剩余污泥微波热解技术研究进展

剩余污泥的产量大,处理处置费用高,已成为困扰污水处理厂的难题。在惰性条件下热解剩余污泥生成生物油、生物气以及污泥生物炭等产物,可实现能量和资源的同步回收,应用前景极为广阔。本文总结了目前对于污泥特性、热解温度、升温速率、微波吸收剂、化学添加剂、载气对剩余污泥微波热解的影响的研究,并探讨了污泥热解机制,为微波热解剩余污泥提供了关键技术的参数,利于提高污泥热解效率,优化热解产物品质,为促进污泥微波热解系统化、产业化提供技术支持。同时指出了污泥微波热解受限于微波热解设备,致使其处理投资成本高及处理量小,为污泥微波热解工业化提出了巨大的挑战。最后展望了污泥微波热解的发展趋势及应注重攻克的关键问题。     

Study of the kinetics of sewage sludge pyrolysis using DSC and TGA

Thermogravimetry and differential scanning calorimetry were used to examine, in nitrogen, four sewage sludges at modest heating rates. A mechanism consisting of two independent reactions was derived for an undigested sludge. The parameters are: n₁ = 10, E₁ = 130 kJ mol^?1, A₁ = 1 × 10¹⁸s^?1, n₂ = 15, E₂ = 250 kJ mol^?1, A₂ = 1 × 10²⁵s^?1, with initial weight fractions of W₁ = 0.20, W₂ = 0.43, the remainder being non-reactive ash. Analysis was performed by comparing Friedman multiple-heating-rate analyses of experimental and model curves in an iterative manner. DSC experiments provide an understanding of the pyrolytic reaction mechanism and heat transfer in the thermogravimetric analyser. DSC analysis of sewage sludge was sensitive to decomposition reactions of small quantities of organic salts in the sludge. Sewage sludge could be a profitable pyrolysis feedstock if mixed with municipal solid waste.     

热解技术资源化处理城市污泥的研究进展

热解技术作为一种新兴热化学处理技术,能将废弃物转化为稳定多用途可利用能源,二次污染小,近年来在污泥处理领域得到国内外的关注。本文介绍了污泥热解技术的基本原理,并按照热解目的产物的形态进行分类,分别从固、液、气相目的产物3个方面对相关污泥热解技术特点和产物特性进行了综述,介绍了国内外理论研究的发展概况,并对目前主要工程应用进展及相关联用工艺和新型工艺发展趋势进行讨论,同时探讨了热解技术在城市污泥处理领域下一步可能的发展方向。     

城市污泥流化床中低温空气气化及重金属迁移特性

利用自行搭建的流化床热态实验装置，系统研究了污泥的中低温气化及重金属迁移特性。研究表明，对冷煤气效率和碳转化率影响最大的是气化温度，其次是空气当量比，而一二次风配比和流化数影响较弱。污泥中低温气化的焦油产率较之高温气化明显增加。随着二次风占比和空气当量比的提高，焦油产率单调下降。气化温度由600℃升至850℃，冷煤气效率和碳转化率均呈升高趋势；空气当量比由0.2升至0.4，冷煤气效率呈先升高后下降的趋势，在0.3时达到最大值，而碳转化率则呈单调升高趋势。随着气化温度的升高，污泥中重金属转移至产气、焦油及飞灰的迁移率升高。随着空气当量比的升高，Ni、Cu的迁移率降低，Cr升高，Cd、Zn、As和Pb等其他重金属的迁移率几乎不变。     

