基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法及应用，包括以下步骤：将农林废弃物风干至含水率为0.001wt％～20wt％，所述农林废弃物主要为：稻草、麦秆、树叶、树枝、杂草，利用粉碎机粉碎至粒径为0～50mm，然后将尿素或酰胺作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为1:50～1:20的比例混合均匀制备成掺氮农林废弃物；将掺氮农林废弃物在300～600℃下干馏20～60min，然后快速冷却制备成富氮生物炭；将富氮生物炭与含水率为90‑98wt.％污水污泥按重量比为20:1～10:1的比例混合均匀后，制得富含微生物的富氮生物炭；将富含微生物的富氮生物炭替代10～30％厚度的黏土层，填埋场TVOCs的降解效率达96.74％～99.70％。

【技术实现步骤摘要】
基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法及应用
本专利技术属于VOCs降解材料
，更具体地，涉及一种废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法及应用。
技术介绍
挥发性有机物(VOCs)是指熔点低于室温而沸点在50-260℃之间的挥发性有机化合物的总称，主要包括非甲烷脂肪烃、芳香族化合物、含氧有机物、含氯有机物、含氮有机物和含硫有机物等六大类。VOCs是二次气溶胶和臭氧(O3)的重要前驱物，易引起灰霾、温室效应、光化学烟雾和臭氧层破坏等大气污染问题，部分VOCs具有致癌、致畸、致基因突变性及生物累积性。VOCs分为天然源和人为源，其中以人为源造成的污染最为严重。2016年，我国人为源VOCs排放总量达3112万吨。到2020年，实施重点地区、重点行业VOCs污染排放总量要求下降10％以上。垃圾填埋过程是VOCs重要排放源之一。垃圾在填埋场中分层分块填埋、覆土、封场直到稳定的整个过程中，垃圾中可降解有机污染物在微生物作用下经历好氧分解、厌氧分解不产甲烷、厌氧分解产甲烷和稳定产气等阶段产生了大量的填埋气。除了甲烷(CH4，50-60vol.％)和二氧化碳(CO2，40-50vol.％)外，填埋气还含有NH3，SO2，H2S和多种挥发性有机污染物(VOCs，1～2vol.％)。2016年，我国生活垃圾无害化处理量达1.97亿吨，其中填埋处理达1.19亿吨，垃圾填埋处理过程向大气中逸散约220万吨VOCs。垃圾填埋场填埋库区VOCs污染属于敞开式无组织排放面源，产生量大、分布散、持续时间长、影响范围广、收集十分困难，导致VOCs污染物的环境行为变得更复杂。近年来，国内的一些垃圾填埋场正逐渐被居民区包围，北京、南京、上海、广州和杭州等城市垃圾填埋场频繁发生VOCs恶臭扰民事件，直接威胁填埋场周围居民的生存环境与身心健康，已成为垃圾填埋处理技术应用的制约因素。目前，填埋场VOCs降解主要采用生物原位降解的方法，即基于微生物的强大分解能力和快速繁殖特点，利用聚集在覆盖层材料中的微生物群落对垃圾填埋厌氧发酵过程产生的VOCs和无机恶臭组分进行分解。填埋垃圾覆盖层不仅抑制VOCs气体挥发，还增大了微生物和VOCs的接触空间，使VOCs有效降解。填埋覆盖层生物原位降解VOCs技术具有就地处理、源头治理、工艺简单和操作方便等优势。但填埋场生物原位降解技术去除VOCs的效果受到了覆盖层材料、VOCs种类、微生物种类以及环境因素的影响，填埋覆盖层材料的选择直接决定了VOCs原位降解的效果和经济性。目前国内传统的黏土和表层土等覆盖层材料由于受比表面积、孔结构及吸附性能的限制只能降解30-50％的VOCs，其不能从根本上解决垃圾填埋场VOCs污染问题。因此，开发一种孔隙率大、气体吸附能力强、微生物承载量多的经济型覆盖层材料是填埋场VOCs原位生物降解技术的发展方向。农林废弃物是一种可再生的生物能源。据统计，我国每年产生约7亿吨农林废弃物，传统就地焚烧处理易导致雾霾而被禁止，堆肥法易导致恶臭污染而受到限制。农林废弃物干馏制备的生物炭、热解油和热解气是农林废弃物资源化应用的另一条途径。农林废弃物制备的生物炭具有比表面积大、孔结构发达、气体吸附能力强等特点。而活性污泥是污水处理过程产生的主要副产物，具有微生物承载能力强的特点。若将垃圾热解炭的大比表面积、较强的气体吸附能力与微生物承载能力较强的活性污泥有机结合，即可制备出一种比表面积大、孔结构发达、气体吸附能力强和微生物承载量多的经济型覆盖层材料，有望实现垃圾填埋场VOCs的高效原位生物降解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解的封场覆盖层材料，该材料富含微生物和氮源、碳源有利于微生物繁殖，该材料比表面积大，孔隙发达对气体的吸附率高，易降解，本专利技术的另一个目的在于，提供一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法，以农林废弃物和污水污泥为原料，通过孔结构与比表面化学性质定向调控，制备一种富含微生物的富氮生物炭，该方法制备的富含微生物的富氮生物炭具有制备工艺简单、制备成本低，制备的材料比表面积大和孔径发达、微生物承载能力强等特点，本专利技术还有一个目的在于，提供一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法的应用，使用负载微生物的多孔材料覆盖垃圾填埋场填埋库区，吸收挥发出的VOCs，并将其降解为无害气体，实现以废治废的目的。