[发明专利]一种两步式硫掺杂污泥生物炭的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种两步式硫掺杂生物炭的制备方法及应用，其制备过程为：采用剩余污泥作为原料，烘干粉碎后将其与硫元素混合均匀，先使用高温高压的反应釜在烘箱内水热炭化，再置于管式炉中在N₂氛围下热解，取出后粉碎过筛得到硫掺杂污泥生物炭。本发明制备的硫掺杂污泥生物炭具有较高的比表面积、丰富的孔隙结构，可活化过硫酸盐PMS产生环境持久性自由基（EPFRs）高效降解水中的抗生素，实现了剩余污泥的资源化利用，且制备过程简单，绿色环保，适用于水处理中抗生素的去除。

技术领域

本发明属于剩余污泥资源化利用及水体中抗生素的去除技术领域，具体涉及一种两步式硫掺杂污泥生物炭的制备方法及应用。

背景技术

大多数抗生素被排放到污水中，当抗生素进入水体后，会影响水生植物的生长，导致水生生物慢性中毒。通过食物链进入人体时，会使人体产生耐药性，并且严重影响人体的各种生理功能。因此，迫切需要开发从环境中去除抗生素的方法。

随着我国污水处理设施逐渐普及，污泥产量大幅度增加，污泥处理问题日益突出。污泥含有大量有毒有害物质，但同时也具有丰富的有机质，常见的污泥处置方式如填埋和焚烧不仅会造成二次污染，同样也是资源的浪费。选择合适的处理处置方法，实现污泥的全处置和资源化的合理利用是当务之急。

污泥制备生物炭能够达到减量化和无害化的目的，并且具有比表面积大，表面官能团丰富等优点，常被用于去除水中污染物。利用杂原子掺杂的方法对生物炭进行改性可以更好的活化过一硫酸盐（PMS），增加环境持久性自由基（EPFRs）的浓度，具有较好的降解潜力。其中，EPFRs可以活化PMS产生多种活性氧种类（ROS），包括SO₄^•-、•OH、O₂^•-和¹O₂。因此，EPFRs的浓度越高，PMS的活化效果越好，从而产生更多的ROS高效降解抗生素。此方法操作简单，成本低，对于去除水体中抗生素的效果较好。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种两步式硫掺杂污泥生物炭的制备方法，该方法在实现剩余污泥资源化利用的同时能够用于降低水体中抗生素浓度，并极大程度解决抗生素水污染问题。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种两步式硫掺杂污泥生物炭的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：污泥的预处理及硫掺杂试剂的负载

将市政污水处理厂经机械脱水干燥产生的剩余污泥取回，筛选出明显杂质后置于烘箱中于80℃烘干48-72h，干燥后的污泥使用破碎机粗粉碎后经100目筛网筛选，再将剩余污泥原料加入去离子水中，然后添加硫掺杂试剂硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃）并置于磁力搅拌器上搅拌6-8h，搅拌速率为700-900r/min，反应结束静置等待沉淀后倒去上清液，于80℃烘干8-12h并粉碎至100目得到硫元素负载污泥生物质；

步骤S2：硫掺杂污泥生物炭的制备

将步骤S1得到的硫元素负载污泥生物质置于聚四氟乙烯内衬中，并加入去离子水，再将聚四氟乙烯内衬放置在密闭高压水热反应釜中，然后将反应釜置于烘箱中于220℃加热2h，反应结束后放置室温，将样品取出静置沉淀后倒出上清液，于80℃烘干4-8h后得到水热炭，将水热炭放入盖式坩埚中并置于管式炉中进行热解，热解前通过重复三次抽真空注入N₂的方法排出管内O₂，热解过程中持续注入N₂，气体流速为25-50mL/min，直至反应结束，热解温度依次为300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃和900℃，该过程中控制升温速率为10℃/min，对应温度的热解时间均为2h，最终得到的产物使用研钵粉碎后经100目筛网筛选得到硫掺杂污泥生物炭。

进一步限定，步骤S1中所述剩余污泥与去离子水的投料比例为1g:20mL，所述硫掺杂试剂硫代硫酸钠与剩余污泥的投料质量比为1:1-1:3。