一种含铁城市污泥的全资源化处理方法与流程

本发明属于固废资源化处理技术领域，具体涉及一种含铁城市污泥的全资源化处理方法。

背景技术：

工业废弃地土壤中的铬污染主要来源于铬工业，如铬盐生产、冶金、电镀、制革、印染、制药、纺织、颜料等。铬在土壤中主要以cr(iii)和cr(vi)两种价态存在，其中cr(vi)是对人体危害最大的八种化学物质之一，是一种典型的高迁移性、高毒性重金属，有严重致癌和致突变危害。

近年来，化学固化技术引起了铬污染场地修复研究者的广泛关注，其通过加入修复剂与重金属发生反应，使高毒性、高活性的重金属最终以低毒性的形态固定于土壤中，因此不少学者致力于修复农用地污染土壤重金属铬的钝化剂的研究。然而，现有技术中的钝化剂大多为化学合成类钝化剂，长期使用，其在一定程度上改变了原来的土壤结构，造成原土壤肥力破坏，对土壤微生物或植物生长产生抑制，而且还存在二次污染等问题。因此，急需开发新型绿色的钝化剂。

在这方面，污泥基铁掺杂碳材料最近已成为铬污染土壤修复领域的研究热点，由于污泥里面具有能够转化成fe-nx配合物的化学环境。尤其是城市污泥(以下简称“污泥”)，它是城市污水处理之后产生的(半)固态废弃物。这类污泥中除含有大量的含氮有机物外，还包括大量病原微生物、重金属(例如fe)等有害物质，因此这类污泥具有环境和资源双重属性。

目前污泥转化为铁掺杂碳材料的工艺均存在耗能高等特点。例如专利cn106076256a公开了采用“500～900℃进行热解碳化-热还原”的方式，制得纳米fe(0)-多孔污泥碳材料，但由于工艺耗能高等问题，部分污泥没有得到有效的处理处置。专利cn111646547a公开了于600～800℃高热解温度下，获得了污泥衍生自掺杂铁、氮物种碳材料，同样存在上述问题。因此，急需开发简单、节能、高效、无资源浪费的污泥资源化为铬污染土壤修复钝化剂的技术。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种含铁城市污泥的全资源化处理方法。该方法工艺简单、成本低、见效快、处理量大、能够有效处理污泥，可实现大规模连续化工业化生产，获得可以用于土地利用的含腐植酸产品，可以用于农用、氯化、草地、土壤改良、土壤修复、矿山修复等，实现污泥资源化利用，变废为宝。且采用该方法制备的fe-n-c可以高值化为铬污染场地修复的钝化剂，大幅度提升铬污染场地的修复效率。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的fe-n-c材料。

本发明的再一目的在于提供上述fe-n-c材料作为铬污染土壤修复钝化剂的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种含铁城市污泥的全资源化处理方法，包括如下处理步骤：

(1)将含铁城市污泥经脱水后与氯化剂混合均匀，然后于250～400℃在惰性气氛下进行焙烧热解处理；

(2)在步骤(1)热解处理后的固体物料中加水进行物理沉降，上层悬浮物经分离烘干，得到fe-n-c材料；下层残渣经干燥得到可以用于土地利用的含腐植酸产品。

优选的，步骤(1)中所述含铁城市污泥为厌氧污泥、好氧污泥、剩余污泥等城市污泥中的一种或两种以上的混合。

优选的，步骤(1)中所述脱水后的水循环回用至步骤(2)的物理沉降过程中。

优选的，步骤(1)中所述氯化剂为氯化钠、氯化钙、氯化钾中的一种或两种以上的混合。

优选的，步骤(1)中所述氯化剂的混合量为脱水后污泥质量的1％～20％。

优选的，步骤(1)中所述焙烧热解处理的温度为350℃，焙烧热解处理的时间为2h。

优选的，步骤(2)中所述物理沉降过程中水的加入量为步骤(1)脱水后污泥质量的100％～500％，最优选水的加入量为脱水后污泥质量的200％～240％。

优选的，步骤(2)中所述物理沉降的时间为30～60min。

优选的，步骤(2)中所述烘干及干燥后的冷凝水循环回用至物理沉降过程中。

一种fe-n-c材料，通过上述方法制备得到。

上述fe-n-c材料作为铬污染土壤修复钝化剂的应用。

本发明原理为：在氯化剂的作用下，利用污泥中的二氧化硅等无机物相易与氯化剂(如氯化钠)在一定温度下发生化学反应生成硅酸盐(如na2sio3)和盐酸(hcl)，随后形成的hcl能够将污泥中含铁无机矿物中的铁离子(fe³⁺)发生解离，继而污泥中的含氮有机物迅速捕获离解的fe³⁺形成fe-nx络合物。形成fe-nx络合物进一步跟污泥中的其他脂肪烃碳化形成具有fe-n-c结构的碳材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的处理方法突破了城市污泥乃至其它有机污泥处理的技术瓶颈，提供一种含有铁等金属元素的污泥可行的处理方案。