磷在污泥热解过程中的迁移转化

采用SMT方法研究磷在热解产物中的赋存形态和分布。结果发现,热处理促进污泥中有机磷（OP）向无机磷（IP）转化。热解温度在800℃以下时,污泥中的磷富集在热解后的污泥固体中。随热解温度升高,污泥中全磷（TP）、无机磷（IP）和磷灰石无机磷（AP）的含量均表现出逐渐升高的趋势,非磷灰石无机磷（NAIP）含量则表现出先升高再降低的趋势。热解温度升高会促使NAIP向AP转化,800℃时AP含量达到最大。污泥中NAIP的主要存在形式为磷酸铝盐和磷酸铁盐,磷酸钙盐含量随温度的升高逐渐增加。污泥中正磷酸单酯和焦磷酸盐受热转化为正磷酸盐,热解后的污泥中磷基本以正磷酸盐的形式存在。该结论为污泥的无害化、资源化利用提供了理论支持。     

剩余污泥热解及其残渣综合利用的研究进展

对国内外污泥热解工艺和热解机理进行了综述,从元素组成、孔结构分布和酸度3个方面总结了热解残渣的结构特点,介绍了其作为吸附剂用于吸附水中的金属离子、染料、COD及气流中的SO2和H2S等的研究进展,指出热解工艺是污泥资源化很有发展前景的一种处理方法。     

污水污泥气化焦油热解特性的研究

利用热重分析方法,对由5种不同性质污泥在气化温度600℃、700℃和800℃下进行外热上吸式固定床空气气化时制得的9种污泥气化焦油的热解特性进行了研究.结果表明:9种气化焦油热解时均分为3个阶段,分别是水和低沸点有机物的挥发、有机物挥发分解以及残余物分解.污泥厌氧消化和污水处理工艺中的厌氧过程均使800℃下制得的气化焦油中低分子有机物含量增加,但对第二阶段挥发的轻质及重质非极性有机物总含量的影响很小,且使气化焦油的热解特性变差.气化温度对未消化污泥气化焦油热解时第一和第二阶段失重率的影响变化规律与消化污泥气化焦油的不同,且气化焦油的热解特性优于污泥热解焦油.热解动力学研究表明,9种气化焦油热解机理函数彼此不完全相同,且热解活化能均较低,具有良好的热解特性.     

城市污泥慢速热解过程中氮的转化规律

利用热重-质谱联用(TG-MS)技术研究城市污泥慢速热解特性及含氮气体产物的生成规律,同时利用原位红外光谱仪实时检测固体表面官能团的变化。研究结果表明:初沉污泥在500℃之前热解已基本完成,二沉污泥由于添加了矿物质盐类,在700℃左右仍有一个较大的失重峰;二沉污泥热解过程HCN和NH₃总生成量均小于初沉污泥,即二沉污泥所加矿物质抑制了HCN和NH₃释放;但温度大于400℃时所加矿物质对HNCO生成具有一定促进作用;污泥中蛋白质热分解会产生环酰胺类物质、含氮杂环化合物和腈类物质,并最终转化为HCN,这是污泥热解过程中HCN的主要来源;400℃以下NH₃主要来自铵盐分解和HCN转化,蛋白质热分解对于NH₃生成贡献很小;400℃以上基本检测不到NH₃生成,即较高温度下挥发分二次反应对NH₃生成几乎没有影响;300~480℃,污泥中木质素裂解产生了大量含氧自由基,促使HCN转化为N₂O,HNCO则最终转化成了NO。     

微波裂解污泥固态产物吸附染料的影响因素研究

本文以微波裂解污泥固态产物为研究对象,全面研究其吸附伊红、番红两类酸、碱染料模拟废水的影响因素.研究表明:微波裂解污泥固态产物对酸性染料的吸附效果更佳,对伊红及番红染料废水的最佳吸附pH值分别为3和8,吸附平衡时间分别为320min、490min,属于吸热的物理吸附过程,吸附效果随固态产物用量的增加而显著增加.以上特点为固态产物活化后用作吸附剂奠定基础.     

