市政污泥热解制备生物炭实验研究

生物炭是有机物质在缺氧或贫氧气氛下经热裂解过程产生的固体产物^[1]目前对生物炭的研究兴趣源于对亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的认识,亚马逊盆地黑土含有丰富的生物炭,多年耕种后,仍保持持久肥力^[2].研究表明,生物炭是稳定的碳载体,在土壤中可保持长达百年至千年之久,土壤中施用生物炭可提高土壤中有机碳以及腐殖质含量,从而提高土壤的养分吸持容量及持水容量^[3-4].     

城市污泥厌氧发酵残渣热解制备生物炭及其氮磷吸附研究

以污泥发酵前后的残渣热解制备生物炭,考察发酵前后污泥生物炭的物理性能及其对氨氮、总磷的吸附能力。实验结果表明污泥发酵有利于生物炭孔隙结构的发展,污泥发酵后制备的生物炭(FSBC)比表面积、孔体积均高于未发酵污泥制备的生物炭(SBC)。吸附实验结果表明,对于磷酸盐的吸附,3种材料吸附能力大小为 FSBC > SBC > CAC,对于氨氮的吸附,吸附能力顺序为CAC > FSBC > SBC,污泥发酵后制备的生物炭对氨氮和总磷的吸附能力较未发酵污泥生物炭明显增强。对于实际废水中氮、磷的吸附,其去除率顺序均为CAC > FSBC > SBC,其中CAC和FSBC对总磷的去除率分别为31%和27%,对氨氮的去除率则分别为7%和4%。FSBC与CAC对总磷和氨氮的去除率相差不大。FSBC作为污泥资源化得到的低成本吸附剂,有广阔的研究前景。     

脱水污泥-松木共热解生物炭的制备及吸附性能

以脱水污泥(含水率80%)和松木的混合物为原料共热解制备生物炭。研究了松木掺混比、热解温度对生物炭产率和BET比表面积(SBET)的影响,采用元素分析、工业分析和扫描电镜比较了单独热解及共热解生物炭的元素组成和表面形貌。结果表明,生物炭产率随着松木掺混比的增加而提高,随着热解温度的升高而下降。2种原料共热解存在明显的协同效果:松木提高了生物炭的碳元素含量,污泥的水分具有一定的活化作用,生物炭表面粗糙程度增加、SBET扩大。当松木掺混比为60%、热解温度为750℃时,生物炭SBET达到最高的213.4 m2/g。此外,生物炭对水中苯酚的吸附符合准二级动力学,等温吸附过程能用Freundlich模型描述。     

污泥衍生生物炭研究进展

介绍了污泥处理处置的现状,分析了污泥热解工艺以及其他工艺的优缺点,说明了污泥热解污泥衍生生物炭制备过程的影响因素。重点综述了污泥衍生生物炭在污泥物催化降解、电化学储能和转化等全新领域的潜在应用,讨论了污泥中无机小分子和金属氧化物等成分对生物炭功能特性的影响。最后提出了污泥衍生生物炭实际应用所面临的问题,并对未来作出展望。     

热解温度对污泥生物炭稳定性及养分淋溶特性影响

以市政污泥为原料,在300、500、700 ℃ 条件下热解制备得到污泥生物炭。采用碱液吸收法测定生物炭在培养环境下的CO₂释放速率以表征其降解速率,并采用预测模型计算得到生物炭的半衰期。以去离子水为浸提剂考察了生物炭中可溶性养分含量及其淋溶特性。结果表明:在300~700℃范围内,较高温度下制备的生物炭降解缓慢,稳定性更强,可在自然环境中长期存在,具有更好的固碳效果;较低温度下制备的生物炭中水溶性氮、水溶性钾含量更高,但水溶性磷含量更低;生物炭中养分的淋溶效果与其可溶性养分含量一致,较低温度下制备的生物炭的淋溶液中水溶性氮、水溶性钾含量较高,水溶性磷含量较低。     

