污泥基生物炭的水熱法制備及吸附性能研究

鄭海亮，張英，賀利飛，解寅瓏

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西神木 719300）

當(dāng)前，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進度的加快，也使得我國生活污水的產(chǎn)量越來越大。目前對污泥的處理任務(wù)也日需加重。根據(jù)統(tǒng)計，每處理1 萬t 的生活污水可產(chǎn)生5～8 萬t 含水率80%的污泥。由于水中的污泥含量過大，并且含水高，已經(jīng)影響了當(dāng)前污水處理廠進行運行的關(guān)鍵。因此為了更好地進行污泥的處理，需要針對污泥中富含的有機物，重金屬等進行降解。通過水熱法進行處理，使將污水中的污泥進行降解是目前降解手段。

1 生物炭介紹

生物炭是通過在沒有空氣的情況下進行熱降解而產(chǎn)生的有機化合物。生物炭目前來說用于對環(huán)境污染方面的污染物吸附有很好的作用，在對于改善土壤肥力以及其他生態(tài)服務(wù)中，可以減輕氣候的變化，幫助生物群進行新陳代謝。而通過熱解的方法，可以將生物質(zhì)在低氧的條件下進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為多孔性的富碳材料，使其可以長期的在環(huán)境中保存。而生物炭通過低溫?zé)峤饪梢詫ξ勰嘀械挠袡C元素重金屬等進行降解，經(jīng)過化學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)的一系列改變可以對污泥中的污染物質(zhì)進行吸附，借助生物炭的高比表面積以及豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，除去水中污泥中的有機質(zhì)，重金屬等。

2 目前污泥的技術(shù)處理

針對目前我國的情況來說，焚燒法需要進行脫水提高預(yù)熱，因此在成本方面消耗巨大。對于衛(wèi)生填埋來說需要較大的用地面積，而許多城市已經(jīng)不具備相關(guān)條件。由于目前來說我國已經(jīng)禁用剩余污泥作農(nóng)田肥料，堆肥法也受到了大量的限制。

對于污水處理的過程，污泥是其留下來的副產(chǎn)物，隨著我國的工業(yè)化全球化的不斷發(fā)展，導(dǎo)致污水的產(chǎn)量也大大增加，隨之而來的是對于剩余污泥的處理問題來說非常艱巨。根據(jù)當(dāng)前的對污泥處置的二次污染問題中，需要針對污泥的處理進行穩(wěn)定化，減量化，無害化的方向發(fā)展，并且隨著我國的要求不斷增加，對于污泥的處置率要達到90%以上[1]。同時污泥擁有更多的病原體、有機質(zhì)、微生物、重金屬等。如果不經(jīng)過處理，直接進行排放堆放，會導(dǎo)致對環(huán)境、土壤、水源等造成嚴(yán)重的污染。除此之外，污泥中含有的重金屬物質(zhì)會在食物鏈中對食物安全造成威脅，更嚴(yán)重的會影響生態(tài)平衡。因此，傳統(tǒng)的方式上對污泥進行堆肥，填埋焚燒等，一定程度上可以實現(xiàn)資源的再次利用，但其中也有很多的限制。例如：在堆肥和填埋的過程中，如果污水中含有有毒物質(zhì)，會使毒素擴散在微生物的環(huán)境中傳播，造成污染。焚燒會產(chǎn)生溫室氣體等使之對資源的控制管理降低。

表1 制備試驗參數(shù)對比

3 水熱法制備優(yōu)勢

由于對生活中產(chǎn)生的廢水來說里面的含量復(fù)雜，同時其中的污泥中含有的有機物成分較高，因此需要實現(xiàn)資源的再次利用，使資源合理化應(yīng)用。通過對污泥進行資源化利用，與此利用水熱法可以進行制備生物炭。近年來，生物炭由于其突出的特點，吸附量大以及價格低等優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸應(yīng)用在當(dāng)前的水體凈化，空氣凈化等領(lǐng)域。通過對污泥制生物炭的方法進行分析，水熱法在實際的操作中可以不受物料的含水量大小的影響，因此不需要對污泥進行事先的干燥。除此之外，對于微波法和熱烈解法都需要進行對含水率的考慮，因此水熱法可以有效地節(jié)約成本。同時，該方法生產(chǎn)的生物炭擁有更高的產(chǎn)率，在對其進行官能團的保留時，可大大地提高整體的吸附性能[2～4]。

4 制備方法

對于污泥基生物炭的制備來說，首先需要對污水中的污泥進行烘干，研磨的預(yù)處理，并且用100 目篩二次處理，在200mL 的水熱反應(yīng)釜中進行預(yù)處理后將剩余的污泥30g 和去離子水，150mL 密閉放入加熱爐中進行加熱，隨后將溫度升高維持在250℃，恒溫保持7h 冷卻結(jié)束后恢復(fù)至室溫抽取真空，在90℃的烘箱中烘干研磨至100 目，得到污泥基生物炭。

4.1 改變投入量

通過控制變量法，針對不同的實驗環(huán)境對吸附性能進行探討，本文采用對剛果紅進行吸附效果地進行分析。圖1 不同的投入量產(chǎn)生的吸附效果。

圖1 加入量對吸附效果的影響

根據(jù)圖1 顯示：通過對生物炭的投入量，不同情況下可以在圖中發(fā)現(xiàn)，在60min 時，生物炭的吸附性能趨于平緩，并且隨著吸附量的增加，對剛果紅的吸附去除效果更快，而隨后再吸附量為0.5h時，30min 后剛果紅的去除率可達到96.05%。

不同的加入量對pH 的影響見圖2。

根據(jù)圖2 表示：對于pH 來說，隨著去除率的變化，總體來看，投加生物炭對pH 的影響為先微小地降低，隨后隨著時間趨于平緩，接近溶液為中性。

圖2 加入量對pH 的影響

4.2 pH 的不同對污泥基生物炭的吸附影響

對于不同pH 條件下污泥基生物態(tài)吸附性能來說，隨著pH 的變化，關(guān)系著溶液中對于吸附溶質(zhì)的電荷狀態(tài)的變化[5-6]。因此隨著吸附溶質(zhì)的變化，整體的吸附過程也會受到影響。通過當(dāng)pH 為3，7.89 和9 時，探討其對剛果紅廢水的吸附效果，對污泥基生物炭進行分析。

根據(jù)圖3 顯示：隨著pH 的增大，對剛果紅的去除率也增大。而在pH 為3 時，從圖3 可以看到，10min 的時間，對剛果紅的去除率達到了100%。這也是由于在pH 為3 時屬于酸性條件，酸性條件下的剛果紅的主要存在形式是以陽粒子的形式，以此促進了污泥基生物炭的整體吸附效果顯著增高。

圖3

5 結(jié)語

通過水熱法制備污泥，生物炭可以有效地幫助污水中污泥的處理。同時，采取水熱法對剛果紅染料也具有極好的去除效果。通過對材料表面的孔洞可以證明生物炭的吸附性能，有效地分離污泥中的有機物質(zhì)，進行吸附材料的回收利用，提高吸附效果。