[发明专利]一种提高污泥厌氧消化过程产甲烷量及增强重金属稳定化过程的方法

说明书

技术领域

本发明属于环境技术保护领域,具体涉及合成一种活性炭负载纳米MnO颗粒的功能材料,并把此材料添加到污泥中温厌氧消化过程中,研究添加功能材料后对污泥厌氧消化过程中重金属形态及产气的影响。

背景技术

伴随国内城市废水排放量的增加,产生出大量的剩余污泥并排放到自然环境中.截至2010年9月,我国已建成污水处理厂2630座,日污水处理能力达到1.2×10⁸ m³, 每天产出约11.2×10⁷t的干污泥，并且产污泥量预计以每年10%的速率增长。因此如何科学的处理处置污泥是环境领域急需解决的问题之一。污泥减量-稳定化-污泥的资源利用成为污泥处置技术的主要发展趋势，资料统计我国约有80%的污泥未经稳定化处理，造成严重的环境污染。污泥的稳定化处置方式主要有好氧堆肥、厌氧消化、干化焚烧等。污泥中含有大量的营养有机质及植物生长所必需的微量元素，如N、P、K等，因此污泥厌氧消化+土地利用成为污泥稳定化处理与资源化再利用的主要方式。

污水处理过程中重金属及易吸附转移到污泥中而具有潜在的生态风险。研究这发现重金属对环境的危害不仅与其总量有关，更大程度上取决于其化学形态和生物有效性， 即总量相同但形态不同的同一种金属会对引发不同的环境风险。厌氧消化后污泥总体积减少且产生能源气体甲烷，因此厌氧消化发展为污泥处理处置的主要方式。但是污泥中有机质含量有限且炭氮比（C/N）较低，导致厌氧消化过程中挥发性脂肪酸（VFA）和氨氮量的大量堆积，降低甲烷菌的活性，影响污泥厌氧消化的效率。为了进一步降低污泥厌氧消化后重金属的生物有效性且提高能源气体甲烷的产量，还需要进一步采取有效措施。

通过添加高含炭物质（比如生物炭合成材料）调节污泥的C/N比，即污泥和高含碳物质进行联合厌氧共消化，可以有效平衡有机质比例和增加微生物可降解生物量，提高甲烷产气量。生物炭（Biochar）是生物质在缺氧或绝氧条件下，经高温热解碳化后产生的一类高度芳香化、难溶性固态物质。生物炭由性质稳定的芳香族化合物组成，因此具有较高的生物和化学稳定性。生物炭不仅含有大量的炭，还含有较丰富的K（Kalium）、P（Phosphrous）、Mg (Magnesium) 等元素；生物炭具有较大的比表面积，表面结构中含有大量裸露的碱性官能团（-OH，COOH-，-O-，-COO-）等；生物炭可能含有对微生物催化或抑制的物质，比如其释放的乙烯可作为微生物抑制剂。因此生物炭即可作为土壤改良剂、高含炭来源，也可作为金属络合剂，肥料缓释载体等，已被证实具有良好的环境效应，广泛用于土壤修复、水体污染治理、固炭减排等，被科学界冠以“黑色黄金”的美誉。锰氧化物MnO具有强氧化性，可通过氧化分解、氧化偶合等方式与重金属发生反应。而且研究发现相同比表面积的锰氧化物和铁氧化物，锰氧化物和重金属之间可形成更加稳定的金属络合键。 因此锰氧化物被广泛应用于水体净化，重金属吸附和土壤改良等方面。本发明以秸秆为原材料，经过高温无氧裂解后生成秸秆活性炭，进一步对秸秆活性炭进行化学改性，合成负载MnO纳米颗粒的活性炭（BC-MnO）功能材料。基于活性炭和锰氧化物各自本身特性，并结合厌氧消化微生物活性特征和重金属稳定化过程，把活性炭功能材料添加到污泥厌氧消化过程中，可以有效提高污泥厌氧过程的甲烷产气量，并且改性后的活性炭功能材料，可以络合重金属，加速污泥中重金属的稳定化过程，降低金属生物有效性和土地利用的风险性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高污泥厌氧消化过程中甲烷产气量、降低污泥中重金属的生物有效性的方法。

本发明提出的一种提高污泥厌氧消化过程甲烷产气量同时增强重金属稳定化过程的方法，具体步骤如下：

（１）以玉米秸秆为原材料，在氮气保护下，550℃～600℃温度下热解3.5h，制得玉米秸秆活性炭（BC），以玉米秸秆活性炭为载体，通过与高锰酸钾溶液反应，得到负载MnO纳米颗粒的活性炭功能材料(BC-MnO)；经蒸馏水多次洗涤、风干后研磨并过100目筛，得到污泥重金属稳定化增强剂；对于重金属含量高的污泥，（BC-MnO）的量可适当添加，但不能超过3%，否则不利于污泥厌氧消化进程；