污泥-玉米秸秆热解制生物炭及其对Pb~(2+)的吸附特性

开展了脱水污泥单独热解及其与玉米秸秆共热解(泥秆质量分别为9∶1,8∶2,5∶5)制备生物炭吸附剂的研究。采用元素分析、扫描电镜和比表面积仪对4种生物炭的理化特性及微观形貌进行了全面分析。结果表明,在相同热解温度下,随着玉米秸秆掺杂量的增加,生物炭产率及灰分含量降低,全碳含量增加,pH值略有下降,生物炭比表面积和总孔体积增大,棒状残焦分布量增多,孔结构更加发达。生物炭对Pb⁽²⁺⁾的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程分为快反应和慢反应两个阶段,吸附实验前10 min的吸附量达到饱和吸附量的80%以上。Dubinin-A模型较好地描述了生物炭对Pb(2+)的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程分为快反应和慢反应两个阶段,吸附实验前10 min的吸附量达到饱和吸附量的80%以上。Dubinin-A模型较好地描述了生物炭对Pb⁽²⁺⁾的等温吸附行为,4种生物炭对Pb(2+)的等温吸附行为,4种生物炭对Pb⁽²⁺⁾的饱和吸附量大小依次为:SSMT50%(44. 8 mg/g)> SS-MT20%(38. 1 mg/g)> SS-MT10%(30. 7 mg/g)> SS(21. 7 mg/g),表明污泥-玉米秸秆生物炭有作为重金属Pb吸附剂的潜力。     

不同粒径污泥热解制备生物炭及其特性分析

以3种不同粒径污泥为原料,采用固定床反应器在500℃下制备生物炭。考察了3种不同粒径污泥的热解特性及其生物炭中重金属的分布特征,并运用TCLP对污泥及其生物炭的重金属浸出毒性进行了系统研究。结果表明,随着污泥粒径的增大,热解生成的生物炭和热解气产率均有所降低,而焦油产率则逐渐升高;在3种不同粒径污泥热解过程中,重金属除As外主要富集在固体产物生物炭中,相对富集系数均高于90%。随着污泥粒径的增大,污泥中Cu、Zn和Ni的含量增加,而Cr和Pb的含量则减少;虽然3种不同粒径污泥制备的生物炭中重金属的浸出规律不一致,但是污泥热解可以有效抑制重金属的浸出。生物炭中除As和Zn外其他重金属元素的浸出率均低于3.0%。     

热解时间对污泥生物炭活化过硫酸盐的影响研究

污泥热解制备生物炭是一种污泥有效处理处置与资源化利用方法。通过控制热解时间,调控污泥生物炭表面的活性位点,改变过一硫酸盐（PMS）体系中的活性物种组成,可实现环丙沙星（CIP）的高效降解。研究发现,热解温度为700℃、热解时间为120 min时,污泥生物炭具有较高的PMS活化性能,对CIP的去除率近90%。机理探究表明,¹O₂在体系中发挥主要作用。C==O、吡咯氮和—OH位点有利于¹O₂产生,C—O、吡啶氮、晶格氧和Fe位点促进·OH和SO₄^·-释放,石墨氮可促进PMS活化产生SO₄^·-。     

不同热解温度下禾本科植物生物炭理化特性分析

以禾本科植物王草、水稻秸秆、甘蔗渣和玉米秸秆为原料,在厌氧条件下于300、500和700℃制备王草炭(I)、水稻秸秆炭(R)、甘蔗渣炭(S)和玉米秸秆炭(M),研究了不同热解温度对生物炭结构及组成的影响.研究结果表明:随着热解温度升高,4种生物炭产率下降,300℃时I、R、S和M的产率分别为45.81％、48.67％、...     

城市污泥生物炭的制备及应用研究进展

综述了我国城市污泥的处理现状,为了实现城市污泥的资源化利用,比较分析了制备城市污泥生物炭的三种方法(常规热裂解法、微波热解法和水热炭化法)的优缺点,结合污泥生物炭的理化性质特征,研讨了污泥生物炭在土壤改良剂、储能材料、吸附材料以及催化剂等领域的应用研究现状,以期为污泥生物炭的应用前景奠定理论基础。最后对污泥生物炭未来的研究方向以及可能应对的挑战做出了展望。     

Agricultural use of sewage sludge and its regulation

Sewage sludge is waste for which the most positive outlet must be sought whilst, at the same time, making use of its qualities. In view of its organic matter and other nutrients content, it may be thought that the best system is to use it for agricultural purposes, although the load of heavy metals it may bear with it proves to be the main obstacle involved. Since it is a heterogeneous material whose composition depends on various factors, the content of such metals in sewage sludge will be highly variable. Thus it becomes necessary to always analyze sewage sludge before directing it towards agricultural use and also to know the heavy metal content of the soil where it is applied already so as to adjust this agronomical practice to the limits as set by current legislation in force. The provisions of law must also be complied with when certain substances deemed toxic or dangerous are present in sewage sludge. The purpose of all this is to prevent possible soil pollution and other kinds of risk involved in accumulation in the food chain.     