(2)本发明的处理方法能够处理各类城市污泥，实现污泥的资源化及减量化处理和处置，能够实现污泥中有机物及无机物资源的全回收，所得碳材料的回收率较高。

(3)本发明的处理方法工艺简单、成本低、见效快、处理量大，能够有效处理污泥中有毒有害物质，可实现大规模连续化工业化生产，实现污泥资源化利用，变废为宝。

(4)本发明的处理方法制备的fe-n-c材料可作为铬污染土壤修复钝化剂应用，可大幅度提升铬污染场地的修复效率。

附图说明

图1为本发明实施例中一种含铁城市污泥的全资源化处理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中所得fe-n-c材料的sem图；

图3为本发明实施例1中所得fe-n-c材料的xps全谱图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种含铁城市污泥的全资源化处理方法，其流程示意图如图1所示，包括如下处理步骤：

(1)取适量污水厂脱水干化后的污泥(含水率在50％以下)，通过离心分离器脱水。

(2)将5g脱水后污泥与0.05g氯化钠混合均匀后，装入刚玉方舟后置于热解炉内350℃氮气气氛下焙烧2h。

(3)在热解的固体中加入10.1g步骤(1)脱水产生的回用水，搅拌均匀后静置40min后分层。

(4)下层残渣干燥后得到可以用于土地利用的含腐植酸产品，可以用于农用、氯化、草地、土壤改良、土壤修复、矿山修复等。

(5)上层悬浮液过滤干燥后得到fe-n-c材料，并将其作为铬污染土壤修复钝化剂应用。

本实施例所得fe-n-c材料的sem图及xps全谱图分别如图2和图3所示。

本实施例的处理方法得到含腐植酸产品(产率为40.3％)和fe-n-c材料(产率为53.1％)等较高附加值的化工产品。所得fe-n-c材料应用于铬污染土壤的修复：称取铬污染土样50g于刚玉坩埚中，加入2gfe-n-c材料混合均匀，在微波功率700w条件下处理10min。铬污染土壤的铬含量(cr(vi)，mg/kg)从修复前的210.35减少到31.02。(备注：产率＝各组分产物的质量/脱水后污泥的质量)。

实施例2

本实施例的一种含铁城市污泥的全资源化处理方法，其流程示意图如图1所示，包括如下处理步骤：

(1)取适量污水厂脱水干化后的污泥(含水率在50％以下)，通过离心分离器脱水。

(2)将5g脱水后污泥与0.5g氯化钠混合均匀后，装入刚玉方舟后置于热解炉内350℃氮气气氛下焙烧2h。

(3)在热解的固体中加入11g步骤(1)脱水产生的回用水，搅拌均匀后静置40min后分层。

(4)下层残渣干燥后得到可以用于土地利用的含腐植酸产品，可以用于农用、氯化、草地、土壤改良、土壤修复、矿山修复等。

(5)上层悬浮液过滤干燥后得到fe-n-c材料，并将其作为铬污染土壤修复钝化剂应用。

本实施例的处理方法得到可以用于土地利用的含腐植酸产品(产率为39.8％)和fe-n-c材料(产率为56.2％)等较高附加值的化工产品，所得fe-n-c材料应用于铬污染土壤的修复：称取铬污染土样50g于刚玉坩埚中，加入1gfe-n-c材料混合均匀，在微波功率700w条件下处理10min。铬污染土壤的铬含量(cr(vi)，mg/kg)从修复前的210.35减少到32.21。

实施例3

本实施例的一种含铁城市污泥的全资源化处理方法，其流程示意图如图1所示，包括如下处理步骤：

(1)取适量污水厂脱水干化后的污泥(含水率在50％以下)，通过离心分离器脱水。

(2)将5g脱水后污泥与1.0g氯化钠混合均匀后，装入刚玉方舟后置于热解炉内350℃氮气气氛下焙烧2h。

(3)在热解的固体中加入12g步骤(1)脱水产生的回用水，搅拌均匀后静置40min后分层。

(4)下层残渣干燥后得到可以用于土地利用的含腐植酸产品，可以用于农用、氯化、草地、土壤改良、土壤修复、矿山修复等。

(5)上层悬浮液过滤干燥后得到fe-n-c材料，并将其作为铬污染土壤修复钝化剂应用。

本实施例的处理方法得到可以用于土地利用的含腐植酸产品(产率为42.2％)和fe-n-c材料(产率为57.3％)等较高附加值的化工产品，所得fe-n-c材料应用于铬污染土壤的修复：称取铬污染土样50g于刚玉坩埚中，加入0.5gfe-n-c材料混合均匀，在微波功率700w条件下处理10min。铬污染土壤的铬含量(cr(vi)，mg/kg)从修复前的210.35减少到31.24。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。