本专利技术的技术方案：一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法，包括以下步骤：S01、原材料的预处理：将农林废弃物风干至含水率为0.001wt％～20wt％，利用粉碎机粉碎至粒径为0～50mm，然后将有机氮作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为1:200～1:20的比例混合均匀制备成掺氮农林废弃物；S02、将步骤S01制备的掺氮农林废弃物在300～600℃下干馏20～60min，然后快速冷却制备成富氮生物炭；S03、富含微生物的富氮生物炭制备：将步骤S02中所得富氮生物炭与含水率为90-98wt.％污水污泥按重量比为20:1～10:1的比例混合均匀后，制得富含微生物的富氮生物炭；S04、富含微生物的富氮生物炭原位降解填埋场VOCs：将步骤S03中所得富含微生物的富氮生物炭替代部分黏土层；前述的制备方法，所述农林废弃物主要为：稻草、麦秆、树叶、树枝、杂草。前述的制备方法，所述步骤S01中的有机氮改性剂为尿素或酰胺。前述的制备方法，所述步骤S03中的污水污泥为城市生活污水或工业污水处理过程中产生的富含微生物的污泥。前述的制备方法，所述污水污泥含有非甲烷营养菌、甲烷营养菌-I型、甲烷营养菌-II型、好氧异养细菌、放线菌、真菌、硫氧化细菌、硫酸盐还原菌。前述的制备方法，所述步骤S04中掺氮农林废弃物为将有机氮作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为3:200～1:20的比例混合均匀制备成的。前述的制备方法，所述步骤S04中的富含微生物的富氮生物炭替代10～30％厚度的黏土覆盖层。前述的制备方法的应用，其步骤如下：将农林废弃物风干至含水率为0.001wt％～20wt％，所述农林废弃物主要为：稻草、麦秆、树叶、树枝、杂草，利用粉碎机粉碎至粒径为0～50mm，然后将尿素或酰胺作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为1:50～1:20的比例混合均匀制备成掺氮农林废弃物；将掺氮农林废弃物在300～600℃下干馏20～60min，然后快速冷却制备成富氮生物炭；将富氮生物炭与含水率为90-98wt.％污水污泥按重量比为20:1～10:1的比例混合均匀后，制得富含微生物的富氮生物炭；将富含微生物的富氮生物炭替代10～30％厚度的黏土层，填埋场TVOCs的降解效率达96.74％～99.70％。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术是以农林废弃物和污水污泥为原料，通过将农林废弃物与有机氮改性剂混合后干馏，并污水污泥调质负载微生物制备成富含微生物的富氮生物炭，具有原料价格低廉、来源广泛和制备工艺简单等特点，有机氮改性剂添加进农林废弃物中，可在农林废弃物干馏过程中提供氮源供微生物繁殖生长，污水污泥添加进富氮生物炭中，可为富氮生物炭负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、原材料的预处理：将农林废弃物风干至含水率为0.001wt％～20wt％，利用粉碎机粉碎至粒径为0～50mm，然后将有机氮作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为1:200～1:20的比例混合均匀制备成掺氮农林废弃物；S02、将步骤S01制备的掺氮农林废弃在300～600℃条件下干馏20～60min后，快速冷却制备成富氮生物炭；S03、富含微生物的富氮生物炭制备：将步骤S02中所得富氮生物炭与含水率为90‑98wt.％污水污泥按重量比为20:1～10:1的比例混合均匀后，制得富含微生物的富氮生物炭；S04、富含微生物的富氮生物炭原位降解填埋场VOCs：将步骤S03中所得富含微生物的富氮生物炭替代部分黏土层。

【技术特征摘要】
1.一种基于废弃物再生的填埋场VOCs原位高效降解碳基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、原材料的预处理：将农林废弃物风干至含水率为0.001wt％～20wt％，利用粉碎机粉碎至粒径为0～50mm，然后将有机氮作为改性剂与粉碎后的农林废弃物按照质量比为1:200～1:20的比例混合均匀制备成掺氮农林废弃物；S02、将步骤S01制备的掺氮农林废弃在300～600℃条件下干馏20～60min后，快速冷却制备成富氮生物炭；S03、富含微生物的富氮生物炭制备：将步骤S02中所得富氮生物炭与含水率为90-98wt.％污水污泥按重量比为20:1～10:1的比例混合均匀后，制得富含微生物的富氮生物炭；S04、富含微生物的富氮生物炭原位降解填埋场VOCs：将步骤S03中所得富含微生物的富氮生物炭替代部分黏土层。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于,所述农林废弃物主要为：稻草、麦秆、甘...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦林波，薛强，万勇，刘磊，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42