剩余污泥制备生物炭实验研究

吴 姮,张 鹏,杨 晨,王志琛,胡琬钰

（华北水利水电大学环境与市政工程学院,郑州 450046）

长期以来，我国污水处理厂普遍存在“重水轻泥”的现象，污泥处置问题十分严峻。根据资料显示，到2015年，污泥产值将达到4400万吨/年之多[1]。生物炭是一中具有很高的吸附效果的焦化有机物。国际生物炭组织（IBI）将其定义为：生物碳化后的固体材料[2]。研究表明，生物炭是稳定的炭载体，其在土壤中的作用可以保持千百年之久。将生物炭施入土壤中，不仅可以增强土壤肥力，还可以提高土壤的养分吸收保持能力和持水能力。

本次实验采用剩余污泥+农业废弃物进行生物炭制备，通过本实验，对探究出剩余污泥有效处置的新方法具有相当重要的意义。

1 材料与方法实验过程及检测方法

1.1 实验材料

本实验采用的污泥全部取自郑州市陈三桥污水处理厂污脱车间，该厂主要采用改良A2O污水处理工艺，污泥含水率为79.65%。将污泥取回后分为五份，分别以90%、80%、60%、50%的质量比与三种植物秸秆进行充分混合，并留出一份作为空白样品。所用植物秸秆均为河南省本地生长，将收集到的玉米秆、麦秸秆、芦苇杆干燥后用粉碎机进行粉碎，并过筛备用。

1.2 生物炭制备

实验所制生物炭是由污水处理厂的剩余污泥配合植物秸秆在高温下热解而成，整个制备过程在氮气保护的环境下进行，以避免在制备过程中产生误差。

首先称取50g湿污泥于干燥皿中，拟设定每份混合样品的干重为75g，将称量好的污泥和秸秆混合均匀，自然风干后将原样用烘箱在105℃至恒重后密封保存待用。将样品放入马弗炉，通入N2作为保护气，并以15℃/min的速度将炉内温度升至700℃后保温1h进行炭化。随后，将炭化产物取出冷却至室温，称重并真空保存备用。本次试验以KOH粉末为活化剂，将KOH粉状与待活化样品混合均匀后，置于马弗炉中，设定800℃条件下保温1h进行活化后去取出。将制得的样品放入试管中加入15.4%盐酸溶液充分混合搅拌、过滤、洗净后检测上清液进行Cl-浓度，若仍有Cl-则继续清洗，直至检测不出Cl-。

1.3 检测方法

本实验采用重量法对生物炭中所含灰分进行检测分析。测定时，先将灰皿放入马弗炉中，在800℃（±25℃）的情况下灼烧1h后取出立即放入干燥箱中，待其冷却至室温，称取1g，反复灼烧直至其恒重。 接着将粉碎的试样过1.00筛，称取1g，放入灼烧过的灰皿中，于马弗炉中（800±25℃）灼烧约2h，取出后将灰皿置于干燥器中，冷却至室温，迅速称量。以后每灼烧30min。称量一次，直至质量变化不超过0.001g为止。（每次称量精确到0.0002g）

灰分质量按下式计算：

式中: A为灰分质量分数，% ；m2为试样的灼烧后加灰皿的质量，g ；m为灰皿质量，g ；m1为除去水分的试样加灰皿的质量，g。

2 实验结果与分析

结果表明，在麦秸秆、玉米杆、芦苇杆几种辅料中麦秸秆污泥基生物炭的产率最高达29.11%，芦苇杆污泥基生物炭的产率相较于麦秸秆较低，玉米杆污泥基生物炭的产率最低为16.54%。此外在同一种辅料不同配比的植物污泥基生物炭中，配比越高生物炭产率越低。在污泥炭化到活化过程中，重量流失集中在炭化过程，失重约50%～60%。而麦秸秆污泥基生物炭的灰分含量最高，玉米污泥基生物炭的灰分含量最低，这可能是玉米污泥基生物炭产率低的原因。

3 结论

（1）活化：在以KOH为活化剂的化学活化法中，以KOH粉末活化的效果要好于以KOH溶液为活化剂的效果，且提高活化剂的浓度可以增强活化的效果。

（2）产率：玉米杆、麦秸秆、芦苇杆三种辅料中，以麦秸秆为辅料的样品产率最高，达29%，玉米杆为辅料的样品产率最低，为16.5%；随着配料比的增加产率会逐渐下降。

（3）灰分含量：以玉米为配料的样品灰分含量最低，以麦秸秆为配料的样品灰分含量最高。

[1]Fytili D,Zabaniotou A.Utilization of sewage sludge in EUapplication of old and new methods-a review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008,12(01):116-140

[2]Mitsumata N.Recycling of biosolids to agricultural land:environmental policy in the UK[J].Material Cycles & Waste Management Research,2009,(20):22-28

[3]蔡文金.城市污泥处理利用的探索[J].环境工程,1991(04):22-23.

[4]邢伟,张明杰,阎子峰.超级活性炭的合成及活化反应机理[J].物理化学学报,2002(04):340-345.