一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法技术

本发明专利技术公开了一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法。本方法要解决目前存在的针对污水营养物去除、烟气脱硫脱硝等生物处理过程因缺乏碳源而去除效能受限的问题，旨在通过以蛋壳为原料合成支架材料、以污泥发酵液为碳源制备“磁可分”缓释碳源的新工艺，最终使得生物处理过程中拥有高效、经济、可行的新型外加碳源。方法：一、制备污泥样本、蛋壳粉体样本和超顺磁性铁氧体材料；二、热碱法预处理污泥样本；三、高温焙烧预处理蛋壳粉体；四、超声辅助法制备以蛋壳为原料的复合改性磁性钙基水滑石支架材料；五、利用支架材料吸附预处理污泥厌氧发酵所产的挥发酸制备得该磁性缓释碳源。

A method of preparing magnetic release carbon source with municipal sludge and eggshell as raw materials

The invention discloses a method for preparing magnetic release carbon source by using urban sludge and eggshell as raw materials. The method to solve the existing problems in wastewater nutrient removal, desulfurization and denitrification of flue gas and other biological treatment process due to the lack of carbon source and the removal efficiency is limited, aims to eggshell synthesized scaffold and sludge fermentation liquid as the carbon source of new technology of preparing \magnet can be divided into\ carbon source, model carbon source makes the final biological treatment process with high efficiency, economical and feasible. Methods: 1. Preparation of sludge samples, eggshell powder samples and superparamagnetic ferrite materials; two, thermal alkaline pretreatment of sludge samples; three, the high temperature calcination of eggshell powder; four, ultrasound assisted preparation of the eggshell as raw material of composite modified calcium based magnetic hydrotalcite scaffold; five, the use of scaffolds prepared pre volatile acid adsorption of the magnetic carbon source sludge produced by anaerobic fermentation.

【技术实现步骤摘要】
一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法
本方法涉及一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法。适用于生物处理过程中因缺乏电子供体（碳源）需要外加碳源，属于水处理

