本发明涉及污水污泥处理再利用领域，更具体的说，涉及一种污泥炭基材料的制备方法和污泥炭基材料。
背景技术
随着我国城镇化水平不断提高，污水处理设施建设高速发展。在城市污水处理过程中，污水经过一系列处理得以达标排放，而大量污染物被富集、浓缩而转移至污泥中。污泥是污水生物处理的最重要的副产物，也被认为是导致水环境二次污染的主要来源之一。城镇污水处理厂污泥不仅含水量高，易腐烂，有强烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、汞等重金属、多环芳烃和放射性核素等难以降解的有毒有害及致癌物质，对生态环境和人类的健康存在长期潜在的威胁，因此污泥安全处置的压力巨大。污泥未经处理随意堆放，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类身体健康。
传统的处理方法有：填埋、填海，污泥堆肥及农用，污泥焚烧，海洋倾倒。这些处理方式往往存在着占用大量的土地、污染空气和地下水的弊端，随着人们环保意识的增强和环保标准的提高，传统的污泥处理方式已经不能够满足城市绿色发展的要求，剩余污泥的资源化利用是解决污泥囤积的必然选择。虽然目前有一些环境友好型的化学处理污泥方式，但其大部分处理后的污泥不能再利用。故如何对此类污泥进行循环再利用，是对于目前的污泥处理方法提出的新挑战。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提出一种污泥炭基材料的制备方法和污泥炭基材料，将污泥通过一系列的物理化学过程制备成污泥炭基材料，可以完成对污泥的循环再利用，制备出比传统活性炭基材料吸附性强且具有fenton催化功能的污泥炭基材料。
本发明提出一种污泥炭基材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将污泥与重金属废水混合，搅拌一段时间，形成污泥混合液；
2)将所述污泥混合液过滤处理，使得泥水分离，得到脱水后的污泥；
3)将所述脱水后的污泥进行干化处理，得到干化污泥；
4)将所述干化污泥进行高温碳化处理，并将高温碳化后的产物研磨分筛，得到粉末状的污泥炭基材料。
可选的，所述步骤1)中，重金属废水中重金属盐含量为100～1200mg/l。
可选的，所述步骤1)中，所述的重金属废水中的重金属盐为的重金属盐为硝酸铜、硝酸镍、硫酸铜、硫酸镍或硝酸铜、硝酸镍、硫酸铜、硫酸镍中两种或两种以上的混合。
可选的，所述步骤3)中，所述的干化处理为将脱水后的污泥放入烘干装置内，并在105℃下加热烘干。
可选的，所述步骤4)中，所述的高温碳化处理为在惰性气体的保护下，将所述干化污泥进行焙烧。
可选的，所述焙烧时以5℃/min的升温速率升温至焙烧温度，所述焙烧温度控制在400℃～800℃，焙烧时间持续为1h。
可选的，所述步骤1)中的污泥为普通污泥、消化污泥或普通污泥和消化污泥组成的混合污泥。
本发明还提出一种污泥炭基材料，由上述任意的所述污泥炭基材料的制备方法生产得到。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明采用重金属催化法，利用市政污水处理厂污泥为碳源躯体，废水中的重金属离子为催化剂，通过过滤、干化、碳化等一些列的物理过程来合成污泥炭基材料(亦可简述为污泥炭)，工艺简单，具有工业应用化前景。本发明基于“变废为宝、资源化”的思想，不仅利用污泥去除废水中的重金属，而且吸附重金属的污泥可制备污泥炭基材料，所述污泥炭基材料具备吸附和fenton催化功能，可再次利用于水处理过程中，实现以废治废，循环利用，可形成污水-污泥-污泥炭基材料-污水-污泥-污泥炭基材料的循环利用过程。此外，本发明使用重金属盐作为催化剂，重金属盐可来源于重金属废水或直接选取重金属污泥，实现重金属再次利用，再次增加了实际中废物利用率。
附图说明
图1为本发明实例1中活性污泥、活性污泥吸附铜离子和活性污泥吸附镍离子的泥饼的透射电镜图；
图2为本发明实例2中污泥炭、铜离子催化的污泥炭和镍离子催化的污泥炭的透射电镜图；
图3为本发明实例2中污泥炭和铜离子催化的污泥炭比表面积变化情况；
图4为本发明实例2中污泥炭和镍离子催化的污泥炭比表面积变化情况；
图5为本发明实例2中污泥、铜离子催化的污泥炭和镍离子催化的污泥炭的红外光谱图。
图6为本发明实例3中分别利用铜离子催化的污泥炭和h2o2、镍离子催化的污泥炭和h2o2、铜离子催化的污泥炭和镍离子催化的污泥炭后废水中17β-雌二醇的降解曲线
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明采用重金属催化法，利用市政污水处理厂污泥为碳源躯体，硝酸铜和硝酸镍作为催化剂，通过过滤、干化、碳化等一些列的物理过程来合成污泥炭基材料。
本发明提出一种污泥炭基材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将污泥与重金属废水混合，其中，重金属废水中重金属盐含量为100～1200mg/l，搅拌一段时间，形成污泥混合液；
2)将所述污泥混合液过滤处理，使得污泥水溶液中的泥水分离，得到脱水后的污泥；
3)将脱水后的污泥进行干化处理：将脱水后的污泥放入烘干装置内，并在105℃下加热烘干，得到干化污泥；
