基于活性污泥的改性生物质炭催化剂及其制备方法与流程

本发明属于环保技术领域，具体涉及固体废物资源化利用和污染物降解催化剂及其制备方法，特别涉及基于活性污泥的改性生物质炭催化剂及其制备方法。

背景技术：

活性污泥法是目前净化城市污水的核心方法，随着城市化进程的加快，污水处理厂也在快速建设，在污水处理厂运行过程中，会产生大量的废物活性污泥（was），中国每年活性污泥的产量已经达到40亿吨（含水量80%），占地面积大，具有潜在的环境风险，而且处置费用高，提高了污水处理厂的运行成本。因此，was的合理处置并从中获取相应的资源是目前研究的主要内容。

was中含有大量的有机物，如蛋白质、碳水化合物和病原微生物等，所以选择合适的处置方法至关重要。许多处置技术，如焚烧，堆肥处理，填埋处置等虽然可以杀死病原微生物和寄生虫等，但是，这些技术不可避免的会造成二次污染，如焚烧会产生二噁英污染空气，填埋处置占用大量的土地资源，而且产生的垃圾渗滤液会污染地下水。was热解被认为是最有希望的处置方法，热解是将原材料在无氧条件下高温加热的热化学过程，它可以有效杀死病原微生物，减少污泥体积，二次污染少，并且可以获得资源化的产物生物质炭。

生物质炭作为一种新型的富碳固体材料，在环境保护和生产生活中具有巨大的利用价值，由于其具有较大的比表面积，多孔的稳定结构，表面丰富的官能团，已经被应用于污水的吸附处理处置和农业的生产活动中。然而，生物炭用于污水吸附只是完成了污染物的转移过程，对其后续在农业中改良土壤、增加土壤肥力的研究也仅停留在对其性质的表征和性能的探讨上。近些年来，关于生物质炭用于催化分解污染物的研究逐渐成为焦点，这是由于热解过程中会产生持久性自由基（pfrs），其中pfrs被认为是一种很好的活化剂，能够催化h2o2产生•oh，这就使得其具有明显催化污染物分解的能力。本发明利用改性溶液先浸渍处理活性污泥，改性后的活性污泥再热解后得到的改性生物质炭可以表现出更加优异的催化性能和更强的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效、稳定、安全的基于活性污泥的改性生物质炭催化剂及其制备方法。

本发明提供的基于活性污泥的改性生物质炭催化剂的制备方法，具体步骤为：

a、对活性污泥进行分选，去除其中不能分解的杂质固体；

b、对活性污泥进行烘干，然后用破碎机对烘干后的活性污泥进行破碎，再过筛，制得粉末状活性污泥；

c、将粉末状活性污泥浸渍于0.05-0.1mol/l的改性溶液中2-3h，过滤后干燥，制得浸渍粉末状活性污泥；

d、将浸渍粉末状活性污泥置于真空管式炉中，在氮气氛围下进行厌氧热解；热解结束后，待温度恢复至室温，得到改性生物质炭；

e、将改性生物质炭置于滚筒球磨机中进行研磨，水洗ph至中性，然后烘干过筛，得到具有高效催化效果的改性生物质炭。

优选的，所述步骤b中，在烘干装置中干燥，温度为60-70℃，烘干时间为60h-72h；用40-60目的筛子筛分活性污泥。

优选的，所述步骤c中，所述改性溶液为fecl3、cecl3或lacl3，其浓度为0.1mol/l，每100ml的改性溶液浸渍10-12g的粉末状活性污泥。

优选的，所述步骤d中，恒温热解温度为400-500℃，升温时间为30-60min，恒温热解时间为120-180min，氮气流速为5-7l/min。

优选的，所述步骤e中，对改性生物质炭进行研磨的速率为400-600r/min；大、中、小球石按照占总质量的10-15%、30-35%、20-25%的比例进行搭配；球磨后的改性生物质炭在去离子水中反复清洗至ph为中性，置于50-70℃烘箱中直至烘干，然后将烘干后的改性生物质炭过120-140目筛，得到最终产品。

本发明的另一方面，提供一种由以上制备方法制备得到的最终产品——改性生物质炭。

本发明的另一方面，上述最终产品改性生物质炭可用于催化污染物的降解，实现固体废物资源化利用。

本发明的有益效果是：

a、活性污泥属于固体废弃物，原料廉价易得，可以同时实现废物处理处置与资源化利用；

b、本发明采用浸渍法进行改性，无需其他操作，技术成熟，采用厌氧热解生产改性生物质炭，能耗低，二次污染少；

c、本发明的改性生物质炭，性能稳定，催化效果好，催化效果远远高于未改性的生物质炭。

附图说明

图1是实施例1中用0.1mol/l的fecl3改性溶液浸渍制备的改性生物质炭对h2o2的催化效果。

图2是实施例2中用0.1mol/l的cecl3改性溶液浸渍制备的改性生物质炭对h2o2的催化效果。

图3是实施例3中用0.1mol/l的lacl3改性溶液浸渍制备的改性生物质炭对h2o2的催化效果。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做进一步说明，但是本发明并不仅仅局限于此，由于不同地区活性污泥有所差别，并且污染物性质和浓度有所差别，因此在不违背本发明的实质和所附权利要求范围的前提下，可对本发明中相关参数做适当调整。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有的其他实施例都属于本发明的保护范围。

