一种载铁活性炭及其制备方法和应用与流程

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1.本发明涉及有机废弃物资源化处理技术领域，具体涉及一种载铁活性炭及其制备方法和应用。

背景技术：

2.厌氧消化在高效降解有机废弃物的同时产生沼气，且能灭活部分病原菌和寄生虫卵，是一种绿经济的处理方式。然而，传统厌氧消化的反应周期长，甲烷产率低，尤其是对高氮有机废弃物、高有机质高氮有机废水时，常常会发生酸抑制和氨抑制导致产沼效率低下甚至系统崩溃。
3.厌氧消化过程中，厌氧产生过程与产甲烷过程的代谢速度差别较大，导致产酸菌产生的挥发性有机酸不能及时被产甲烷菌代谢，进而导致体系酸积累。近年来，研究发现添加导电材料可以促进种间电子传递而促进甲烷形成，缓解酸积累。这类种间电子传递不是由扩散电子载体介导的，而是由导电材料直接将电子传递给了产甲烷菌。这类微生物之间不需要以氢气、甲酸等电子载体介导的电子传递过程被称为直接种间电子传递(简称：diet)。载铁活性炭表面负载了一定量的铁及铁氧化物活性组分，活性位点大大增加，导电性强，增强消化微生物之间的diet从而存进甲烷生成；另外，其具有巨大比表面积和大量丰富官能团，可迅速吸附有机化合物和氨氮，缓解有机酸或氨氮浓度过高对厌氧消化的不良影响，并为活性炭表面的微生物提供降解有机物的条件；同时也可大量吸附厌氧细菌，有效富集产甲烷菌以促进厌氧产气效率。
4.专利cn110182944a提到了在成品颗粒碳上通过共沉淀法负载铁离子。该发明将成品颗粒活性炭浸入到铁盐和亚铁盐溶液中，共沉淀反应一定时间后，对固形物清洗、烘干制得。载铁活性炭的性能受制于成品颗粒炭本身的类型和性能；且该方法制得的载铁颗粒炭中的铁离子未经过高温焙烧，部分铁在吸附实验过程中会从活性炭基体中脱落。
5.中国专利cn107522375a提到了同时添加零价铁和活性炭促进污泥厌氧消化的方法。该发明中的铁粉和活性炭粉按特定比例投入，零价铁在反应器中易发生结块而导致活性受限。
6.中国专利cn111876173a提到将剩余污泥浸渍到fecl3溶液，再用碳酸氢钠中和ph到7.0，该污泥脱水后加入高纯水洗涤后再脱水，重复洗涤三次，再碳化制得载铁碳粉。该发明的制备方法较繁琐，洗涤多次，需消耗大量化学药剂和高纯水。
7.鉴于以上缺陷，本发明提出一种载铁活性炭的制备方法，并将制得载铁活性炭粉加入厌氧消化系统内以促进甲烷产生。

