一种用于去除重金属的污泥颗粒及其制备方法与应用与流程

本发明涉及水处理
技术领域：
，具体涉及一种用于去除重金属的污泥颗粒及其制备方法与应用。
背景技术：
：重金属是一种具有潜在危害的重要污染物。通过各种途径进入环境的重金属不可降解，可在生态系统中迁移循环，最终进入生物链顶端，对人类产生严重危害。吸附法因操作简单、运行成本低、去除效果好逐渐成为重金属去除的一种常用方法。其中，价廉易得、绿色环保、吸附效果好的吸附剂对实现重金属的吸附去除至关重要。给水厂污泥具有较高的比表面积，可对水中的重金属吸附去除。但是，给水厂污泥粉末易于板结，作为吸附剂在工程中应用时易导致水处理设施渗透速率下降，加快设施堵塞而降低设施使用寿命，难以实现重金属的长久去除及污泥的资源化利用。此外，给水厂混凝沉淀时常采用聚合氯化铝作为混凝剂，产生的污泥中多含有铝元素，致使其在使用过程中存在铝离子释放问题，对环境存在潜在危害。因此，实现给水厂污泥稳定颗粒化控制铝释放、克服其工程应用缺陷，不仅对有效控制水中重金属污染具有重要意义，还可为给水厂污泥资源化利用提供新思路。技术实现要素：本发明提供一种用于修复水体重金属污染的给水厂污泥颗粒吸附剂及其制备方法。本发明以给水厂污泥和粘土为原料，制备了一种新型污泥颗粒，可以有效去除水体重金属，铝离子释放量低，强度高，不易被冲散，具有节能经济高效的优点。本发明提供如下技术方案：一种污泥颗粒吸附剂，其由给水厂污泥与粘土烧结而制成。进一步地，烧结前先将给水厂污泥与粘土加水混匀后制成球形颗粒，干燥。本发明研究发现，给水厂污泥与粘土的干重比在(1:1)-(1:4)范围内，可以使所制得的污泥颗粒吸附剂在铝释放量、散失率及对重金属的去除率三方面取得较好的平衡；其中给水厂污泥与粘土的干重比优选为(1:1)-(1:2)，更优选为1:2。其中烧结温度为200℃-1000℃，优选为600℃。烧结时间为60-90min，优选为60min。具体地，给水厂污泥与粘土的干重比可为1:1、1:2、1:3或1:4，优选为1:2。进一步地，本发明还对烧结温度进行了优化。研究发现，先将干燥的由给水厂污泥与粘土制成球形颗粒在100-105℃范围内干燥120min或干燥至含水量低于2-5％，然后再在200℃-1000℃烧结60-90min，冷却后即可制得所述污泥颗粒吸附剂。较佳地实施方式是在600℃烧结60min。上述烧结方法的优点是：所制得的污泥颗粒吸附剂表面粗糙、孔隙发达，且bet测试结果显示污泥颗粒的比表面积可达24.5261m2/g，孔径可达0.08cm3/g，铝释放量小、散失率低、对重金属的去除率能够满足需要，并且相对于传统方法烧结温度更低，有利于节能环保。进一步地，所制成的球形颗粒粒径范围为2-3mm；其优点在于该颗粒有一定强度，可承受一定的水力冲刷，解决了给水厂污泥易板结、易流失的问题。进一步地，所制成的污泥颗粒给水厂污泥与粘土的干重比优选为1:2，其优点在于可控制铝离子释放，减少水体铝污染。进一步地，本发明所述给水厂污泥是指给水厂混凝沉淀过程投加的混凝剂从而产生的大量污泥，是一种无定形的非晶体结构，同时具有高度发达孔隙和较大的比表面积。这些特点使其具有较大的扩散速率，有利于吸附反应的进行。进一步地，本发明所述粘土是指从河网地区获取的普通粘土，土质松散、粘度较大。本发明还提供上述污泥颗粒吸附剂的制备方法，包括按配比将给水厂污泥与粘土加水混匀后制成球形颗粒，干燥，烧结，冷却。具体地，上述制备方法包括：按配比将给水厂污泥与粘土加水混匀后制成粒径为2-3mm左右的球形颗粒，在100-105℃范围内干燥120min，然后在600℃烧结60min，冷却后即可制得所述污泥颗粒吸附剂。本发明还包括上述方法制备的污泥颗粒吸附剂。