一种电气石布料装置及采用该装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法

本发明具体涉及一种电气石布料装置及采用该装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法。

背景技术：

电气石具有热电性、压电性、吸附效应、透明的晶体纵向切面有偏光和多色性等特性。通过研究发现，向系统中投加电气石粉末能够提高反应器启动速度，能够促进反应器内微生物生长繁殖，增加生物量，易形成菌胶团，提高微生物对废水的降解效能。比较几种利用电气石增强水处理构筑物的方法，包括将电气石制成悬浮填料，固定化电气石等，向水处理构筑物直接投加电气石粉末的方法具有效果好、投放量少、操作简单、稳定性强等特点。但是会出现电气石随着排泥过程，流出反应器，导致运行成本升高等问题。

随着我国国民经济的高速发展，城市化和小城镇建设不断加快，大量的给水厂和污水厂建成并投入使用，随之而来的污泥量越来越多。污泥作为水处理的副产品，如果不及时处理将造成严重的二次污染。传统的填埋、焚烧、农用等方法措施，危害显著，例如：焚烧污泥会产生强烈致癌物二噁英，污泥农用会引入有害病菌的控制问题，卫生填埋会遇到渗滤液等问题。在应用上受到了限制，所以对污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化的研究和实践都变得尤为重要和迫切。如果不对水厂排放污泥进行处理，那么污染将由分散污染转向集中污染，仍然没有解决污泥的污染问题。因此，对污泥的处理问题也就变得十分紧迫。

技术实现要素：

本发明是要解决目前利用投加电气石粉末增强污水处理效果过程中，电气石粉末随剩余污泥一同排出反应器，造成运行成本高、投加过程繁琐、布料不均以及城市污水处理厂剩余污泥二次污染的问题，而提供一种电气石布料装置及采用该装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法。

本发明一种电气石布料装置由布料板、进料管和分隔板组成；所述布料板为一锥体顶盖，所述布料板的侧壁沿半径方向均布若干分隔板，用以将布料板的侧壁分隔成若干导流面，所述进料管设置在布料板中心位置上方且与分隔板的上端搭接，所述布料板侧壁的外沿加工有环形的漏孔。

本发明一种采用电气石布料装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法是按以下步骤进行：

一、在城市污水处理厂的进水端加装电气石布料装置，然后通过电气石布料装置向系统内投加电气石颗粒，经系统处理后收集含有电气石的剩余污泥；

二、将含有电气石的剩余污泥资源化制造生物填料，得到改性电气石生物炭；

三、将改性电气石生物炭应用于水处理。

本发明的有益效果是：

本发明采用电气石布料装置能够均匀的将电气石投入到系统中，保证了剩余污泥中电气石含量的均一性；将市政污泥与矿山废物电气石进行共热解制备生物炭，充分利用市政污泥生物炭的孔隙结构和其中的营养元素，以及电气石优异的比表面性能及热点性、压电性，实现市政污泥和矿山废物的减量化、无害化处理和资源化利用，实现水环境的高效改善。

附图说明

图1为电气石布料装置的结构示意图；

图2为进料管与分隔板上端搭接示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合，结合图1和图2说明以下具体实施方式。

具体实施方式一：本实施方式一种电气石布料装置由布料板1、进料管2和分隔板3组成；所述布料板1为一锥体顶盖，所述布料板1的侧壁沿半径方向均布若干分隔板3，用以将布料板1的侧壁分隔成若干导流面，所述进料管2设置在布料板1中心位置上方且与分隔板3的上端搭接，所述布料板1侧壁的外沿加工有环形的漏孔4。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述导流面内沿半径方向加工有二级隔板5。其他与具体实施方式一相同。

本实施方式用于沿布料板侧面下滑的物料的导向、分流和分隔。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述分隔板3的高度大于进料管2的直径。其他与具体实施方式一或二相同。

本实施方式可以保证电气石进料不会从分隔板翻过。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述布料板1的倾斜角为20°。其他与具体实施方式一至三之一相同。

本实施方式可以保证物料下滑的速度。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述布料板1侧壁的外沿向上加工有围挡。其他与具体实施方式一至四之一相同。

本实施方式可以避免物料较多时从外沿直接滑出，保证物料流入污水中的均匀性。

具体实施方式六：本实施方式一种采用电气石布料装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法是按以下步骤进行：

一、在城市污水处理厂的进水端加装电气石布料装置，然后通过电气石布料装置向系统内投加电气石颗粒，经系统处理后收集含有电气石的剩余污泥；

二、将含有电气石的剩余污泥资源化制造生物填料，得到改性电气石生物炭；

三、将改性电气石生物炭应用于水处理。

本实施方式采用电气石布料装置可以保证投加过程电气石颗粒的均匀性。

本实施方式电气石颗粒还可以采用原水配置成电气石颗粒的水溶液，通过管道混合器与进水混合的方式进行投加，也可以在系统的各部分均匀投加，投加方式包括人工投加和机械投加，不需要使用电气石布料装置。