技术实现要素：

8.为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种载铁活性炭的制备方法，对有机废弃物资源化利用，将其制成载铁活性炭，制备方法经济合理，制备流程简单，产品促甲烷产生效果好。此外，本发明还提供一种载铁活性炭，并将其用于厌氧消化反应促进甲
烷产生。
9.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
10.本发明的第一方面，提供一种载铁活性炭的制备方法，包括如下步骤：
11.s1、将含固率为5-25％的有机废弃物直接进行预处理，以去除无机物并破碎形成颗粒均匀的糊状的有机浆料，粒径控制在10mm以下；
12.s2、将有机浆料在搅拌状态下加入三氯化铁进行混合，在室温下搅拌浸渍6-24h，使有机浆料充分吸收三价铁离子，浸渍过程可通过超声波增强浸渍效果；
13.s3、浸渍完成后，用板框式压滤机、高压带式压滤机、立式压榨机、真空压滤机等设备对浆料进行固液分离，得到泥饼；
14.s4、泥饼无需进一步干燥，直接将泥饼挤条塑形以便减少后续在无氧煅烧过程中发生扬尘，将挤条样送入至碳化活化一体炉(多段耙式炉或回转式窑炉)内进行无氧煅烧，无氧煅烧过程中通入氮气进行保护，碳化温度为400-700℃，碳化时间为2-6h，使有机物转化为生物炭，三价铁转化为四氧化三铁，得到碳化物料；
15.s5、碳化物料经冷却、研磨处理后即得载铁活性炭。
16.具体地，所述步骤s2中，有机浆料中干基与三氯化铁的重量比为1：(0.5-2)。加入的三氯化铁可以为粉剂或溶液状态。
17.具体地，所述步骤s3中，浆料经固液分离后，得到泥饼的含固率为50-70％。
18.具体地，所述步骤s3中，浆料经固液分离后得到的过滤液，由于过滤液中含有一定含量的三氯化铁，其可作为铁源重复使用，用于浸渍有机废弃物。
19.具体地，所述步骤s1中，预处理步骤包括但不限于分选去除无机物颗粒(筛分出大颗粒无机物、沉淀去除小颗粒无机物)、经破碎机或制浆机破碎，并加水制浆、采用三相分离设备去除油脂。
20.具体地，所述步骤s1中，有机废弃物可以为有机固体废弃物或有机液体废气物，其包括但不限于市政污泥、畜禽粪便、餐厨垃圾。
21.本发明的第二方面，提供一种载铁活性炭，其由上述任一种制备方法制备而成，所述载铁活性炭为粉状，粒径为10-100目。
22.本发明的第三方面，提供一种载铁活性炭的应用，将上述载铁活性炭用于厌氧消化反应以促进甲烷产生，该厌氧消化系统为市政污泥湿式厌氧、畜禽粪便湿式厌氧、畜禽粪便干式厌氧、餐厨湿式厌氧、厨余湿式厌氧、厨余干式厌氧等各类厌氧消化系统。
23.具体地，载铁活性炭应用步骤如下：
24.(1)将含固率5-25％的有机废弃物经预处理(如筛分、制浆、沉沙除杂、提油等)，得到有机浆料，将有机浆料输送至厌氧反应器内，向厌氧反应器内投加载铁活性炭，载铁活性炭可以为粉料直接投入，也可以配置为20-40％浓度的溶液投入，控制厌氧反应器内载铁活性炭与有机废弃物中干基的重量比为(1-4)：20；
25.(2)厌氧反应器内进行正常厌氧消化处理，无需其他特殊处理，提升沼气产率和沼气中甲烷的含量，促进甲烷的总产率提升10-80％不等。
26.具体地，所述步骤(2)中，经厌氧消化处理过程中产生的消化液排出厌氧反应器，载铁活性炭随消化液一起排出，并且载铁活性炭在水中的溶解率低，经固液分离截留沼渣，沼渣经脱水处理后可进一步作为制备载铁活性炭的原料利用，形成闭环，杜绝沼渣对环境
可能造成的危害；固液分离出的沼液作为废水进行后续处理。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
28.本发明中对有机废弃物资源化利用，将其制成载铁活性炭，该制备方法经济合理、制备流程简单，产品促甲烷产生效果好、且可以减少制备过程产生的各种污染，实现了同类原材料的两种资源化技术(制备载铁活性炭和厌氧消化)，相互结合、相互促进，真正实现了污染物的减量化、无害化、稳定化和资源化。
附图说明
29.下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。
30.图1为本发明中载铁活性炭的制备流程图；
31.图2为本发明中载铁活性炭应用于厌氧消化系统的流程图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例以及附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
33.实施例1
34.一种以有机废弃物-牛粪为原料制备载铁活性炭，并将其应用于牛粪干式厌氧消化系统中，具体操作步骤如下：
35.(1)将牛粪搅拌并调浆得到含水率为20wt％的牛粪浆料；
36.(2)按三氯化铁/牛粪中干基为0.8：1的重量比，在搅拌状态下向牛粪浆料中加入三氯化铁粉剂，在室温下搅拌浸渍反应18h，浸渍过程维持低速搅拌，每隔1小时采用超声波强化浸渍10min，使牛粪浆料充分吸收三价铁离子；
37.(3)将浸渍后牛粪浆料泵入板框式压滤机中，对浆料进行固液分离，压榨到泥饼含水率为38wt％，再将泥饼通过面条机塑型成直径10mm的圆柱形泥条；
