一种基于生物干化的污泥基生物炭的制备方法

本发明属于有机固体废物处置和资源化利用领域，涉及一种污泥基生物炭的制备方法，具体涉及一种基于生物干化的污泥基生物炭的制备方法。

背景技术：

1、近年来，我国城市污泥产量逐年剧增，因此需要对污泥进行减量化和资源化处理，这其中将污泥制成生物炭是一种可行的方式。目前，将污泥制成生物炭的方法主要是先对污泥进行脱水，进而对脱水污泥进行煅烧，由此制备得到污泥基生物炭，然而，现有通过煅烧制备污泥基生物炭的方法仍然存在以下缺陷：工艺复杂、能耗高、产率低、容易产生污染气体、二次污染风险严重等，而且由此制得的污泥基生物炭还存在以下缺陷：产品中有害成分含量高、孔隙结构少，难以实现污泥基生物炭的后续资源化利用。

2、在污泥制备生物炭的方法，有效降低污泥的含水率是降低能耗的重要手段，这其中生物干化作为一种高效降低含水率的低耗能方法，具备在较短时间内达到除水的同时又能部分实现产物稳定性的能力，在近几年得到越来越多关注。然而，现有的生物干化技术存在处理条件苛刻、发酵周期过长、高温维持时间短、干化期间污染气体排放过量、干化后物质损失过大造成污泥生物质品质降低等问题，与此同时，现有生物干化方法中，为了有效降低污泥含水率引入了大量的调理剂，且在这些调理剂大部分残留在干化产品中，结果是将这些干化产品进行煅烧时，也会增加污泥基生物炭中有毒有害物质的含量，使得这些污泥基生物炭仍然具有较高的毒性，无法用于后续的资源化利用，特别是，若这些含有有毒有害物质的污泥基生物炭应用于水处理领域时，容易给水环境带来二次污染。因此，获得一种工艺简单、处理成本低、干化效率高、脱水效果好、污染气体产量少、干化产品中有毒有害物质含量少的污泥的生物干化方法，对于降低污泥基生物炭毒性并实现污泥基生物炭的后续资源化利用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，提供一种工艺简单、操作方便、能耗低、产率高、产品品质高的污泥基生物炭的制备方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于生物干化的污泥基生物炭的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、对生物质材料进行烘焙处理；

5、s2、将步骤s1中经烘焙处理后得到的烘焙产物、污泥、生物炭材料、调理剂混合，得到混合物料；

6、s3、对步骤s2中得到的混合物料进行生物干化，得到污泥生物干化产品；

7、s4、对步骤s3中得到的污泥生物干化产品进行煅烧，得到污泥基生物炭。

8、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，所述烘焙处理在缺氧条件下进行；所述烘焙处理过程中的升温速率为10℃/min；所述烘焙处理在温度为200℃下进行；所述烘焙处理的时间为10min。

9、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，所述烘焙处理过程中还包括以下处理：收集焙烧过程中的产生的烟气，将所得烟气通入到步骤s4的煅烧体系中。

10、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，所述生物质材料为油茶果蒲、芦苇秸秆和木屑中的至少一种；所述生物质材料在使用之前还包括以下处理：对生物质材料进行清洗、烘干、粉碎、过筛，得到生物质材料粉末；所述生物质材料粉末的粒径为10mm～20mm。

11、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述烘焙产物与污泥的质量比为1～2∶1；所述污泥的含水率≥90％；所述生物炭材料的添加量为所述混合物料总质量的2％～5％；所述生物炭材料的粒径为20目～25目；所述生物炭材料为竹炭、油茶壳生物炭和木炭中的至少一种。

12、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述调理剂的添加量为所述混合物料总质量的2％～5％；所述调理剂为氯化铁、硫酸镁、氯化镁、碳酸钾和氢氧化钠中的至少一种；所述混合后，还包括以下处理：调节混合物料的含水率为55％～60％。

13、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s3中，所述生物干化过程中还包括对混合物料进行间歇曝气处理；所述生物干化过程中，前三天控制曝气总量为0.5l/min·kg，曝气时间为20min，第四天以后控制曝气总量为0.2l/min·kg，曝气时间为10min。

14、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s3中，所述生物干化过程中，还包括以下处理：当所述混合物料中的温度低于55℃时，对混合物料进行翻堆；所述翻堆的频率为1次/天～2次/天。

15、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s3中，所述生物干化过程中还包括以下步骤：收集生物干化过程中产生的气体，将所得气体通入到步骤s4的煅烧体系中。

16、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s4中，所述煅烧过程中还包括往煅烧体系中通入含氧气体，使体系中氧气的体积分数为4％；所述含氧气体的流速为60ml/min。

17、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s4中，所述煅烧过程中的升温速率为10℃/min；所述煅烧在温度为400℃～500℃下进行；所述煅烧的时间为2h。

18、与现有技术相比，本发明的优点在于：

19、(1)针对现有污泥生物干化方法中存在的处理条件苛刻、发酵周期过长、高温维持时间短、干化期间污染气体排放过量、干化后物质损失过大造成污泥生物质品质降低、干化产品中有毒有害物质含量高等不足以及将其用于制备污泥基生物炭时存在的能耗高、产率低、产品品质低、容易造成二次污染等缺陷，本发明创造性的提供了一种基于生物干化的污泥基生物炭的制备方法，先对生物质材料进行烘焙处理，进而与污泥、生物炭材料、调理剂混合制成混合物料并对该混合物料进行生物干化，在焙烧产物、生物炭材料、调理剂的共同作用下，可在调理剂用量较少的前提下，快速去除污泥中的水分以及显著降低污染物气体的产生，在此基础上，将污泥生物干化产品进行煅烧，在此煅烧过程中，在调理剂的作用下，可以污泥混物料中的生物质发生炭化并转化成生物炭材料，有利于提高生物炭的产率，而且可以对生物炭材料进行刻蚀、造孔，有利于丰富生物炭材料的孔隙结构，获得更加优异的吸附和催化性能，特别是，可以显著降低硫和氯等有害成分的含量，从而能够显著提高生物炭的品质。本发明制备方法，以生物干化后的污泥产品作为煅烧原料，可以制备得到孔隙结构丰富、有毒有害含量少的生物炭产品，同时还具有工艺简单、操作方便、能耗低、产率高等优点，对于降低污泥基生物炭毒性并实现污泥基生物炭的后续资源化利用具有重要意义。

