28h;所述破碎得到的颗粒的粒径为60～100目;所述炭化时采用的炭化装置为密闭坩埚，炭化温度为600～750℃;
二、污泥炭表面处理：
将步骤一得到的污泥炭置于酸液中浸泡24～48h，取出后依次进行洗涤和分离，得到表面处理的污泥炭;
所述酸液为HNO3溶液、HCl溶液中的一种或两种任意比例的混合物;所述酸液的浓度为0.5～1mol/L;所述洗涤的工艺为：首先用蒸馏水冲洗污泥炭3～5次，然后将污泥炭置于蒸馏水中得到混合液，用NaOH溶液将混合液滴定至中性，进行固液分离，最后用去离子水洗涤固液分离得到的污泥炭2～4次;
三、污泥炭与磁体的粘接固化：
将步骤二得到的表面处理的污泥炭烘干，取顺磁体和骨架材料并烘干，然后将表面处理的污泥炭、顺磁体、骨架材料和粘接剂混合并搅拌均匀，得到混合物，将混合物成型，成型后固化，得到污泥炭顺磁载体半成品;
所述烘干温度为115～125℃;所述混合物中表面处理的污泥炭的质量分数为24～44%，顺磁体的质量分数为12～28%，骨架材料的质量分数为2～3%，粘接剂为余量;所述混合物成型时采用挤压成型或模具塑型;其中根据使用需求将混合物成型为颗粒状、条状、平板状等形状;所述固化处理工艺为在室温下静置70～74h;所述顺磁体为粒径10～100μm的顺磁型Fe3O4;所述骨架材料为80～120目的石英砂;所述粘接剂为单组分中性硅酮;
四、污泥炭顺磁载体半成品表面的进一步包裹和再固化：
将污泥炭顺磁载体半成品置于海藻酸钠溶液中浸泡30～60s，取出后进行干燥，即完成;
所述海藻酸钠溶液的浓度为20～25g/L;所述干燥的工艺为：在温度为48～52℃下干燥8～10h。
本发明原理及有益效果为：
1、本发明直接采用了顺磁型Fe3O4与污泥炭混合并固化，顺磁型Fe3O4具有稳定的磁性，因此本发明制备的污泥炭顺磁载体磁性稳定;现有的利用磁场直接磁化的活性炭载体在后续使用过程中容易失去磁性，因此磁性不够稳定，本发明采用了粘接剂将生物炭、顺磁体和骨架材料混合粘接，并经过了海藻酸钠包裹，提高了污泥炭顺磁载体的结构稳定性;经过对污泥炭表面处理，污泥炭表面杂质被酸洗去除，使污泥炭表面更加粗糙，容易与顺磁体、骨架材料和粘接剂粘接，也容易被微生物所形成的生物膜所附着;
2、本发明利用粘接剂对顺磁体、骨架材料和污泥炭进行粘接并成型，然后利用海藻酸钠对成型产品进行包裹，因本发明能够得到不同尺寸、形状的载体材料，能够满足不同的应用需求;
3、基于铁离子浸渍而后烧结的磁化方法存在最大吸附铁离子量的限制，进而限制最终所生成的磁体含量，且污泥炭中所生成的磁粒粒径为纳米级，因此适用范围窄;本发明方法能够调节顺磁型Fe3O4的添加量，还能够根据需求选择不同粒径的顺磁体添加至污泥炭中，因此，本发明方法所制备的污泥炭顺磁载体中顺磁体的添加比例和粒径选择灵活，适用范围广;
4、与现有技术相比，本发明制备工艺中只需要将剩余污泥或残余污泥进行炭化，不需要浸渍铁离子溶液和烧结磁化步骤，因此本发明制备方法简便，整体能耗低，物耗成本相对较低;
5、本发明制备的污泥炭磁性载体能够利用自身具有的磁性进行回收，回收后进行修复和清洗后能够重新利用;因此，本发明即实现了剩余污泥或污泥残渣的资源化利用，还够实现在较低成本下构建污水的生物磁强化技术;
6、本发明制备的污泥炭磁性载体可以直接作为载体应用于滤池或曝气池中，也可以填充到污水处理悬浮球中做成悬浮填料;
7、采用本发明制备的污泥炭顺磁载体强化污水的生物处理后，针对生活污水的COD去除率为80～92%;氨氮去除率为74～92%;由于脱氮处理效果较好，污水处理系统中微生物活性高，因此氮转化过程中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮无累积;