38.(4)圆柱形泥条经皮带输送机送入多段式耙式碳化活化一体炉内，10℃/min的升温速率升温到680℃，期间通入氮气保护，碳化活化时间维持4h后出料，物料经间接式换热到80℃出料；
39.(5)碳化后物料送入雷蒙磨进行磨粉筛分，过筛后粒径为50目，制得载铁活性炭成品；
40.(6)将牛粪搅拌并调浆到含水率为10wt％，按照载铁活性炭/牛粪中干基为10wt％的比例投加载铁活性炭，混合浆料送入cstr厌氧反应罐内进行中温厌氧消化。
41.本实施例中，新鲜牛粪的成分含量见表1所示，由牛粪制得的载铁活性炭理化性质见表2所示。
42.表1新鲜牛粪成分含量
43.总固体挥发性物质总氮总有机碳总磷18％81％0.6％15％0.3％
44.表2牛粪制得载铁活性炭理化性质
45.产率ph灰分zeta电位35％7.623％-29mv
46.实施例2
47.本实施例与实施例1相比，主要区别在于：
48.步骤(6)中，按照载铁活性炭/牛粪中干基为5wt％的比例投加载铁活性炭。
49.实施例3
50.本实施例与实施例1相比，主要区别在于：
51.步骤(6)中，按照载铁活性炭/牛粪中干基为15wt％的比例投加载铁活性炭。
52.实施例4
53.本实施例为空白对照组，与实施例1相比，主要区别在于：
54.步骤(6)中，未加入载铁活性炭。
55.对实施例1-4中牛粪干式厌氧消化系统中牛粪厌氧消化产甲烷量进行测定，测试结果见表3。
56.表3牛粪厌氧消化产甲烷量
[0057][0058][0059]
由表3中测试结果可知，与实施例4(空白对照组)相比，实施例1-3中，因加入了载铁活性炭，能够有效提升牛粪厌氧消化过程中沼气产率和沼气中甲烷的含量。
[0060]
实施例5
[0061]
一种以有机废弃物-餐厨垃圾为原料制备载铁活性炭，并将其应用于污泥湿式厌氧消化系统中，具体操作步骤如下：
[0062]
(1)餐厨垃圾经过粗分选、破碎机破碎加水制浆、对浆料筛分、沉沙除杂、加热提油等预处理工序后去除粗大垃圾、沙砾杂物等无法利用物质，再经三相分离设备提取毛油后可得有机液相渣和有机固相渣，分选出含固率为22wt％的有机固相渣作为原材料进行下一工序；
[0063]
(2)按三氯化铁/牛粪中干基为1.2：1的重量比，向含固率22wt％的固相有机渣内加入三氯化铁粉剂，在室温下搅拌浸渍反应24h，浸渍过程维持低速搅拌,使牛粪浆料充分吸收三价铁离子；
[0064]
(3)浸渍后将有机固相渣泵入立式压榨机内，对其进行固液分离，压榨到泥饼含水率为33wt％，再将泥饼通过面条机塑型成直径8mm的圆柱形泥条；
[0065]
(4)圆柱形泥条经皮带输送机送入回转窑式碳化活化一体炉内，碳化活化温度维持640℃，期间通入氮气保护，碳化活化时间3h后出料，物料间接式换热到80℃出料；
[0066]
(5)碳化后物料送入雷蒙磨进行磨粉筛分，过筛后粒径为30目，制得载铁活性炭成品；
[0067]
(6)将含水率为80wt％污泥稀释到含水率为90wt％，经170℃、30分钟热水解反应并降温，在送入厌氧消化罐之前，按照载铁活性炭/污泥中干基为8wt％的比例投加载铁活性炭，混合浆料送入cstr厌氧反应罐内进行中温厌氧消化。
[0068]
本实施例中，餐厨垃圾的成分含量见表4所示，由餐厨垃圾制得的载铁活性炭理化性质见表5所示。
[0069]
表4餐厨垃圾主要组成成分
[0070]
成分水分油脂生活垃圾固体有机物合计含量82％3-4％5％9-10％100％
[0071]
表5餐厨垃圾制得载铁活性炭理化性质
[0072]
产率ph灰分zeta电位38％7.125％-27mv
[0073]
实施例6
[0074]
本实施例与实施例5相比，主要区别在于：
[0075]
步骤(6)中，按照载铁活性炭/污泥中干基为5wt％的比例投加载铁活性炭。
[0076]
实施例7
[0077]
本实施例与实施例5相比，主要区别在于：
[0078]
步骤(6)中，按照载铁活性炭/污泥中干基为12wt％的比例投加载铁活性炭。
[0079]
实施例8
[0080]
本实施例为空白对照组，与实施例5相比，主要区别在于：
[0081]
步骤(6)中，未加入载铁活性炭。
[0082]
对实施例5-8中污泥湿式厌氧消化系统中污泥厌氧消化产甲烷量进行测定，测试结果见表6。
[0083]
表6污泥湿式厌氧消化产甲烷量
[0084][0085]
由表6中测试结果可知，与实施例8(空白对照组)相比，实施例5-7中，因加入了载铁活性炭，能够有效提升污泥湿式厌氧消化过程中沼气产率和沼气中甲烷的含量。
[0086]
综上，本发明中对有机废弃物资源化利用，将其制成载铁活性炭，该制备方法经济合理、制备流程简单，产品促甲烷产生效果好、且可以减少制备过程产生的各种污染，实现了同类原材料的两种资源化技术(制备载铁活性炭和厌氧消化)，相互结合、相互促进，真正实现了污染物的减量化、无害化、稳定化和资源化。
[0087]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限
制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

