剩余污泥制備生物炭實(shí)驗(yàn)研究

吳 姮,張 鵬,楊 晨,王志琛,胡琬鈺

（華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,鄭州 450046）

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)污水處理廠普遍存在“重水輕泥”的現(xiàn)象，污泥處置問(wèn)題十分嚴(yán)峻。根據(jù)資料顯示，到2015年，污泥產(chǎn)值將達(dá)到4400萬(wàn)噸/年之多[1]。生物炭是一中具有很高的吸附效果的焦化有機(jī)物。國(guó)際生物炭組織（IBI）將其定義為：生物碳化后的固體材料[2]。研究表明，生物炭是穩(wěn)定的炭載體，其在土壤中的作用可以保持千百年之久。將生物炭施入土壤中，不僅可以增強(qiáng)土壤肥力，還可以提高土壤的養(yǎng)分吸收保持能力和持水能力。

本次實(shí)驗(yàn)采用剩余污泥+農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行生物炭制備，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，對(duì)探究出剩余污泥有效處置的新方法具有相當(dāng)重要的意義。

1 材料與方法實(shí)驗(yàn)過(guò)程及檢測(cè)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的污泥全部取自鄭州市陳三橋污水處理廠污脫車間，該廠主要采用改良A2O污水處理工藝，污泥含水率為79.65%。將污泥取回后分為五份，分別以90%、80%、60%、50%的質(zhì)量比與三種植物秸稈進(jìn)行充分混合，并留出一份作為空白樣品。所用植物秸稈均為河南省本地生長(zhǎng)，將收集到的玉米稈、麥秸稈、蘆葦桿干燥后用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，并過(guò)篩備用。

1.2 生物炭制備

實(shí)驗(yàn)所制生物炭是由污水處理廠的剩余污泥配合植物秸稈在高溫下熱解而成，整個(gè)制備過(guò)程在氮?dú)獗Ｗo(hù)的環(huán)境下進(jìn)行，以避免在制備過(guò)程中產(chǎn)生誤差。

首先稱取50g濕污泥于干燥皿中，擬設(shè)定每份混合樣品的干重為75g，將稱量好的污泥和秸稈混合均勻，自然風(fēng)干后將原樣用烘箱在105℃至恒重后密封保存待用。將樣品放入馬弗爐，通入N2作為保護(hù)氣，并以15℃/min的速度將爐內(nèi)溫度升至700℃后保溫1h進(jìn)行炭化。隨后，將炭化產(chǎn)物取出冷卻至室溫，稱重并真空保存?zhèn)溆?。本次試?yàn)以KOH粉末為活化劑，將KOH粉狀與待活化樣品混合均勻后，置于馬弗爐中，設(shè)定800℃條件下保溫1h進(jìn)行活化后去取出。將制得的樣品放入試管中加入15.4%鹽酸溶液充分混合攪拌、過(guò)濾、洗凈后檢測(cè)上清液進(jìn)行Cl-濃度，若仍有Cl-則繼續(xù)清洗，直至檢測(cè)不出Cl-。

1.3 檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)采用重量法對(duì)生物炭中所含灰分進(jìn)行檢測(cè)分析。測(cè)定時(shí)，先將灰皿放入馬弗爐中，在800℃（±25℃）的情況下灼燒1h后取出立即放入干燥箱中，待其冷卻至室溫，稱取1g，反復(fù)灼燒直至其恒重。 接著將粉碎的試樣過(guò)1.00篩，稱取1g，放入灼燒過(guò)的灰皿中，于馬弗爐中（800±25℃）灼燒約2h，取出后將灰皿置于干燥器中，冷卻至室溫，迅速稱量。以后每灼燒30min。稱量一次，直至質(zhì)量變化不超過(guò)0.001g為止。（每次稱量精確到0.0002g）

灰分質(zhì)量按下式計(jì)算：

式中: A為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ；m2為試樣的灼燒后加灰皿的質(zhì)量，g ；m為灰皿質(zhì)量，g ；m1為除去水分的試樣加灰皿的質(zhì)量，g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)果表明，在麥秸稈、玉米桿、蘆葦桿幾種輔料中麥秸稈污泥基生物炭的產(chǎn)率最高達(dá)29.11%，蘆葦桿污泥基生物炭的產(chǎn)率相較于麥秸稈較低，玉米桿污泥基生物炭的產(chǎn)率最低為16.54%。此外在同一種輔料不同配比的植物污泥基生物炭中，配比越高生物炭產(chǎn)率越低。在污泥炭化到活化過(guò)程中，重量流失集中在炭化過(guò)程，失重約50%～60%。而麥秸稈污泥基生物炭的灰分含量最高，玉米污泥基生物炭的灰分含量最低，這可能是玉米污泥基生物炭產(chǎn)率低的原因。

3 結(jié)論

（1）活化：在以KOH為活化劑的化學(xué)活化法中，以KOH粉末活化的效果要好于以KOH溶液為活化劑的效果，且提高活化劑的濃度可以增強(qiáng)活化的效果。

（2）產(chǎn)率：玉米桿、麥秸稈、蘆葦桿三種輔料中，以麥秸稈為輔料的樣品產(chǎn)率最高，達(dá)29%，玉米桿為輔料的樣品產(chǎn)率最低，為16.5%；隨著配料比的增加產(chǎn)率會(huì)逐漸下降。

（3）灰分含量：以玉米為配料的樣品灰分含量最低，以麥秸稈為配料的樣品灰分含量最高。

[1]Fytili D,Zabaniotou A.Utilization of sewage sludge in EUapplication of old and new methods-a review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(01):116-140

[2]Mitsumata N.Recycling of biosolids to agricultural land:environmental policy in the UK[J].Material Cycles & Waste Management Research,2009,(20):22-28

[3]蔡文金.城市污泥處理利用的探索[J].環(huán)境工程,1991(04):22-23.

[4]邢偉,張明杰,閻子峰.超級(jí)活性炭的合成及活化反應(yīng)機(jī)理[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2002(04):340-345.