实施例1

取从上海市某污水处理厂产生的活性污泥，进行改性生物质炭的制备，包括以下步骤：

a、对活性污泥进行分选，挑选出其中不能分解的杂质固体；

b、对活性污泥在烘干箱中进行烘干，烘箱温度为60℃，烘干时间为72h然后用破碎机对烘干后的活性污泥进行破碎，接下来过40目筛，制得粉末状活性污泥；

c、将粉末状活性污泥浸渍于0.1mol/l的fecl3改性溶液中2h，每100ml的改性溶液浸渍10g左右的粉末状活性污泥，过滤后在60℃烘箱中干燥，制得浸渍粉末状活性污泥；

d、将浸渍粉末状活性污泥置于真空管式炉中，恒温热解温度为400℃，升温时间为30min，恒温热解时间为120min，氮气流速为7l/min，热解结束后，待温度降至室温，取出改性生物质炭；

e、在滚筒球磨机中对改性生物质炭进行研磨，球磨机转动速率为400r/min；大、中、小球石按照占总质量的15%、35%、25%的比例进行搭配；球磨后的改性生物质炭在去离子水中反复清洗至ph为中性，置于50℃烘箱中直至烘干，然后将烘干后的改性生物质炭过120目筛，得到最终产品改性生物质炭。

实施例2

取从上海市某污水处理厂产生的活性污泥，进行改性生物质炭的制备，包括以下步骤：

a、对活性污泥进行分选，挑选出其中不能分解的杂质固体；

b、对活性污泥在烘干箱中进行烘干，烘箱温度为70℃，烘干时间为60h然后用破碎机对烘干后的活性污泥进行破碎，接下来过50目筛，制得粉末状活性污泥；

c、将粉末状活性污泥浸渍于0.1mol/l的cecl3改性溶液中2h，每100ml的改性溶液浸渍11g左右的粉末状活性污泥，过滤后在70℃烘箱中干燥，制得浸渍粉末状活性污泥；

d、将浸渍粉末状活性污泥置于真空管式炉中，恒温热解温度为400℃，升温时间为30min，恒温热解时间为150min，氮气流速为6l/min，热解结束后，待温度降至室温，取出改性生物质炭；

e、在滚筒球磨机中对改性生物质炭进行研磨，球磨机转动速率为500r/min；大、中、小球石按照占总质量的13%、33%、23%的比例进行搭配；球磨后的改性生物质炭在去离子水中反复清洗至ph为中性，置于60℃烘箱中直至烘干，然后将烘干后的改性生物质炭过130目筛，得到最终产品改性生物质炭。

实施例3

取从上海市某污水处理厂产生的活性污泥，进行改性生物质炭的制备，包括以下步骤：

a、对活性污泥进行分选，挑选出其中不能分解的杂质固体；

b、对活性污泥在烘干箱中进行烘干，烘箱温度为70℃，烘干时间为60h然后用破碎机对烘干后的活性污泥进行破碎，接下来过60目筛，制得粉末状活性污泥；

c、将粉末状活性污泥浸渍于0.1mol/l的lacl3改性溶液中2h，每100ml的改性溶液浸渍12g左右的粉末状活性污泥，过滤后在70℃烘箱中干燥，制得浸渍粉末状活性污泥；

d、将浸渍粉末状活性污泥置于真空管式炉中，恒温热解温度为400℃，升温时间为30min，恒温热解时间为150min，氮气流速为7l/min，热解结束后，待温度降至室温，取出改性生物质炭；

e、在滚筒球磨机中对改性生物质炭进行研磨，球磨机转动速率为600r/min；大、中、小球石按照占总质量的10%、30%、20%的比例进行搭配；球磨后的改性生物质炭在去离子水中反复清洗至ph为中性，置于70℃烘箱中直至烘干，然后将烘干后的改性生物质炭过140目筛，得到最终产品改性生物质炭。

为了考察改性生物质炭对h2o2的催化效果，做了以下实验：

分别取5mg未改性污泥生物质炭和实施例1、实施例2、实施例3的改性生物质炭，加入到4ml磷酸盐缓冲溶液中，完全混合后，迅速加入h2o2（终浓度为5mm），以dmpo作为捕获剂，用电子自旋共振（esr）检测羟基自由基，实验结束后，结果如图1、2、3所示：

从图中可以看出，经过生物质炭的催化作用，每组实验都明显检测到了羟基自由基信号（信号强度为1:2:2:1的峰为羟基自由基峰图），羟基自由基具有强的氧化性，可以用于污染物的氧化降解，即每组实验都可以说明本发明中的改性生物质炭具有作为催化剂的潜力，和空白组对比发现，经过改性溶液浸渍后的改性生物质炭用于催化h2o2，产生羟基自由基的强度大大提升，其中用fecl3溶液浸渍改性生物质炭表现出最优的催化性能，其次是用cecl3和lacl3溶液浸渍的改性生物质炭。本发明可以针对实际应用情况选择合适的改性方法，三个实施例都具有较优异的催化性能，不仅实现固体废物合理处理处置，同时，提供了一条安全、高效、稳定的资源化技术。