申請(qǐng)日2015.06.24

　　公開(公告)日2015.10.07

　　IPC分類號(hào)C02F11/10; C02F11/04

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)城市污泥厭氧消化過程中重金屬的穩(wěn)定化過程的方法。以市政污泥為原料，采用專用真空反應(yīng)爐，在缺氧條件下，通過高溫?zé)峤庵瞥晌勰嗌�物炭，�?jīng)過玻璃纖維浸潤(rùn)對(duì)SBC進(jìn)行改性，最終制得具有穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)、高空隙度，并且具有抗酸堿沖擊的污泥生物炭，在污泥厭氧消化產(chǎn)酸階段，以適當(dāng)比例加入到反應(yīng)器中，可明顯吸附、捕獲反應(yīng)器中游離態(tài)重金屬，最終加速并增強(qiáng)污泥重金屬的穩(wěn)定化過程。該方法基本不會(huì)對(duì)污泥厭氧消化反應(yīng)體系產(chǎn)生不利影響，產(chǎn)生的沼渣含水率明顯降低，脫水性能明顯改善。本發(fā)明可用于城鎮(zhèn)污水處理廠剩余污泥厭氧消化工程中，有效增強(qiáng)厭氧消化過程中重金屬的穩(wěn)定化過程，加速污泥穩(wěn)定化進(jìn)程，這對(duì)于厭氧消化后污泥土地利用過程中，降低重金屬環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和提升土壤健康質(zhì)量具有重要作用。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種增強(qiáng)厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化過程的方法，其特征在于具體步驟如下：

　　(1)以城市污泥本身作為原料，在缺氧條件下，600℃~650℃高溫下熱解制成的污泥生物炭(SBC)，控制熱解時(shí)間為3.5-4.5小時(shí);通過化學(xué)方法改性得到改性污泥生物炭(MSBC)，并自然風(fēng)干、研磨，過100篩，形成厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑;

　　(2)在城市剩余污泥厭氧硝化產(chǎn)酸階段，將步驟(1)得到的增強(qiáng)劑添加到反應(yīng)其中，并充分?jǐn)嚢杌旌�，進(jìn)行混合發(fā)酵，反應(yīng)過程中，該增強(qiáng)劑利用其多孔的結(jié)構(gòu)，將反應(yīng)其中游離態(tài)的重金屬離子吸附和捕獲，從而改變其賦存形態(tài)，降低重金屬的生物有效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥的重金屬穩(wěn)定化過程，并為沼渣后續(xù)資源化土地利用提供奠定良好的基礎(chǔ)，該重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑的添加對(duì)污泥產(chǎn)氣率和穩(wěn)定化過程沒有明顯影響。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于制作SBC的原料城市污泥有機(jī)質(zhì)含量不能低于60%;原料污泥為必須為城市污泥，其重金屬以及其他各項(xiàng)污染物濃度均低于污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)(GB4284-1984)。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用化學(xué)方法對(duì)SBC進(jìn)行改性，所述化學(xué)方法為玻璃纖維浸潤(rùn)。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于MSBC的顆粒需要進(jìn)行進(jìn)一步研磨，并過100目篩，使得MSBC的粒徑小于0.15mm;MSBC添加的量控制在2%-5%(干重比)。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于MSBC的添加時(shí)間為污泥厭氧消化過程中的產(chǎn)酸開始階段。

　　說明書

　　一種增強(qiáng)厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化過程的方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用改性污泥生物炭強(qiáng)化城市污泥厭氧消化過程中重金屬穩(wěn)定化過程的方法。

　　背景技術(shù)

　　隨著人口及城市化的增長(zhǎng)及發(fā)展，城市污水廠的數(shù)量不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，污水處理的副產(chǎn)物—剩余污泥產(chǎn)量日益增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)城市剩余污泥產(chǎn)量達(dá)2.2×107 t，并以每年大約10%的速率增長(zhǎng)。目前我國(guó)約有80%]的污泥未經(jīng)穩(wěn)定化處理，這導(dǎo)致了污泥中的惡臭物質(zhì)、病原體、持久性有機(jī)污染物等進(jìn)一步擴(kuò)散，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前，主要的污泥穩(wěn)定化處理方式有好氧堆肥、厭氧消化、干化焚燒等，其中，厭氧消化+土地利用是解決污泥穩(wěn)定化處理與安全處置的重要技術(shù)路線，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，污水處理過程中重金屬極易富集在污泥中，會(huì)影響到污泥的土地利用，這使得重金屬成為了限制污泥出路的重要問題。