技术介绍
目前，生物法普遍用于环境污染治理，如污水营养物去除和生物烟气脱硫脱硝过程。在进行生物处理时，因缺乏电子供体（碳源）通常需要外加易降解碳源，但是此类处理普遍存在着“时效性差、成本高昂、运行管理复杂、达标排放困难”等问题。磁性缓释碳源的主要技术要求是在能够缓慢稳定释放有机碳源的同时还可以最大程度的回收重复使用。因此，探寻高效、经济可行的新型有机碳源是一项紧迫的环境污染治理任务，对生态安全和社会经济可持续发展意义重大。城市剩余污泥是污水处理过程中的伴生产物，是污水中污染物的浓缩体，若不加以处理和控制，将会对环境造成严重的二次污染。在城市污水处理厂建设力度逐步加大的同时，污泥产生量也随之激增，目前全国高达77%的污泥采用填埋和外运，15%采用土地处置。根据国家“十二五”规划要求，《全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》（国办发[2012]24号）内容强调，到2015年，全国城镇污泥无害化处理处置率达到70%以上。然而《我国城镇供水排水行业发展情况报告》内容显示，我国的污泥处理处置设施建设严重滞后，污泥年产量高达1.12千万吨，有80%的处理方法是对环境有害的，污泥所造成的污染与再污染问题已经再一次凸显出来。近年来，最大程度回收循环利用资源成为污泥处置的研究热点，污泥中蕴含着十分丰富的有机质，经过厌氧水解酸化可以获得大量的溶解性小分子有机物和高浓度挥发性脂肪酸（VFAs），研究发现，VFAs是生物脱氮除磷过程的重要电子供体，相比较单一碳源，富含VFAs的污泥发酵液为碳源具有更高的脱氮除磷速率。因此，以污泥发酵液作为碳源材料，寻求合适的支架材料制备缓释碳源是一项具有重要研究价值的工作。近年来，禽蛋类的消费一直居高不下，但针对其废物利用的却很少。其中蛋壳除了具有价格低廉和产量丰富的特点外，还具有良好的生物相容性和环境友好性。若能以蛋壳为原料合成水滑石支架材料，以污泥发酵液为碳源制备外加缓释碳源，不仅可以实现废弃物资源化利用，对于进一步提高生物效能，以及技术工程化均有十分重要的指导意义。
技术实现思路
本专利技术目的通过用热碱法对城市剩余污泥进行发酵预处理产生挥发酸VFAs（小分子碳源），以蛋壳为原料采用超声辅助法生成的磁性水滑石支架材料对污泥发酵液中的小分子碳源进行吸附实现生物处理过程中高效、经济、可行的新型外加缓释碳源的制备。本专利技术要解决的技术问题如下：（1）为了能够得到更加经济有效的小分子碳源，污水处理过程中产生的剩余污泥在资源化利用中，需要控制最佳发酵条件以获得最高的降解效率来获得挥发酸VFAs（小分子碳源）。（2）为了实现污水处理中外加碳源的可控回收，需要对以蛋壳粉体为原料制备的钙基水滑石进行改性，使之具备磁性。（3）在本方法对城市污泥发酵处理后产生的挥发酸VFAs（小分子碳源）进行吸附时，需要找到最佳的吸附时间。以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法，具体是按照以下步骤进行的：（1）将剩余污泥经100目筛筛滤后，静置24~30h后弃去上清液，置于4℃冷藏保存备用，即得到污泥样本；收集生鸡蛋壳若干，人工去除壳膜后超声清洗20~40min，40~60℃烘干24~30h，经粉碎机粉碎后经60目筛筛滤，即得到蛋壳粉体样本；将相同摩尔质量的FeSO4•7H2O和Fe2(SO4)3配置成溶液，并加入到锥形瓶中，将该锥形瓶置于恒温水浴锅中控制温度为40~50℃，并剧烈搅拌10~15min，随后滴加氨水调节pH至10~12，将所得溶液陈化所得沉淀反复洗涤至中性待用，即得到超顺磁性铁氧体材料；（2）将MLSS为8~10mg/L的污泥样本均匀投入反应器中，在连续搅拌的条件下，加入碱，调节pH至10~12，然后用锡纸封口，放入恒温水浴箱在80~100℃下加热60~90min后，在25~35℃的恒温振荡器中厌氧发酵3~5d；（3）利用马弗炉在空气气氛下对之前所制得的蛋壳粉体样本高温焙烧40~60min，得到蛋壳粉体预处理产物；（4）将一定质量主要成分为CaO的蛋壳粉体预处理产物加入到含有蒸馏水的锥形瓶中搅拌形成乳浊液，并将此乳浊液超声分散25~35min，得到主要成分为Ca(OH)2的乳浊液待用，按照Ca、Fe的摩尔质量比为2∶3称取相应质量步骤（1）中的超顺磁性铁氧体材料待用，按照Ca、Al的摩尔质量比在2∶1至4∶1之间称取相应质量的AlCl3粉体配成溶液待用，并依次向上述Ca(OH)2乳浊液锥形瓶中投加上述待用超顺磁性铁氧体材料和上述待用AlCl3溶液，超声反应2~3h，将反应所得液体静置30~50min后将沉淀洗涤过滤干燥即得磁性水滑石支架材料；（5）将步骤（4）制备的支架材料按照5~20mg/mL的投加比置于步骤（2）中发酵好的混合液中，在温度为20~40℃，转速为100~140rpm/min的恒温振荡箱中进行吸附，吸附充分后用磁铁将吸附后的磁性水滑石支架材料进行回收，即得该新型磁性缓释外加碳源。本专利技术的有益成果是：本专利技术采用热碱法对剩余污泥进行发酵预处理，能有效实现污泥破壁，提高后续产酸效率，完成了小分子碳源的制备。并以蛋壳为原料，采用超声辅助法合成水滑石支架材料，通过用超顺磁性铁氧体材料对制备的材料进行复合改性，有效解决了该材料使用后不易回收的难题。将该磁性水滑石支架材料置于污泥发酵液中，使之对发酵液中的挥发酸VFAs（小分子碳源）进行吸附即制得磁性缓释碳源。该方法转变了城市污水厂剩余污泥和蛋壳长期以来被视作负担的传统认识，还能在为污水生物处理过程提供碳源补充的同时达到以废治污的目的。同时，以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源，还解决了外加碳源的控释和支架材料的回收难题，这一思路，国内外尚无先例。附图说明图1为磁性缓释碳源的制备步骤示意图。图2为以蛋壳粉体为原料制备的磁性水滑石支架材料XRD表征图。图3为以蛋壳粉体为原料制备的磁性水滑石支架材料SEM表征图。图4为以蛋壳粉体为原料制备的磁性水滑石支架材料在不同投加量下对污泥发酵液中的挥发酸VFAs（小分子碳源）吸附效率折线图。图5为利用磁性回收该磁性缓释碳源效果图。具体实施方式为更好地理解本专利技术，下面结合附图和实例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术要求保护的范围不局限于实例所阐述的范围。具体实施方式一：本实施方式以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法，具体是按照以下步骤进行的：（1）将剩余污泥经100目筛筛滤后，静置24~30h后弃去上清液，置于4℃冷藏保存备用，即得到污泥样本；收集生鸡蛋壳若干，人工去除壳膜后超声清洗20~40min，40~60℃烘干24~30h，经粉碎机粉碎后经60目筛筛滤，即得到蛋壳粉体样本；将相同摩尔质量的FeSO4•7H2O和Fe2(SO4)3配置成溶液，并加入到锥形瓶中，将该锥形瓶置于恒温水浴锅中控制温度为40~50℃，并剧烈搅拌10~15min，随后滴加氨水调节pH至10~12，将所得溶液陈化所得沉淀反复洗涤至中性待用，即得到超顺磁性铁氧体材料；（2）将MLSS为8~10mg/L的污泥样本均匀投入反应器中，在连续搅拌的条件下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：（1）将剩余污泥经100目筛筛滤后，静置24~30h后弃去上清液，置于4℃冷藏保存备用，即得到污泥样本；收集生鸡蛋壳若干，人工去除壳膜后超声清洗20~40min，40~60℃烘干24~30h，经粉碎机粉碎后经60目筛筛滤，即得到蛋壳粉体样本；将相同摩尔质量的FeSO4•7H2O和Fe2(SO4) 3配置成溶液，并加入到锥形瓶中，将该锥形瓶置于恒温水浴锅中控制温度为40~50℃，并剧烈搅拌10~15min，随后滴加氨水调节pH至10~12，将所得溶液陈化所得沉淀反复洗涤至中性待用，即得到超顺磁性铁氧体材料；（2）将MLSS为8~10mg/L的污泥样本均匀投入反应器中，在连续搅拌的条件下，加入碱，调节pH至10~12，然后用锡纸封口，放入恒温水浴箱在80~100℃下加热60~90min后，在25~35℃的恒温振荡器中厌氧发酵3~5 d；（3）利用马弗炉在空气气氛下对之前所制得的蛋壳粉体样本高温焙烧40~60min，得到蛋壳粉体预处理产物；（4）将一定质量主要成分为CaO的蛋壳粉体预处理产物加入到含有蒸馏水的锥形瓶中搅拌形成乳浊液，并将此乳浊液超声分散25~35min，得到主要成分为Ca(OH) 2的乳浊液待用；按照Ca、Fe的摩尔质量比为2∶3称取相应质量步骤（1）中的超顺磁性铁氧体材料待用；按照Ca、Al的摩尔质量比在2∶1至4∶1之间称取相应质量的AlCl3粉体配成溶液待用，并依次向上述Ca(OH) 2乳浊液锥形瓶中投加上述待用超顺磁性铁氧体材料和上述待用AlCl3溶液，超声反应2~3h，将反应所得液体静置30~50min后将沉淀洗涤过滤干燥即得磁性水滑石支架材料；（5）将步骤（4）制备的支架材料按照5~20mg/mL的投加比置于步骤（2）中发酵好的混合液中，在温度为20~40℃，转速为100~140 rpm/min的恒温振荡箱中进行吸附，吸附充分后用磁铁将吸附后的磁性水滑石支架材料进行回收，即得该新型磁性缓释外加碳源。...