20、(2)本发明制备方法中，污泥的生物干化过程包括：先对生物质材料进行烘焙处理，通过烘焙处理，可以改善生物质的物理和化学特性，从而能够显著改善生物质的能量密度和堆积密度，因而将其作为原料用于构建堆体时，有利于改善堆体的结构，调节堆体的孔隙度，使得堆体在曝气环节的影响下维持在一个充足的富氧环境中，从而促进生物干化的进行，进而使得堆体能够维持更长的高温时间，同时通过焙烧处理，也可以降低生物质的含氧量，以及能够将生物质中纤维素、半纤维素及木质素发生一定程度的热解炭化，在有效去除生物质中的水分和轻质挥发分的同时曾生物质被吸收和利用的可能性，，因而将其作为原料用于构建堆体时，不仅有利于改善堆体的营养分布，便于微生物吸收和利用，而且有利于降低堆体中污染气体的产生，特别是，有利于显著降低含氧温室气体(如co2和n2o)的产生，在此基础上，将经烘焙处理后得到的烘焙产物、污泥、生物炭材料、调理剂混合制成混合物料并对该混合物料进行生物干化，在此过程中，在烘焙产物、污泥、生物炭材料、调理剂的共同作用下，微生物快速繁殖，并持续、高效的产生热量，从而可以利用体系中的自产热在非常短的时间内实现对污泥的有效脱水，使得污泥的含水率可在11天内降低至30％以内，与此同时，在生物炭材料和调理剂的共同作用下，通过改变孔隙率和增加反应器空间的表面积从而促进氧化，适宜的偏酸性和较低含水率的环境下扰动了厌氧环境从而抑制了反硝化作用和产甲烷菌的活性，提高了微生物碳源的生物利用度，进而能有效减少污染气体的产生，特别是，能够显著降低温室气体的排放量，可以大大减少干化过程中对环境可能造成的二次污染，而且不会过多的有毒有害成分引入到干化产品中。与常规生物干化方法相比，本发明中，首次将烘焙处理后的生物质材料与生物炭材料、调理剂一同加入到污泥中，不仅可以省略调质过程，而且能够在实现快速脱水的同时有效降低污染气体特别是温室气体的排放量，具有工艺简单、处理成本低、能耗低、干化效率高、脱水效果好、污染气体产量少、干化产品中有毒有害成分含量少等优点，能够解决大量生物质材料直接废气或燃烧时所带来的资源浪费和污染物，也有利于实现污泥的减量化和资源化，收益高，应用前景好。

21、(3)本发明中，通过烘焙处理的条件，不仅能在保证一定除水效果的同时减少了烘焙过程中气体的排放，同时也能保证较高的固体产率和能量产率，能提高产物质量和减少能耗。

22、(4)本发明中，通过优化烘焙产物与污泥的质量比为1-2∶1，使得烘焙产物与物料能够仅经过机械搅拌混合即可得到最优的c/n比和最佳含水率的混合物料，操作非常简单，另外，若二者质量比过高会导致堆体含碳量高于含氮量，在减弱污泥生物干化过程中有机物的分解速度的同时降低了干化效率，还会增加后续生物干化过程中co2和ch4的排放，此外，若两者质量比过低则会导致堆体含氮量高于含碳量，则会导致过多的氮素被微生物分解，同时产生异味和氨气等有害物质，进而影响生物干化产物的品质；通过优化生物炭材料的添加量为混合物料总质量的2％～5％，有利于快速脱水以及降低污染气体的释放量，这是因为过高的生物炭添加量，会提高堆体的ph值，导致大量nh4+的积累，从而影响生物干化过程中有机质的降解速率和干化速率，而且还会增加nh3的排放，而过低的生物炭含量则会放大生物炭本身的保水能力，从而减少水分的去除，不利于快速脱水；通过优化调理剂的添加量为所述混合物料总质量的2％～5％，使得体系中含有合适的添加剂(调理剂)含量，从而能促进氮素保留的最大化，若调理剂含量过高，则会增加堆体里的盐离子浓度，从而影响生物干化过程中的微生物活性。

23、(5)本发明中，通过在生物干化过程中还包括对混合物料进行间歇曝气处理，以及优化曝气总量和曝气时间，可根据生物干化经历的不同阶段提供合适的曝气量，在提高干化效果的同时也有利于降低处理成本，如在堆体升温期和高温期提供较大的曝气量，由此能提供持续充足的氧气来使堆体的好氧微生物活动更加剧烈，从而最大化的提高堆温和有机质的分解，从而极大地增强该过程的除水效果，在降温期，合理的减少曝气量能控制生物干化整个过程的能量消耗和经济成本。

24、(6)本发明中，通过将焙烧过程中的产生的烟气、生物干化过程中产生的气体，回用到煅烧过程中，不仅可以有效利用它们中含有的热量、燃烧物质，进一步降低能耗，而且能够进一降低污染气体的排放，更加绿色环保。