　　越來越多的研究者認(rèn)識(shí)到，重金屬對(duì)環(huán)境的危害不僅決定于總量，更大程度上取決于其形態(tài)分布和生態(tài)有效性。厭氧消化過程中重金屬的形態(tài)發(fā)生了顯著變化，由不穩(wěn)定態(tài)向比較穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)變。厭氧消化可以有效地降低污泥中重金屬的潛在遷移能力和生物有效性，經(jīng)厭氧消化后污泥可以更好地進(jìn)行土地利用。但是，目前的厭氧消化技術(shù)對(duì)污泥中重金屬穩(wěn)定化促進(jìn)作用非常有限。為了進(jìn)一步降低厭氧消化后污泥后重金屬的生物有效性和毒性，還需要采取進(jìn)一步的強(qiáng)化措施。

　　生物炭(Biochar)是生物質(zhì)在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)峤夂笊�成的固態(tài)產(chǎn)物。既可作為高品質(zhì)能源、土壤改良劑，也可作為還原劑、肥料緩釋載體及二氧化碳封存劑等，已廣泛應(yīng)用于固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，可在一定程度上為氣候變化、環(huán)境污染和土壤功能退化等全球關(guān)切的熱點(diǎn)問題提供解決方案。但是，污泥厭氧消化體系復(fù)雜，特別是產(chǎn)酸階段，反應(yīng)體系pH較低，而一般的生物質(zhì)炭抗酸沖擊能力較弱，穩(wěn)定性較差，容易削弱其吸附性能�；�于生物炭本身的特性，并結(jié)合目前污泥厭氧消化反應(yīng)條件和重金屬穩(wěn)定化過程特征，本發(fā)明以市政污泥為原料，在缺氧條件下，經(jīng)過高溫?zé)峤庵瞥晌勰嗌�物炭，并�?jīng)過適當(dāng)化學(xué)改性，將其添加到污泥厭氧消化反應(yīng)器，并通過攪拌，加速最終制成污泥厭氧消化過程中重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑，改性后的污泥生物炭對(duì)反應(yīng)器中重金屬的吸附、捕獲作用，加速并增強(qiáng)污泥的重金屬穩(wěn)定化過程，從而有效降低其生物有效性和土地利用風(fēng)險(xiǎn)。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化過程的方法。

　　本發(fā)明提出的增強(qiáng)城市污泥在厭氧消化過程中重金屬穩(wěn)定化過程的方法，具體步驟如下：

　　(1)以城市污泥本身作為原料，在缺氧條件下，600℃~650℃高溫下熱解制成的污泥生物炭(SBC)，控制熱解時(shí)間為3.5-4.5小時(shí);同時(shí)，為了增強(qiáng)SBC的抗酸沖擊和對(duì)重金屬捕獲能力，通過化學(xué)方法處理得到改性污泥生物炭(MSBC)，并自然風(fēng)干、研磨，過100篩，形成厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑;

　　(2)在城市剩余污泥厭氧硝化產(chǎn)酸階段(反應(yīng)器中pH下降至6左右)，將步驟(1)得到的增強(qiáng)劑添加到反應(yīng)器中，并充分?jǐn)嚢杌旌�，進(jìn)行混合發(fā)酵，反應(yīng)過程中，該增強(qiáng)劑利用其多孔的結(jié)構(gòu)，將反應(yīng)其中游離態(tài)的重金屬離子吸附和捕獲，從而改變其賦存形態(tài)，降低重金屬的生物有效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥的重金屬穩(wěn)定化過程，并為沼渣后續(xù)資源化土地利用提供奠定良好的基礎(chǔ)。該重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑的添加對(duì)污泥產(chǎn)氣率和穩(wěn)定化過程沒有明顯影響。

　　本發(fā)明中，所采用的厭氧消化污泥重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)劑以城市污泥為原料，并采用專用的反應(yīng)爐(如石英真空管專用爐具)，在缺氧條件下，通過的高溫?zé)峤舛�制成的污泥生物�?SBC)，該污泥生物炭顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，空隙大，且分布均勻。