本发明还包括所述污泥颗粒吸附剂在水体中重金属吸附处理方面的应用。该颗粒吸附剂尤其对于铜、锌、铅和镉等重金属离子吸附效果更佳，在298k时其最大吸附量分别为2.89mg/g、1.24mg/g、1.80mg/g和1.53mg/g。有益效果：本发明以给水厂污泥和粘土为原料制备成新型吸附剂，既解决了给水厂污泥粉末在工程应用中易板结、铝易溶出的问题，又能有效控制重金属，为给水厂污泥资源化利用提供新思路。本发明污泥颗粒吸附剂铝释放量低，散失率低，对重金属的吸附去除率可高达80％以上。附图说明图1为给水厂污泥颗粒吸附剂制备流程图。图2为实施例1制备的给水厂污泥颗粒吸附剂的扫描电镜图。图3为实施例1制备的给水厂污泥颗粒吸附剂的能谱图。图4表示实施例1制备的给水厂污泥颗粒随着时间对不同重金属离子的去除率。具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。以下所用水厂污泥来自给水厂污泥。将采集到的用水厂污泥脱水干燥，研磨过筛得到污泥粉末。以下所用粘土来自从我国河网地区获取的普通粘土。将采集到的粘土干燥，研磨过筛，去除植物或石头等杂质，得到粘土粉末。以下污泥颗粒吸附剂的制备流程如图1所示。以下所用烘箱dhg-9070a，上海精宏实验设备有限公司。以下所用马弗炉sx2-4-10，天津市中环实验电炉有限公司。实施例1称取120g给水厂污泥粉末、240g粘土，加适量水混合，机械搅拌均匀，制成粒径为2mm左右的球形颗粒，置于在105℃下干燥2h，使其含水量低于2％。置于马弗炉中600℃中煅烧60min，冷却后制得给水厂污泥颗粒吸附剂。采用扫描电镜观察本实施例制备的给水厂污泥颗粒吸附剂的内部形貌像，结果如图2所示。可以看出给水厂污泥颗粒吸附剂表面粗糙、孔隙发达；能谱图(图3)中显示该给水厂污泥颗粒吸附剂主要由o、si、al、fe组成，说明该颗粒有较强的吸附能力。本实施例制备的给水厂污泥颗粒吸附剂可用于水体中重金属的去除。实施例2给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为2:1。实施例3给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为3:1。实施例4给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为4:1。实施例5给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为1:1。实施例6给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为1:3。实施例7给水厂污泥颗粒吸附剂，与实施例1的区别仅在于给水厂污泥粉末与粘土的干重比为1:4。实验例1称取不同配比的给水厂污泥粉末与粘土(二者质量比分别为4:1，3:1，2:1，1:1，1:2，1:3和1:4)，加适量水混合，机械搅拌均匀，制成粒径为2mm左右的球形颗粒，置于在105℃下干燥2h，分别置于不同温度的(200℃，400℃，600℃，800℃和1000℃)马弗炉中煅烧60min，冷却后制得污泥颗粒吸附剂。为获得污泥颗粒的最佳制备条件，本实验以除cu2+效果，散失率以及铝释放量作为考察对象，考察制备过程中的最佳泥土比和最佳烧结温度对其影响。实验结果如表1所示。1)散失率分别称取制得的不同配比在不同烧结温度下得到的污泥颗粒吸附剂各1g置于装有40ml的超纯水的离心管内，于温度298k，转速为105r/min时在摇床上振荡24h后，取出离心管内的大块球形颗粒。将颗粒烘干，衡重后记录其质量n2，与振荡前进行比较，采用下式计算散失率。