微波辐射下污泥残渣催化甲烷裂解制氢

采用石英管固定床反应器,在微波加热条件下分别研究了不同功率、气氛条件、粒径以及进口甲烷浓度对污泥残渣催化甲烷裂解反应的影响。结果表明,污泥残渣对甲烷裂解反应具有良好的催化活性;增加微波功率和减小粒径均能够有效提高甲烷转化率;污泥残渣在不同气氛条件下表现出不同的温度特性,其中氮气和氢气氛围内的温度明显高于甲烷气氛中,表明甲烷裂解过程中气氛条件是影响反应进行的因素之一;进口甲烷浓度越高,甲烷的转化率越大。反应前后污泥残渣电镜扫描分析及物性参数的比较表明,甲烷裂解后产生的大量积炭覆盖在污泥残渣表面,导致比表面积降低、平均孔径增大,表明污泥残渣活性降低的原因可能与积炭覆盖表面,导致甲烷分子无法与活性中心接触所致。     

不同温度区间内污泥热解气固相产物特征

对城市污水污泥（简称污泥）进行工业分析和热重分析,考察污泥的基本组成和热重特性;采用气相色谱（GC）检测了不同热解温度区间内污泥热解生成的气体产物成分,并利用SEM和BET分别分析了不同热解终温下裂解炭的形貌特征和比表面积。结果表明：污泥热解可以分为水分析出阶段、挥发分析出阶段和焦炭化阶段;不同热解温度区间内污泥热解气体产物的组成有很大差别,热解温度350℃后H₂在热解气中的含量快速增加,CH₄含量在350～450℃时达到最大值,而CO主要在热解温度为350～750℃时生成,CO₂含量随着热解温度的增加迅速下降;随着热解终温的不断升高,裂解炭结构变得越来越疏松,比表面积也随之增大,750℃达到最大值55 m²·g^-1。     

污泥热解过程中多环芳烃排放规律

研究了不同温度（350~1050℃）下污泥热解过程液、气、固三相产物中16种多环芳烃（PAHs）排放规律。结果表明,PAHs趋向富集于液相产物中,其次为气相产物,在液相产物中检测到所有16种PAHs,650℃液相产物中16种PAHs（∑₁₆PAHs）总质量比最高,为96%;750℃气相产物中∑₁₆PAHs质量比最高,为21.3%以上;固相产物中PAHs含量极少,仅在650℃时达1%。所有温度下液相产物中2、3和4环PAHs均占据主导地位,∑_2,3,4环PAHs质量比达95%以上,850℃时液相产物中∑EPA-PAHs含量最高,达15.25 mg·kg^-1。气相产物主要以萘（NaP）、苊烯（Acp）、芴（Flu）和蒽（Ant）PAHs为主,未检测到高环PAHs。在高温热解阶段,污泥大分子结构裂解到达高峰,伴随产物的二次断裂、合成、环化等反应,气相产物中∑_低PAHs生成含量达到最高7.248 mg·kg^-1。不同温度下污泥热解产物中PAHs的毒性当量（TEQ）变化规律与其生成量变化基本一致,在850℃时液相产物中PAHs的TEQ最高达1.129。     

污水污泥裂解油中多环芳烃的分析

引言在一些发达国家,污水污泥热裂解技术作为能量回收型污泥处理技术已经进入商业应用阶段,其裂解产生的液体燃料能直接用于柴油机车,并与石油提炼厂生产出来的石油低级馏出液相似     

氮气气氛下城市污水厂污泥热解特性

为了解城市污水厂污泥在氮气气氛下进行热解的特性,利用热重分析结合傅立叶红外光谱等方法对长沙某污水厂干燥污泥进行了研究。实验结果表明,在15℃/min和30℃/min的升温速率下,干燥污泥存在3个阶段的失重过程,结合FITR谱线可知,每一阶段的失重都有CO2和水析出。同时对实验数据进行了处理,采用微分法确定了热解反应的机理方程,并求出反应动力学参数活化能E和频率因子A。     

