一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法及应用与流程

本发明属于生物质加工领域，具体而言，涉及一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法及应用。

背景技术：

市政污泥是城市污水厂净化污水过程物质转移所形成的固态、半固态废弃物，是污水处理的必然产物。截至2014年，全国日处理污水量1.53亿m³/d，日产生含水率80％的污泥超过3000万吨，这一数字还在继续增长。砷是对人体及其他生物体有毒害作用的致癌物质。矿山开采，含砷工业三废的排放等都会引起砷污染。环境中的砷可通过食物链、饮用水或直接接触进入人体并对人体的健康造成危害。

污水厂运行过程中为了使出水总磷达到一级A排放标准需辅以化学除磷，采用的除磷剂主要是铁盐，产生的磷酸亚铁以剩余污泥的形式排出，因此市政污泥中含有大量的铁源，如北京地区市政污泥中铁含量可达22.4-27.7g/kg。污泥中的铁源以磷酸亚铁的形式存在，无法对砷形成吸附作用。嗜酸性氧化亚铁硫杆菌可以将污泥中的磷酸亚铁转化为羟基硫酸铁，进行施氏矿物的合成，反应式如下：

形成的施氏矿物对砷有高效的专性吸附功能，吸附机理为As(Ⅲ)与矿物表面金属羟基的表面络合、与矿物表面及隧道结构内SO₄^2-的配位体交换作用。

嗜酸性氧化亚铁硫杆菌利用污泥中的內源铁形成羟基硫酸铁污泥。羟基硫酸铁污泥含有大量的施氏矿物，可作为除砷吸附剂，实现了污泥的资源化。污泥高温炭化处理过程可消除污泥中有害病原菌和寄生虫卵，实现了污泥的减量化和无害化。同时，污泥热解过程随着挥发分的析出，污泥热解焦炭的孔隙结构逐渐发达。污泥基生物炭的丰富孔隙、较大比表面积及存在有机基团使其吸附能力远超于污泥。本发明制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭不但对砷有高效的专性吸附作用，而且实现了污泥的资源化利用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在问题和技术分析，提供一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法及应用，该方法利用污泥內源铁生成羟基硫酸铁，无需外加铁源，节约了成本；制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭对砷有高效的专性吸附作用，不但实现了污泥的资源化利用，而且提供了一种新的砷吸附剂。

本发明的技术方案：

一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤:

1.向独立格空气提升推流式反应器中曝气运行的含水率为2-3wt％的市政污泥中投加浓度为9.2mol/L的硫酸以调节pH为4，反应24-48h，使污泥中內源铁析出并析出率为50-80％；

2.向上述污泥中接入嗜酸性氧化亚铁硫杆菌，接种量为10wt％，接种后污泥进行连续曝气，在反应器中停留48-60h，反应至污泥溶液中Fe²⁺的氧化率大于等于95％，得到羟基硫酸铁污泥；

3.将上述羟基硫酸铁污泥进行压滤脱水，脱水后污泥含水率为55-65％，脱水后的污泥在105℃干燥8h；

4.将上述干燥后的污泥研磨过2mm筛，将过筛的污泥在N₂保护下热解1h，N₂速率为50mL/min,热解温度为600-700℃,热解完成后，降至室温，制得羟基硫酸铁污泥基生物炭。

一种所制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭的应用，作为砷吸附剂用于高效吸附砷。

本发明的优点是：

该方法利用污泥內源铁生成羟基硫酸铁，无需外加铁源，节约了成本；制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭可高效的专性吸附砷，不但实现了污泥的资源化利用，而且提供了一种新的砷吸附剂；污泥炭化处理过程可消除污泥中有害病原菌和寄生虫卵，实现了污泥的减量化和无害化。

附图说明

图1为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭的实物图。

图2为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭对1mg/L砷溶液的吸附效果图。

图3为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭对4.5mg/L砷溶液的吸附效果图。

具体实施方式

以下通过实施案例对本发明作进一步说明，而非限制本发明。

实施例1：

一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤:

1.向独立格空气提升推流式反应器中曝气运行的含水率为2wt％的市政污泥中投加浓度为9.2mol/L的硫酸以调节pH为4，反应24h，使污泥中內源铁析出并析出率为50％；

2.向上述污泥中接入嗜酸性氧化亚铁硫杆菌，接种量为10wt％，接种后污泥进行连续曝气，在反应器中停留48h，反应至污泥溶液中Fe²⁺的氧化率大于95％，得到羟基硫酸铁污泥；

3.将上述羟基硫酸铁污泥进行压滤脱水，脱水后污泥含水率为55-65％，脱水后的污泥在105℃干燥8h；

4.将上述干燥后的污泥研磨过2mm筛，将过筛的污泥在N₂保护下热解1h，N₂速率为50mL/min,热解温度为600-700℃,热解完成后，降至室温，制得羟基硫酸铁污泥基生物炭。

图1为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭的实物图。

将所制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭作为砷吸附剂用于高效吸附砷，检测方法如下：

量取As(Ⅲ)含量为1mg/L的砷溶液100mL置于250mL锥形瓶中，加入0.3g基硫酸铁污泥基生物炭使吸附剂的投加量为3g/L。将锥形瓶放置在摇床中25℃、180rpm震荡24小时，之后静置并检测溶液中砷的浓度。

图2为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭对1mg/L砷溶液的吸附效果图。检测结果表明：溶液中的砷在第10天左右已基本降为0，继续监测至第70天被吸附的砷并无解析现象。

实施例2：

一种羟基硫酸铁污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤:

1.向独立格空气提升推流式反应器中曝气运行的含水率为3wt％的市政污泥中投加浓度为9.2mol/L的硫酸以调节pH为4，反应48h，使污泥中內源铁析出并析出率为80％；

2.向上述污泥中接入嗜酸性氧化亚铁硫杆菌，接种量为10wt％，接种后污泥进行连续曝气，在反应器中停留48h，反应至污泥溶液中Fe²⁺的氧化率大于95％，得到羟基硫酸铁污泥；

3.将上述羟基硫酸铁污泥进行压滤脱水，脱水后污泥含水率为65％，脱水后的污泥在105℃干燥8h；

4.将上述干燥后的污泥研磨过2mm筛，将过筛的污泥在N₂保护下热解1h，N₂速率为50mL/min,热解温度为700℃,热解完成后，降至室温，制得羟基硫酸铁污泥基生物炭。

将所制备的羟基硫酸铁污泥基生物炭作为砷吸附剂用于高效吸附砷，检测方法如下：

量取As(Ⅲ)含量为4.5mg/L的砷溶液100ml置于250ml锥形瓶中，加入0.5g基硫酸铁污泥基生物炭使吸附剂的投加量为5g/L。将锥形瓶放置在摇床中25℃、180rpm震荡24小时，之后静置并监测溶液中砷的浓度。

图3为本发明羟基硫酸铁污泥基生物炭对4.5mg/L砷溶液的吸附效果图。检测结果表明：溶液中的砷在第10天左右仍保持在2.3mg/L的水平，但第35天降至0.19mg/L，继续监测至第60天溶液中的只有0.004mg/L，被吸附的砷并无解析现象。