　　本發(fā)明中，制作SBC的原料污泥有機(jī)質(zhì)含量不能低于60%;另外，為了降低添加SBC可能帶來的二次污染，原料污泥為必須為市政污泥，其重金屬以及其他各項(xiàng)污染物濃度均低于污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)(GB4284-1984)。

　　本發(fā)明中， 在制作SBC過程中，原料污泥必須在600℃~650℃高溫下裂解，且熱解時(shí)間控制在4小時(shí)左右，較一般的生物炭制作需要更高的熱解溫度和時(shí)間，主要是考慮到污泥厭氧消化反應(yīng)器條件(需要攪拌，產(chǎn)酸階段pH降低)，通過以上條件制得的SBC結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加多孔性，而且耐酸沖擊，各種污染物浸出量較少，本身的毒性，避免造成二次污染。

　　本發(fā)明中，通過多次實(shí)驗(yàn)比較，采用化學(xué)方法對(duì)SBC進(jìn)行改性，所述化學(xué)方法為玻璃纖維浸潤(rùn)，以進(jìn)一步提高污泥生物炭(SBC)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，特別是明顯增強(qiáng)了SBC對(duì)污泥厭氧消化反應(yīng)器中過酸環(huán)境的緩沖性能，而對(duì)改性后的污泥生物炭(MSBC)其他性能并沒有產(chǎn)生不利影響。

　　本發(fā)明中，MSBC的顆粒需要進(jìn)行進(jìn)一步研磨，并過100目篩，使得MSBC的粒徑小于0.15mm;MSBC添加的量控制在2%-5%(干重比)，對(duì)于重金屬含量比較高的厭氧消化污泥，其MSBC添加量可適當(dāng)增加，但是不能超過5%，否則可能會(huì)對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)生不利影響;

　　本發(fā)明中，經(jīng)過多次批實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MSBC的添加時(shí)間為污泥厭氧消化過程中的產(chǎn)酸開始階段(pH=6左右)，該階段由于反應(yīng)器中pH處于最低，污泥中游離態(tài)重金屬含量較高，容易被MSBC吸附和捕獲，從而增強(qiáng)其對(duì)厭氧消化污泥中重金屬的穩(wěn)定化效果。

　　由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1、本發(fā)明所采用的增強(qiáng)污泥厭氧消化過程中重金屬穩(wěn)定化的增強(qiáng)劑本身就來自城市污水處理廠剩余污泥，就地取材，來源廣泛，以廢治廢，并可實(shí)現(xiàn)污泥資源化土地安全利用;

　　2、由于該增強(qiáng)劑以市政污水處理廠剩余污泥為原料，其有毒有害物質(zhì)較少，加上經(jīng)過缺氧高溫炭化，僅存的少量重金屬基本被固化。浸出實(shí)驗(yàn)表明，其浸提液重金屬均未檢出，高溫?zé)峤膺^程中產(chǎn)生的多環(huán)芳烴類化合物在浸提液中含量也低于檢測(cè)水平。

　　3、同時(shí)，由于添加了該增強(qiáng)劑之后，將反應(yīng)器中毒性較強(qiáng)的游離態(tài)重金屬離子捕獲和穩(wěn)定化，大大降低了重金屬的生物有效性，從而促進(jìn)了反應(yīng)器中微生物活性和產(chǎn)甲烷菌群結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，進(jìn)而大大提高了污泥產(chǎn)氣效率，并明顯縮短了污泥厭氧消化周期。

　　4、本發(fā)明所采取的污泥厭氧消化反應(yīng)器中重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)方法，最終降低了沼渣中生物有效態(tài)重金屬(以酸可交換態(tài)和可還原態(tài)計(jì))含量和比例，而生物難以利用的有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)比例明顯增加，這對(duì)大大降低厭氧消化后污泥土地利用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

　　5、經(jīng)過本發(fā)明所采用的污泥重金屬穩(wěn)定化增強(qiáng)方法后，所產(chǎn)生的沼渣含水率也明顯降低，而且由于本身組成發(fā)生了改變(顆粒態(tài)比例增加)，便于后續(xù)進(jìn)行下一步的深度脫水處理。

　　6、另外，當(dāng)穩(wěn)定化污泥施入土壤以后，所添加的改性生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)和生物活性也具有很好的改善作用，明顯促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和微生物活性，并有效提升土壤碳庫作用。