申请日2015.06.24
公开(公告)日2015.10.07
IPC分类号C02F11/10; C02F11/04
摘要
本发明涉及一种增强城市污泥厌氧消化过程中重金属的稳定化过程的方法。以市政污泥为原料，采用专用真空反应炉，在缺氧条件下，通过高温热解制成污泥生物炭，经过玻璃纤维浸润对SBC进行改性，最终制得具有稳定性结构、高空隙度，并且具有抗酸碱冲击的污泥生物炭，在污泥厌氧消化产酸阶段，以适当比例加入到反应器中，可明显吸附、捕获反应器中游离态重金属，最终加速并增强污泥重金属的稳定化过程。该方法基本不会对污泥厌氧消化反应体系产生不利影响，产生的沼渣含水率明显降低，脱水性能明显改善。本发明可用于城镇污水处理厂剩余污泥厌氧消化工程中，有效增强厌氧消化过程中重金属的稳定化过程，加速污泥稳定化进程，这对于厌氧消化后污泥土地利用过程中，降低重金属环境污染风险和提升土壤健康质量具有重要作用。
摘要附图
权利要求书
1.一种增强厌氧消化污泥重金属稳定化过程的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)以城市污泥本身作为原料，在缺氧条件下，600℃~650℃高温下热解制成的污泥生物炭(SBC)，控制热解时间为3.5-4.5小时;通过化学方法改性得到改性污泥生物炭(MSBC)，并自然风干、研磨，过100筛，形成厌氧消化污泥重金属稳定化增强剂;
(2)在城市剩余污泥厌氧硝化产酸阶段，将步骤(1)得到的增强剂添加到反应其中，并充分搅拌混合，进行混合发酵，反应过程中，该增强剂利用其多孔的结构，将反应其中游离态的重金属离子吸附和捕获，从而改变其赋存形态，降低重金属的生物有效性，进而实现污泥的重金属稳定化过程，并为沼渣后续资源化土地利用提供奠定良好的基础，该重金属稳定化增强剂的添加对污泥产气率和稳定化过程没有明显影响。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于制作SBC的原料城市污泥有机质含量不能低于60%;原料污泥为必须为城市污泥，其重金属以及其他各项污染物浓度均低于污泥农用标准(GB4284-1984)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用化学方法对SBC进行改性，所述化学方法为玻璃纤维浸润。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于MSBC的颗粒需要进行进一步研磨，并过100目筛，使得MSBC的粒径小于0.15mm;MSBC添加的量控制在2%-5%(干重比)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于MSBC的添加时间为污泥厌氧消化过程中的产酸开始阶段。
说明书
一种增强厌氧消化污泥重金属稳定化过程的方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种采用改性污泥生物炭强化城市污泥厌氧消化过程中重金属稳定化过程的方法。
背景技术
随着人口及城市化的增长及发展，城市污水厂的数量不断增加，规模不断扩大，污水处理的副产物—剩余污泥产量日益增加，据统计中国城市剩余污泥产量达2.2×107 t，并以每年大约10%的速率增长。目前我国约有80%]的污泥未经稳定化处理，这导致了污泥中的恶臭物质、病原体、持久性有机污染物等进一步扩散，造成严重的环境污染。目前，主要的污泥稳定化处理方式有好氧堆肥、厌氧消化、干化焚烧等，其中，厌氧消化+土地利用是解决污泥稳定化处理与安全处置的重要技术路线，具有广泛的应用前景。然而，污水处理过程中重金属极易富集在污泥中，会影响到污泥的土地利用，这使得重金属成为了限制污泥出路的重要问题。
越来越多的研究者认识到，重金属对环境的危害不仅决定于总量，更大程度上取决于其形态分布和生态有效性。厌氧消化过程中重金属的形态发生了显著变化，由不稳定态向比较稳定的残渣态和有机结合态转变。厌氧消化可以有效地降低污泥中重金属的潜在迁移能力和生物有效性，经厌氧消化后污泥可以更好地进行土地利用。但是，目前的厌氧消化技术对污泥中重金属稳定化促进作用非常有限。为了进一步降低厌氧消化后污泥后重金属的生物有效性和毒性，还需要采取进一步的强化措施。