4)将干化污泥进行高温碳化处理，并将高温碳化后的产物研磨分筛，形成粉末状的污泥炭基材料。
其中，步骤1)中重金属废水为实验室模拟含重金属盐的废水，其中重金属盐为硝酸铜、硝酸镍、硫酸铜、硫酸镍或其两种或者两种以上的混合物。本发明利用污泥中富含的磷酸基、羧基等功能基团与重金属离子发生螯合作用和污泥絮体、胞外聚合物等具有吸附去除废水中重金属的作用，去除废水中的重金属。将含重金属的污泥炭基材料通过高温碳化处理，重金属离子在污泥碳化过程中有助于污泥炭形成更多孔结构，以达到材料扩孔增容的目的。本发明中重金属盐可来源于重金属废水，实现重金属再次利用，再次增加了实际中废物利用率。
步骤4)中将所述的高温碳化处理将干化污泥放在管式炉内，并在惰性气体的保护下，将干化污泥进行焙烧。所述焙烧时温度以5℃/min的升温速率升温至焙烧温度，所述焙烧温度控制在400℃～800℃，焙烧时间持续为1h。
此外，在本发明中的污泥可以为污水处理厂的普通污泥、消化污泥或普通污泥和消化污泥组成的混合污泥。
研究显示，在炭基材料中的各种孔结构(微孔、介孔、大孔)当中，介孔在液相吸附过程中发挥了重要的作用，以介孔为主的多孔炭基材料往往比传统的微孔材料表现的具有更大的吸附性能。
本发明方法制备的污泥炭基材料污泥炭基材料孔径比传统的污泥活性炭基材料多，和传统的活性炭基材料相比具有丰富的介孔结构，有利于吸附过程中孔隙间的传质效应，吸附速率快，吸附量大的特点；也具有催化功能，催化过氧化氢产生·oh自由基，在处理废水时作用显著。且所述的污泥炭基材料具有高度发达的孔隙结构和极大的比表面积，经过不同工艺处理后后能够处理分子直径不一的污染物。故所述污泥炭基材料具有良好的吸附性能，可用于污水处置以及水中毒害物的去除，由于重金属具有催化热解功能，可形成类fenton体系产生羟基自由基，可用于去除水中的有机物。
此外，本发明中通过调节重金属废水中的重金属盐种类和浓度、碳化中的焙烧温度和碳化时间，可以实现对污泥炭基材料孔质结构的调控，进而影响其吸附性。
本发明的示意了三个实验过程，分别给出了本发明的具体实施过程，并在实验中测量的本发明污泥炭基材料的特性的检测，以下分别使用实例1、实例2和实例3进行阐述。但本发明不仅仅限于这三个实施例所包含的内容。
实例1：
实验室模拟制备含铜离子或镍离子重金属废水。在200rpm/min，时间180min条件下与污泥搅拌混合后进行过滤操作，利用电感耦合等离子体质谱测定反应前后污泥体系中中铜离子或镍离子的含量。结果显示，重金属废水与污泥混合后体系中铜离子或镍离子含量为800mg/l，反应结束后过滤液中铜离子和镍离子含量分别降低至6.660mg/l和4.326mg/l，去除效率分别为99.168％和99.495％，体系中加入的重金属离子铜离子和镍离子已被污泥有效吸附。如图1所示，活性污泥吸附铜离子或镍离子后的投射电镜图，污泥内有机质形貌发生变化。
实例2：
实验室模拟制备铜离子或镍离子重金属废水，废水与污泥混合搅拌一段时间后进行过滤操作，使得污泥水溶液中的泥水分离；将所述脱水后的污泥进行干化处理，得到干化污泥；将所述干化污泥进行高温碳化处理，并将高温碳化后的产物研磨分筛，得到粉末状的污泥炭基材料；具体操作和前述内容相同。铜离子和镍离子催化制备的污泥炭基材料投射电镜图形貌如图2所示，经过碳化的重金属活性污泥形成多孔的炭基金属功能材料。测定其比表面积如图3和图4，利用铜离子和镍离子催化制备的污泥炭基材料比表面积由原泥的23.331m2/g和24.925m2/g增大至82.789m2/g和73.520m2/g。利用重金属铜离子或镍离子催化污泥制备污泥炭基材料的红外光谱图如图5所示，制备的污泥炭基材料官能团消失或峰值减弱，重金属离子使污泥功能发生改变。利用重金属离子催化污泥制备污泥炭基材料有助于增大炭材料的孔径，增强炭基材料的吸附功能。
实例3：
实验室模拟配制17β-雌二醇含量为5.116mg/l废水，利用实例2中方法制备的污泥炭基材料进行有机物的去除实验。实验室模拟配制17β-雌二醇含量为5.116mg/l废水，如图6所示，反应180min后，采用铜(镍)离子制备的炭基材料吸附17β-雌二醇，173-雌二醇分别降低至2.471mg/l和2.355mg/l。利用铜离子催化的污泥炭与h2o2质量比为1/3时，雌性激素的降解到0.396mg/l；利用镍离子催化的污泥炭与h2o2质量比为1/9时雌性激素降解率达到1.006mg/l，炭基材料为100mg/l。铜(镍)离子催化制备的炭基材料和h2o2去除17β-雌二醇明显优于污泥炭基材料的单独使用，同时说明铜(镍)离子催化制备的污泥炭基材料能够催化h2o2去除废水中污染物。
污泥中含有较多的碳，经过碳化后可制成活性炭吸附剂，可作用有机废水的处理，同时污泥中富含磷酸基、羧基等功能性基团能够螯合重金属，形成更多孔结构，以达到材料扩孔增容的目的。故利用污泥制备活性炭有着巨大的潜力，泥质活性炭可以代替商品活性炭节省木材，煤炭等原料，降低成本，同时也能够解决污水处理厂日益突出的污泥污染的问题，实现固体废物的资源化、无害化、减量化处置原则。本发明采用重金属催化法，利用市政污或水处理厂污泥为碳源躯体，废水中的重金属为催化剂，通过过滤、干化、碳化等一些列的物理过程来合成污泥炭基材料，工艺简单，具有工业应用化前景。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。