利用含铁剩余污泥制备催化活性生物炭及抗生素去除方法技术

本发明专利技术公开了一种利用含铁剩余污泥制备催化活性生物炭及用于抗生素去除的方法，属于固废资源化和碳材料合成领域。其中，所述生物炭的制备方法包括将含铁剩余污泥进行脱水和冻融处理，掺杂聚苯乙烯颗粒混合，氯化锌浸渍活化，然后进行惰性氛围高温热解等。所述用于抗生素去除的方法为采用制得的生物炭活化过二硫酸盐构建高级氧化体系降解典型抗生素。本发明专利技术制得的生物炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，含有大量铁催化活性位点，在催化过二硫酸盐降解抗生素上的效率相对于现有技术显著提升，生物炭和氧化剂用量明显降低。本发明专利技术可实现废弃物资源化达到以废治废的目的、具有显著的环境、经济和社会效益。经济和社会效益。经济和社会效益。

【技术实现步骤摘要】
利用含铁剩余污泥制备催化活性生物炭及抗生素去除方法


[0001]本专利技术涉及污泥资源化、生物炭及水污染防治的
，特别涉及通过资源化处理工业废弃物制备生物炭并应用于水污染防治的


技术介绍

[0002]市政污水处理及工业废水处理过程中会产生大量剩余污泥，其中含有大量微生物及污泥絮团吸附的污染物，尤其是金属盐在污水氧化和污泥絮凝中的应用导致的金属残留，如工业污水处理中芬顿氧化污泥等更是被列为危险固体废弃物。通过资源化技术对此类废弃物进行安全低廉的有效处理处置已成为水处理领域的研究热点。同时，抗生素作为健康医疗、禽畜养殖领域不可或缺的药物，在我国生产和使用量巨大。目前大部分城市污水处理厂的处理工艺都是针对常规有机污染物和营养盐类设计的，而痕量抗生素在城市污水处理厂中得不到有效去除,随污水处理厂出水进入自然水体中，致使城市污水处理厂出水成为环境中抗生素的主要来源之一。所以，污水中抗生素残留污染问题正成为水污染防治领域亟待解决的难题，其中尤以多环芳烃类抗生素使用最广，分布在污水中难以去除，为出水排放和中水回用带来难度，而且抗生素滥用和残留导致的微生物抗性基因的传播也造成了很大的生态危害。
[0003]当前，国内外对于污泥的处理技术路线主要有四种，分别是：污泥深度脱水
‑
填埋路线、好氧发酵
‑
土地利用路线、厌氧发酵
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土地利用路线、污泥干化
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焚烧
‑
灰渣填埋或建材利用路线。其中，污泥的填埋和污泥发酵后再土地利用是比较简单且经济成本低的处理方式，是我国污泥处理处置中重要的选择方案。但由于空间和土地利用的限制，特别是在农业部发布了禁止将污泥用做有机肥原料的新标准，并且工业污水剩余污泥被列为《国家危险废物名录》之后，前三种污泥处理方式已严重受限；而污泥焚烧干化再填埋的方式，虽然节约了土地，却增加了成本，且污泥的资源化利用程度有限。所以，寻找一种新的剩余污泥资源化处理方案，对于在“碳达峰及碳中和”时代背景下污水处理行业的提标改造具有重要意义。
[0004]污水中抗生素类污染物的去除目前主要采用的方法包括物理化学法和生物降解两大类。物理化学法又包括水解、光解、高级氧化(AOPs)、污泥和活性炭吸附及膜过滤等技术，其中高级氧化技术由于其通过诱导产生具有强氧化性的自由基等活性物种可以去除抗生素这类结构复杂、对微生物活性有抑制作用的难降解有机物，常被用于对城市污水进行深度处理。常用的高级氧化技术有以O3、ClO2、H2O2、KMnO4等作为氧化剂的化学氧化法，利用电极直接氧化或产生强氧化基团间接氧化污染物的电化学氧化法，光催化氧化法，超声氧化法和各种氧化技术的联用等(如Fenton法、O3/H2O2法、UV/O3法)。过硫酸盐由于产生的羟基自由基和硫酸根自由基的强氧化性，在化学氧化法中正逐渐成为研究热点，相应的使用过渡金属和活性炭等与之联用活化促进催化效能的技术也越来越引起关注，尤其是在废水中抗生素等难降解有机物的去除领域。本身污泥和活性炭对抗生素的去除已被广泛研究，此技术主要依赖污泥絮团和活性炭的大比表面积、疏孔结构以及其表面特征官能团的物理
和化学吸附作用。
[0005]生物炭是一种将生物质在缺氧条件下高温热解而得到的富炭固体物质，具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，可以用于污染修复，土壤改良以及固碳缓解气候变化等。而污泥作为一种含炭量丰富的生物质，是制备生物炭很好的原材料。在现有技术中，已经有了相关的探索工作，比如专利CN113072267A中公开了一种从市政污泥高效回收磷且同步制备多孔生物炭的方法，其先在市政污泥中外加铁盐改性得到含铁污泥；其后用含有碱金属元素的碱金属活化试剂活化所述含铁污泥,并对活化得到的污泥进行热解,从而得到污泥热解生物炭，或如专利申请CN112410047A中公开了一种载铁污泥生物炭及其制备方法和应用，其具体步骤为：将粉状污泥置于铁盐溶液中,然后将包含粉状污泥的硝酸铁溶液进行干燥处理，并将干燥处理后得到的混合物在厌氧条件下进行烧制,得到载铁污泥生物炭。但如上述现有技术，现有的大多数污泥基生物炭制备技术都是以常规城市污水处理产生的污泥为基本原料，并人为加入铁盐进行后端改性，其制备复杂成本较高，应用效果也不甚理想。另一方面，现有的工业废水处理普遍采用芬顿氧化技术，其通过在酸性条件下Fe