本实施方式能够高效可控调节电气石及剩余污泥在污水厂内的绿色循环。

本实施方式步骤二中含有电气石的剩余污泥首先将其置于80-120℃条件下烘干至恒重，研磨后过60～100目的筛。

本实施方式步骤三中将改性电气石生物炭作为水处理生物增强添加剂进行商品化销售。

本实施方式中采用直接投加电气石颗粒的方式对污水处理进行生物增强，直接投加电气石可以最大程度发挥电气石的生物增强作用，且调控程度可控；电气石能够自发形成永久电场，即电气石颗粒相当于一个电偶极子，能够在系统中给予微电场的作用，这样的微电场能增强细胞代谢能力，刺激生物高分子合成，增强酶活，提高细胞膜通透性，促使微生物细胞增殖；利用电气石增强污水处理效果，主要运用了电气石的压电性和热电性，因为处理污水的过程中要提高间歇性曝气，导致电气石颗粒受到的压力不停在变化，造成电气石颗粒周围的电场时刻在变化，这样的电刺激使得微生物处理效率增加，提高污水处理效果；本实施方式中利用含有电气石的剩余污泥生产生物填料，主要通过热解过程除去污泥中的无机物，以易挥发气体形式释放出去，使得自由碳原子形成不规则的石墨晶体，电气石颗粒镶嵌在石墨晶体中，与石墨晶体一起形成孔结构。制成的改性电气石活性炭材料可会用于水厂也可商品化出售。

利用含有电气石剩余污泥生产生物增强水处理效果的材料的方法具有成本低、效率高、处理效果好、变废为宝、节约土地资源、以废治废，符合国内外固体废物的资源化、无害化、减量化原则等特点。本发明的独特之处利用直接投加电气石颗粒保证了水处理构筑物较高的生物增强效果，利用改性电气石活性炭材料实现了电气石颗粒及剩余污泥在污水厂内的循环利用。本发明充分利用了电气石颗粒和污水厂剩余污泥资源，大幅度降低污水处理投资及运营成本，开辟了电气石颗粒及污泥应用的新领域，改变了传统意义上污水处理观念。

污水厂的剩余污泥中有机物含量约60％～70％，剩余污泥经炭化和活化后可转化为多孔的碳材料，特别是活化过程对活性炭的结构能够产生明显影响。炭化是使含碳有机物在热的作用下发生分解，使非碳元素减少，生成富含碳的固体产物。电气石是一种具有非中心对称的单向极轴晶体，晶体结构中由于存在孤对电子和游离正离子，导致正负极性中心不重合，电气石具有永久电极性。煅烧温度在500℃以下时，电气石的结构没有改变，随着温度的升高，电气石晶体内部膨胀，对称型增强，自发电极性提高；当温度高于500℃，电气石结构发生改变，晶体中fe²⁺开始向fe³⁺转化，随着温度的升高，晶体中晶格收缩，电极性增强，当温度为800℃时，晶体中fe²⁺氧化为fe³⁺，晶格收缩性最强，表面电极达到极值；温度超过800℃后，电气石发生分解，自发电极性减弱，电导率下降明显。

本实施方式的改性电气石生物炭可以对磷进行有效去除，其吸附磷酸盐的机制包括静电作用、配体交换络合作用、离子交换作用及电催化作用等。磷酸盐在水中有4种存在形式，在强酸和弱酸性条件下分别主要以h3po4和h2po4^-形式存在；在弱碱和强碱性条件下分别主要以hpo4^2-和po4^3-形式存在。在ph值为2～9的范围内时，改性电气石生物炭对磷的去除率范围为80～99％；而当ph值为10～12的范围内时，去除率分别下降到60～90％和20～60％。

本实施方式对重金属及砷的去除：改性电气石生物炭能够吸附水中as(ⅴ)(砷酸盐)、as(ⅲ)(亚砷酸盐)、cr(ⅵ)(重铬酸盐)等以阴离子形式存在的类金属as和重金属cr，以及cu(ⅱ)、zn(ⅱ)、pb(ⅱ)、cd(ⅱ)等以阳离子形式存在的重金属。其中，对水中as(ⅲ)、as(ⅴ)和cr(ⅵ)的去除率分别为60～100％、65～100％和68～100％。对水中cu(ⅱ)、zn(ⅱ)、pb(ⅱ)、cd(ⅱ)的去除率分别为55～100％、65～100％、60～100％和65～100％。

本实施方式对有机污染物的去除：改性电气石生物炭能够去除水中水中芳香族化合物、新兴药物及染料等有机污染物。其中，对水中芳香族化合物、新兴药物及染料的去除率分别为75～100％、80～100％和75～100％。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中所述电气石颗粒的尺寸为1nm～10mm，电气石颗粒的纯度为1％～100％，电气石颗粒的通式为xy3z6[si6o18][bo3]3(o,oh,f)4，其中x为ca²⁺、k⁺或na⁺；y为fe²⁺、mg²⁺、al³⁺+li⁺、fe³⁺或mn²⁺；z为al³⁺、cr³⁺、fe³⁺；所述电气石颗粒为通式中的一种或多种的混合物。其他与具体实施方式六相同。