散失率式中，n1为振荡前给水厂污泥颗粒吸附剂的质量；n2为振荡后给水厂污泥颗粒吸附剂的质量。2)铝释放量将1)中振荡后所得水样使用0.45微米滤膜过滤后，利用等离子发射光谱仪测定水样中铝元素含量，获得给水厂污泥颗粒吸附剂的铝释放量。3)对cu2+去除效果分别称取制得的不同配比在不同烧结温度下得到的污泥颗粒吸附剂各1g置于装有40ml、浓度为10mg/l的cu2+溶液的离心管内，于温度298k，转速为105r/min时在摇床上振荡24h后，吸取上清液过膜后利用原子吸收分光光度计测量水样中剩余铜离子浓度，并计算铜离子去除率。表1给水厂污泥颗粒制备最佳条件实验(注：泥土比是指给水厂污泥粉末与粘土的质量比。)从表1可看出，同一温度下，随着颗粒中粘土含量的增加，颗粒散失率明显降低，当污泥与粘土质量比为1:2、1:3和1:4时散失率较小，为10％以下，此时成颗粒态较为稳定；随着给水厂污泥颗粒中的污泥量减少，对cu2+的去除率降低，但2:1、1:1和1:2相差很小，去除率基本一致；铝释放量随污泥含量的减少而降低，在1:2、1:3和1:4配比下量均很小且相差不大，综合考虑到在1:1散失率略大硬度小于1:2的颗粒，且二者去除率相差不大，故最终采用m(给水厂污泥):m(粘土)＝1:2的比例制备。同一配比下，不同烧结温度对于颗粒很大影响，随着烧结温度升高时，散失率明显降低，硬度明显变强，但当烧结温度到达600℃时，继续升高温度时散失率变化不明显，考虑温度越高，耗能越大的因素，采用在600℃条件下进行煅烧。实验例2称取120g给水厂污泥粉末、240g粘土，加适量水混合，机械搅拌均匀，制成粒径为2mm左右的球形颗粒，置于在105℃下干燥2h，使其含水量低于2％。分别置于马弗炉中于600℃煅烧30、45、60、75、90min，冷却后制得给水厂污泥颗粒吸附剂。因煅烧时间只对其硬度产生影响，故以散失率作为考察对象，在最优配比下制备颗粒并置于600℃煅烧不同时间，从而确定最优煅烧时间，结果如表2所示。称取制备得到的不同烧结时间的污泥颗粒吸附剂各1g置于装有40ml的超纯水的离心管内，于温度298k，转速为105r/min时在摇床上振荡24h后，取出离心管内的大块球形颗粒。将颗粒烘干，衡重后记录其质量n2，与振荡前进行比较，采用下式计算散失率。散失率式中，n1为振荡前给水厂污泥颗粒吸附剂的质量；n2为振荡后给水厂污泥颗粒吸附剂的质量。表2不同烧结时间对颗粒散失率的影响烧结时间(min)3045607590散失率(％)46.324.286.75从表2数据可看出，当烧结时间过短时，污泥颗粒散失率较高，延长烧结时间可明显降低其散失率，但时间过长，污泥颗粒散失率变化不大，考虑节能因素，采用在600℃下烧结60min。实验例3分别配制10mg/l的重金属溶液(铜、锌、铅和镉)，称取1g实施例1制备的给水厂污泥颗粒置于装有40ml重金属溶液的离心管内，放置在温度为298k，转速为105r/min的摇床上振荡并定时取样(取样时间为t＝0、5、10、20、30、60、90、180、300、480、720和1440min)，利用0.45μm滤膜过滤后采用原子吸收分光光度计(z-2010，日本)对水样中的剩余重金属浓度进行测定。结果见图4。由图4可以看出，在0min-200min期间，给水厂污泥颗粒对四种重金属离子的去除率迅速升高，基本可去除80％以上的重金属离子，随着时间的增加，去除率增长速度减缓，但仍在持续吸附，直至在600min左右时达到吸附平衡，给水厂污泥颗粒对四种重金属离子去除率可达90％以上。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12