生物炭(Biochar)是生物质在缺氧或绝氧环境中，经高温热解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。但是，污泥厌氧消化体系复杂，特别是产酸阶段，反应体系pH较低，而一般的生物质炭抗酸冲击能力较弱，稳定性较差，容易削弱其吸附性能。基于生物炭本身的特性，并结合目前污泥厌氧消化反应条件和重金属稳定化过程特征，本发明以市政污泥为原料，在缺氧条件下，经过高温热解制成污泥生物炭，并经过适当化学改性，将其添加到污泥厌氧消化反应器，并通过搅拌，加速最终制成污泥厌氧消化过程中重金属稳定化增强剂，改性后的污泥生物炭对反应器中重金属的吸附、捕获作用，加速并增强污泥的重金属稳定化过程，从而有效降低其生物有效性和土地利用风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强厌氧消化污泥重金属稳定化过程的方法。
本发明提出的增强城市污泥在厌氧消化过程中重金属稳定化过程的方法，具体步骤如下：
(1)以城市污泥本身作为原料，在缺氧条件下，600℃~650℃高温下热解制成的污泥生物炭(SBC)，控制热解时间为3.5-4.5小时;同时，为了增强SBC的抗酸冲击和对重金属捕获能力，通过化学方法处理得到改性污泥生物炭(MSBC)，并自然风干、研磨，过100筛，形成厌氧消化污泥重金属稳定化增强剂;
(2)在城市剩余污泥厌氧硝化产酸阶段(反应器中pH下降至6左右)，将步骤(1)得到的增强剂添加到反应器中，并充分搅拌混合，进行混合发酵，反应过程中，该增强剂利用其多孔的结构，将反应其中游离态的重金属离子吸附和捕获，从而改变其赋存形态，降低重金属的生物有效性，进而实现污泥的重金属稳定化过程，并为沼渣后续资源化土地利用提供奠定良好的基础。该重金属稳定化增强剂的添加对污泥产气率和稳定化过程没有明显影响。
本发明中，所采用的厌氧消化污泥重金属稳定化增强剂以城市污泥为原料，并采用专用的反应炉(如石英真空管专用炉具)，在缺氧条件下，通过的高温热解而制成的污泥生物炭(SBC)，该污泥生物炭颗粒结构稳定，空隙大，且分布均匀。
本发明中，制作SBC的原料污泥有机质含量不能低于60%;另外，为了降低添加SBC可能带来的二次污染，原料污泥为必须为市政污泥，其重金属以及其他各项污染物浓度均低于污泥农用标准(GB4284-1984)。
本发明中， 在制作SBC过程中，原料污泥必须在600℃~650℃高温下裂解，且热解时间控制在4小时左右，较一般的生物炭制作需要更高的热解温度和时间，主要是考虑到污泥厌氧消化反应器条件(需要搅拌，产酸阶段pH降低)，通过以上条件制得的SBC结构稳定性，增加多孔性，而且耐酸冲击，各种污染物浸出量较少，本身的毒性，避免造成二次污染。
本发明中，通过多次实验比较，采用化学方法对SBC进行改性，所述化学方法为玻璃纤维浸润，以进一步提高污泥生物炭(SBC)结构稳定性，特别是明显增强了SBC对污泥厌氧消化反应器中过酸环境的缓冲性能，而对改性后的污泥生物炭(MSBC)其他性能并没有产生不利影响。
本发明中，MSBC的颗粒需要进行进一步研磨，并过100目筛，使得MSBC的粒径小于0.15mm;MSBC添加的量控制在2%-5%(干重比)，对于重金属含量比较高的厌氧消化污泥，其MSBC添加量可适当增加，但是不能超过5%，否则可能会对反应器产生不利影响;
本发明中，经过多次批实验结果表明，MSBC的添加时间为污泥厌氧消化过程中的产酸开始阶段(pH=6左右)，该阶段由于反应器中pH处于最低，污泥中游离态重金属含量较高，容易被MSBC吸附和捕获，从而增强其对厌氧消化污泥中重金属的稳定化效果。
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
1、本发明所采用的增强污泥厌氧消化过程中重金属稳定化的增强剂本身就来自城市污水处理厂剩余污泥，就地取材，来源广泛，以废治废，并可实现污泥资源化土地安全利用;
2、由于该增强剂以市政污水处理厂剩余污泥为原料，其有毒有害物质较少，加上经过缺氧高温炭化，仅存的少量重金属基本被固化。浸出实验表明，其浸提液重金属均未检出，高温热解过程中产生的多环芳烃类化合物在浸提液中含量也低于检测水平。
3、同时，由于添加了该增强剂之后，将反应器中毒性较强的游离态重金属离子捕获和稳定化，大大降低了重金属的生物有效性，从而促进了反应器中微生物活性和产甲烷菌群结构的构建，进而大大提高了污泥产气效率，并明显缩短了污泥厌氧消化周期。
4、本发明所采取的污泥厌氧消化反应器中重金属稳定化增强方法，最终降低了沼渣中生物有效态重金属(以酸可交换态和可还原态计)含量和比例，而生物难以利用的有机态和残渣态比例明显增加，这对大大降低厌氧消化后污泥土地利用的生态风险具有重要意义。
5、经过本发明所采用的污泥重金属稳定化增强方法后，所产生的沼渣含水率也明显降低，而且由于本身组成发生了改变(颗粒态比例增加)，便于后续进行下一步的深度脱水处理。
6、另外，当稳定化污泥施入土壤以后，所添加的改性生物炭对土壤理化性质和生物活性也具有很好的改善作用，明显促进植物的生长和微生物活性，并有效提升土壤碳库作用。