基于微波诱导定向加热的污泥新型热解方法能耗分析

针对现有污泥热解技术耗时耗能、炭性能受限等难题，提出微波诱导协同热解的新型技术思路，即仅先用常规初级热解获得微波强化吸收的热解基体，再用微波诱导其高能位点效应，以期低能耗制备较高性能的污泥炭。对样品进行介电特性、工业分析等多种测试，在简要分析并验证该思路可行的基础上，探寻其能耗机制，以期为实际应用提供参考。结果表明，通过常规700℃热解10 min的热解基体，介电特性提高约22%，可在微波900 W中5 min升高到平均900℃；不仅提高炭性能，而且比常规700℃热解60 min节能省时达50%以上，这主要归因于对热解过程整体用时的显著缩减与微波能的高效利用。研究思路为低能耗制备高附加值污泥炭奠定工艺应用基础，有望实现污泥大规模资源化处置。     

生物质流化床快速裂解模型

研究了流化床内的生物质快速裂解模型,其特点是考虑了原料粒子在下部密相区和上部稀相区的不同反应历程.模型的计算结果表明,原料粒子和产物气体在反应器内的停留时间有较大的区别,其变化情况对裂解产物的分布有很大影响.由该模型得到的计算结果能和实验值很好吻合,表明它能较好地描述流化床反应器内生物质快速裂解的反应过程.结合计算数据对影响裂解结果的一些因素进行了分析.     

不同来源污泥热解油中多环芳烃分布特征

分析了4种不同来源污泥的热解油中16种EPA-PAHs生成分布,并探讨了污泥原样中自由赋存PAHs和污泥泥质特性（碳含量、H/C摩尔比、O/C摩尔比及挥发分含量等）的影响。结果表明,4种来源污泥热解油中均不同程度包含16种EPA-PAHs,∑EPA-PAHs含量分布次序为：工业印染污泥热解油（21.72 mg·kg^-1）>生活污泥热解油（14.10 mg·kg^-1）>造纸污泥热解油（13.72 mg·kg^-1）>食品污泥热解油（5.48 mg·kg^-1）,且以低环（2R）和中环（3R和4R）PAHs为主,其总量占∑EPA-PAHs的95%以上。热解油中PAHs含量高低与污泥自身赋存的自由PAHs含量具有一定关联;泥质特性对热解油中EPA-PAHs含量分布也呈现了不同程度影响,随着污泥泥质特性变化,3R和4R-PAHs含量变化规律较相似,均在碳含量为30.96%、H/C摩尔比为1.1、O/C摩尔比为0.33和挥发分为35.5%时达到最高水平;2R-PAHs含量在碳含量为20.75%、H/C摩尔比为1.44、O/C摩尔比为0.6和挥发分为46.3%时达到最高水平。     

城市污水污泥催化快速热解制备芳香烃和烯烃

将城市污水污泥干燥处理,在小型热解分析系统中使用沸石分子筛进行催化快速热解实验,研究热解条件对芳香烃和烯烃产率及选择性的影响。结果表明：污泥快速热解产物中,烃类物质和含氮化合物较多,这些组分主要源自污泥中的蛋白质和油脂成分;添加催化剂后,芳香烃和烯烃的产率明显提高;在热解温度500℃、催化温度600℃条件下芳香烃和烯烃的产率分别为24%和19%。另外,污泥中大部分的N、P、Na和K等元素依然保留在炭粉中。     

Use of sewage sludge for manufacturing adsorbents

This paper demonstrates that digested sludge can be reclaimed as an adsorbent for the removal of organic vapors (MEK, TOL and TCE) through the use of a pyrolysis. The manufactured adsorbent products were characterized by Brunauer, Emmentt and Teller (BET) surface area, carbon tetrachloride activity (ANSI/ASIM D3467–76'), and an elemental analysis test. Both the determination of CCl₄ activity and BET surface area were regarded as the useful means for estimation of the adsorption capacity of organic vapors on the reclaimed adsorbents. From the view point of specific surface area (CCl₄ activity number or adsorption capacity), it was concluded that the optimum condition for manufacturing the reclaimed adsorbent was by adding 5 kmols/m³ ZnCl₂ to the treated sludge and then heating the mixture at 550°C for 1 hour.