技术特征：

1.一种载铁活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将有机废弃物进行预处理，以去除无机物并破碎形成颗粒均匀的有机浆料；s2、将有机浆料与三氯化铁进行混合，在室温下搅拌浸渍6-24h；s3、浸渍完成后，将浆料进行固液分离，得到泥饼；s4、将泥饼挤条塑形，并进行无氧煅烧，无氧煅烧过程中通入氮气进行保护，碳化温度为400-700℃，碳化时间为2-6h，得到碳化物料；s5、碳化物料经冷却、研磨处理后即得载铁活性炭。2.根据权利要求1所述的载铁活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，有机浆料中干基与三氯化铁的重量比为1：(0.5-2)。3.根据权利要求1所述的载铁活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，浆料经固液分离后，得到泥饼的含固率为50-70％。4.根据权利要求1或3所述的载铁活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，浆料经固液分离后得到的过滤液，可作为铁源重复使用。5.根据权利要求1所述的载铁活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，预处理步骤包括分选去除无机物颗粒、破碎制浆、去除油脂。6.根据权利要求1所述的载铁活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述有机废弃物包括市政污泥、畜禽粪便、餐厨垃圾。7.一种载铁活性炭，其特征在于，其由权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备而成，所述载铁活性炭为粉状，粒径为10-100目。8.一种载铁活性炭的应用，其特征在于，将权利要求7中的所述载铁活性炭用于厌氧消化反应以促进甲烷产生。9.根据权利要求8所述的载铁活性炭的应用，其特征在于，具体应用步骤如下：(1)将有机废弃物经预处理，并输送至厌氧反应器内，向厌氧反应器内投加载铁活性炭，控制厌氧反应器内载铁活性炭与有机废弃物中干基的重量比为(1-4)：20；(2)厌氧反应器内进行厌氧消化处理。10.根据权利要求9所述的载铁活性炭的应用，其特征在于，所述步骤(2)中，经厌氧消化处理过程中产生的消化液排出厌氧反应器，经固液分离截留沼渣，沼渣经脱水处理后可作为制备载铁活性炭的原料利用。

技术总结

本发明公开了一种载铁活性炭及其制备方法和应用，包括如下步骤：S1、将有机废弃物进行预处理，以去除无机物并破碎形成颗粒均匀的有机浆料；S2、将有机浆料与三氯化铁进行混合，在室温下搅拌浸渍6-24h；S3、浸渍完成后，将浆料进行固液分离，得到泥饼；S4、将泥饼挤条塑形，并进行无氧煅烧，无氧煅烧过程中通入氮气进行保护，碳化温度为400-700℃，碳化时间为2-6h，得到碳化物料；S5、碳化物料经冷却、研磨处理后即得载铁活性炭。其对有机废弃物资源化利用，将其制成载铁活性炭，制备方法经济合理，制备流程简单，产品促甲烷产生效果好。产品促甲烷产生效果好。产品促甲烷产生效果好。