2+
催化H2O2产生强氧化性的羟基自由基(
·
OH)将废水中的难降解的污染物成分氧化成小分子有机物或无机物，同步产生了大量被划分为危废的含铁剩余污泥，而且此类高含铁污泥处理处置困难，成本高昂。
[0006]基于以上行业发展现状和科研技术背景，如果能直接利用污泥原位铁进行铁改性污泥生物炭的制备并通过营造多级孔隙结构提升污泥生物炭的催化和吸附性能，从而整体提升污泥生物炭的应用潜力，并将之应用于高级氧化体系的构建以进行污水的深度处理去除难降解的抗生素类污染物，则将实现此类工业废弃物的资源化循环利用从而降低污水污泥处理成本，甚至产品化的铁泥生物炭的生产和应用还有望在实现污水厂碳固定的同时实现收益。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种以工业废水处理中的产生的含铁污泥为原料制备具有高效催化活性的生物炭的方法，同时提供一种以此催化活性生物炭用于降解污水中典型抗生素的方法。其通过添加聚苯乙烯颗粒营造多级孔隙结构，无需对污泥生物炭进行后端改性便可制备铁负载改性污泥生物炭。所得产品一方面可实现含铁剩余污泥的无害化处理，另一方面可利用其高效催化性活化过二硫酸盐降解污水中的抗生素类污染物，实现资源循环利用达到以废制废的目的。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]利用含铁剩余污泥制备催化活性生物炭并用于抗生素去除的方法中生物炭的制备方法包括：
[0010](1)对污水处理厂含铁剩余污泥进行脱水和冻融处理，待其融化后得到预处理后的污泥；
[0011](2)向所述预处理后的污泥中加入聚苯乙烯颗粒，得到污泥混合物；
[0012](3)将所述污泥混合物烘干研磨后进行氯化锌溶液浸渍，得到活化物；
[0013](4)将所述活化物在惰性氛围下进行高温热解，得到粗制污泥生物炭。
[0014](5)对上述粗制污泥生物炭进行酸洗和水洗至中性，烘干得到催化活性污泥生物
炭。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述预处理包括脱水处理和冻融处理；所述脱水和冻融处理中，所述脱水处理采用包括但不限于聚合氯化铝(PAC)作为调理剂，并进行离心脱水，脱水后的污泥含水率为70
‑
80％；和/或，所述冻融处理包括：将经所述脱水后污泥在
‑
20℃～
‑
40℃下冷冻12～18h，然后常温下融化6
‑
8h。
[0016]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述制备方法还包括：将所述预处理后的污泥与聚苯乙烯颗粒充分混合，然后烘干研磨，并对粉体进行粒径筛选。其中，所述筛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.利用含铁剩余污泥制备催化活性生物炭并用于抗生素去除的方法中生物炭的制备方法，其特征在于，其包括：(1)对污水处理厂含铁剩余污泥进行包括脱水和冻融的预处理，待其融化后得到预处理后的污泥；(2)向所述预处理后的污泥中加入聚苯乙烯颗粒，得到污泥混合物；(3)将所述污泥混合物烘干研磨后进行氯化锌溶液浸渍，得到活化物；(4)将所述活化物在惰性氛围下进行高温热解，得到粗制污泥生物炭；(5)对上述粗制污泥生物炭进行酸洗和水洗至中性，烘干得到具有催化活性的所述生物炭。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理包括脱水处理和冻融处理；其中，所述脱水处理选择聚合氯化铝作为调理剂，并进行离心脱水，脱水后的污泥含水率为70
‑
80％；和/或，所述冻融处理包括：将经所述脱水处理后得到的污泥在
‑
20℃～
‑
40℃下冷冻12～18h，然后常温下融化6
‑
8h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，其还包括：将所述预处理后的污泥与聚苯乙烯颗粒充分混合，然后烘干研磨，并对粉体进行粒径筛选；其中，筛选中选择的筛网尺寸最大为50目，即筛选后的目标污泥混合物粉体的粒径小于或等于300μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述污泥混合物中，所述聚苯乙烯颗粒与所述预处理后的污泥的质量比为1/500
‑
1/200；和/或，所述聚苯乙烯泡沫的颗粒的粒径分级包括10
‑
50μm、50
‑
100μm、100
‑
200μm三种，三种粒径颗粒等比例混合添...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文宗，步胜林，王爱杰，李西齐，张文哲，高翔宇，葛小利，林臻，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：