电气石的介电常数随极化作用的增强而变大，其自发极化所产生的静电场以及与静电场有关的各种特性也与其介电常数有着紧密联系，其介电常数越大，极化作用越大，因此电气石颗粒的尺寸可能对与其电性相关的特性存在一定的影响。电气石的粒径越小，其比表面积越大，表面活性越强，其压电和热电效应也越明显，应用领域也越宽，因此本实施方式将电气石颗粒的粒径控制在1nm～10mm。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤一中投加电气石颗粒后电气石颗粒的终浓度为0.1mg/l～100mg/l。其他与具体实施方式六或七相同。

由于电气石的压电性及热电性产生的自发电极，导致改变电气石颗粒受到的压力及出现温度变化的时候都可以使电气石周围的电场发生变化。即每个电气石颗粒形成一个低频低压交变电场，在电场的作用下，微生物代谢受到刺激，使得微生物增殖加速，代谢污染物的能力增强。电气石颗粒的浓度将严重影响最终的处理效果，低频低压交变电场对微生物代谢有刺激作用，但是浓度过小起不到应有的作用，浓度过大反而会抑制微生物代谢，因此本实施方式的浓度控制在0.1mg/l～100mg/l。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤二中所述资源化制造生物填料的制备方法为炭化法、物理活化法、气体活化法、化学活化法、物理化学联用法或微波化学活化法。其他与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：所述炭化法是向含有电气石的污泥以流量为50～200ml/min通入高纯氮气5～3min，然后将流量调整为40ml/min，以5-25℃/min的升温速率将温度升至400℃～750℃，在温度为400℃～750℃的条件下热解，热解过程控制在10min～8h，冷却后将其研磨均匀，过60～120目筛，得到改性电气石活性炭。其他与具体实施方式六至九之一相同。

本实施方式所述惰性气体为n2。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是：所述气化活化法是先在低温下炭化，然后在温度为300℃～800℃条件下通入氧化性气体或惰性气体进行气化。其他与具体实施方式六至十之一相同。

本实施方式所述氧化性气体为co2、水蒸气、o2、空气、烟气。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是：所述化学活化法中使用的活化剂为：氯化物、氢氧化物、硫酸、磷酸、磷酸盐或碳酸盐；活化剂浓度为0.01mol/ml～15mol/ml，升温速率为：1℃/min～150℃/min，活化时间为：10min～20h、活化温度在300℃～800℃。其他与具体实施方式六至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二之一不同的是：所述物理化学联用法是采用城市污水厂二沉池污泥作原料，以氯化物、氢氧化物、硫酸、磷酸、磷酸盐或碳酸盐作为活化剂；活化剂浓度为0.01mol/ml～15mol/ml，与含有电气石的剩余污泥混合后直接活化，干化后在300℃～800℃条件下，采用水蒸气作为活化气，制得改性电气石活性炭。其他与具体实施方式六至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六至十三之一不同的是：所述微波化学活化法是将含有电气石的剩余污泥在磷酸溶液或活化剂浸泡后，再放入微波炉中，辐照时间为15s～50min，微波功率为40～5000w，磷酸或活化剂的浓度为0.01mol/ml～15mol/ml，制备的改性电气石活性炭的中孔孔容占总孔容的20％～80％。其他与具体实施方式六至十三之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式六至十四之一不同的是：步骤三中将改性电气石生物炭应用于水处理前进行污泥脱水，脱水后剩余污泥的含水率为1％～90％。其他与具体实施方式六至十四之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：采用电气石布料装置布料后电气石生产改性电气石生物炭的方法是按以下步骤进行：

一、在城市污水处理厂的进水端加装电气石布料装置，然后通过电气石布料装置向系统内投加电气石颗粒，经系统处理后收集含有电气石的剩余污泥；

二、向含有电气石的污泥以流量为50～200ml/min通入高纯氮气5～3min，然后将流量调整为40ml/min，以5-25℃/min的升温速率将温度升至400℃～750℃，在温度为400℃～750℃的条件下热解，热解过程控制在10min～8h，冷却后将其研磨均匀，过60～120目筛，得到改性电气石活性炭；

三、将改性电气石生物炭应用于水处理。

经本实施例的改性电气石生物炭对磷的去除率为80～99％。对重金属及砷的去除：改性电气石生物炭能够吸附水中as(ⅴ)(砷酸盐)、as(ⅲ)(亚砷酸盐)、cr(ⅵ)(重铬酸盐)等以阴离子形式存在的类金属as和重金属cr，以及cu(ⅱ)、zn(ⅱ)、pb(ⅱ)、cd(ⅱ)等以阳离子形式存在的重金属。其中，对水中as(ⅲ)、as(ⅴ)和cr(ⅵ)的去除率分别为60～100％、65～100％和68～100％。对水中cu(ⅱ)、zn(ⅱ)、pb(ⅱ)、cd(ⅱ)的去除率分别为55～100％、65～100％、60～100％和65～100％。对有机污染物的去除：改性电气石生物炭能够去除水中水中芳香族化合物、新兴药物及染料等有机污染物。其中，对水中芳香族化合物、新兴药物及染料的去除率分别为75～100％、80～100％和75～100％。