【技术特征摘要】
1.一种以城市污泥和蛋壳为原料制备磁性缓释碳源的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：（1）将剩余污泥经100目筛筛滤后，静置24~30h后弃去上清液，置于4℃冷藏保存备用，即得到污泥样本；收集生鸡蛋壳若干，人工去除壳膜后超声清洗20~40min，40~60℃烘干24~30h，经粉碎机粉碎后经60目筛筛滤，即得到蛋壳粉体样本；将相同摩尔质量的FeSO4•7H2O和Fe2(SO4)3配置成溶液，并加入到锥形瓶中，将该锥形瓶置于恒温水浴锅中控制温度为40~50℃，并剧烈搅拌10~15min，随后滴加氨水调节pH至10~12，将所得溶液陈化所得沉淀反复洗涤至中性待用，即得到超顺磁性铁氧体材料；（2）将MLSS为8~10mg/L的污泥样本均匀投入反应器中，在连续搅拌的条件下，加入碱，调节pH至10~12，然后用锡纸封口，放入恒温水浴箱在80~100℃下加热60~90min后，在25~35℃的恒温振荡器中厌氧发酵3~5d；（3）利用马弗炉在空气气氛下对之前所制得的蛋壳粉体样本高温焙烧40~60min，得到蛋壳粉体预处理产物；（4）将一定质量主要成分为CaO的蛋壳粉体预处理产物加入到含有蒸馏水的锥形瓶中搅拌形成乳浊液，并将此乳浊液超声分散25~35min，得到主要成分为Ca(OH)2的...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳秀萍，程琛，周爱娟，赵博玮，汪素芳，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14