市政污泥中低温气化及重金属迁移转化特性

利用管式炉进行了污泥CO₂气化实验,并与N₂热解实验进行对比,系统研究了污泥中低温气化及重金属迁移转化特性。研究发现：热解过程中各可燃气体释放速率峰值出现的时间顺序为CO峰 < H₂次峰 < CH₄峰≈C_nH_m峰 < H₂主峰,气化过程中为CO主峰 < CH₄峰≈C_nH_m峰 < H₂主峰 < CO次峰。在450~550℃的区间内,气化和热解的冷煤气效率、样品失重率及残渣含碳量均相近,温度超过550℃冷煤气效率差距逐渐增大,温度超过700℃,样品失重率及残渣含碳量差距逐渐增大。气化温度为850℃时,冷煤气效率达87%。在450~700℃的区间内,气化残渣中Cr、Ni、Cu、Zn、As、Pb的残留率均随温度增加呈缓慢降低的趋势,在700~850℃区间,上述重金属的残留率下降较快。Cd的残留率在450~550℃区间缓慢下降,550~700℃区间快速降低,700~850℃区间缓慢降低。气化残渣中Cr、Ni、Zn、As、Cd的稳定形态所占比例相较于污泥原样明显提高,而Pb、Cu的稳定形态所占比例与污泥原样相近。污泥中温（700℃）气化时,冷煤气效率约为50%,气化残渣中Cr、Ni、Cu、Zn、As的残留率约为高温（850℃）下的1.2倍,Pb约为2.7倍,Cd为7.5倍,残渣中各重金属的稳定形态比例与高温时接近,环境危害性小。     

模拟酸雨对污泥中重金属元素的淋洗作用研究

采用人工土柱淋溶试验方法,在不同pH值（2．9,5．0）的模拟酸雨作用下,对添加上海曲阳堆肥污泥的滩涂土壤进行了为期50天相当于3年降雨量的淋溶试验,研究了污泥中重金属Cd,Cr,Cu,Ni,Pb,Zn的溶出情况及其对环境可能产生的影响。结果表明,添加污泥的混合土壤中重金属的溶出量随着污泥比例的增加而逐渐增加,但当污泥添加用量控制在50％以内,淋溶渗滤液中6种重金属的含量均未超过农田灌溉水质标准,不会对环境产生不利影响。     

粒径对餐厨沼渣热解制备生物炭中磷和重金属的影响

以3种粒径餐厨沼渣为原料,在600℃下热解制备生物炭,研究粒径对沼渣（BR）及生物炭（BRC）中磷和重金属的影响,并采用TCLP浸出毒性和重金属潜在生态风险评估对其安全性进行系统研究。结果表明：BR及BRC中的磷主要以酸溶态磷（HCl-P）为主,残渣态磷（Res-P）次之,其余磷形态含量较低,总磷含量均呈现出随粒径增大而降低的趋势。热解促进H₂O-P、NaHCO₃-P和NaOH-P向HCl-P和Res-P转化。随着粒径的增大,BR中Cu、Zn总量增加,Cr减少,BRC中的Cr、As总量增加,Zn、Pb减少。并且BR中Cr、Zn、Pb和As中可氧化态和残渣态F3+F4随粒径增大而减少;BRC中Cr、Pb、As中F3+F4随粒径增大而减少,而Cu、Zn、Cd与之相反。TCLP浸出毒性和重金属潜在生态风险评估结果表明BR及BRC中重金属均属于低风险水平。     

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。     

Research on combustion characteristics of bio-oil from sewage sludge

Combustion characteristics of bio-oil from sewage sludge were investigated using thermogravimetry (TG) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) techniques. The combustion process could be divided into two weight loss stages. Light compounds volatilized and were oxidized in the first stage and the heterogeneous combustion between oxygen and heavy compounds happened in the second stage, which were confirmed by FT-IR technique. Most weight loss occurred in the first stage. The effect of heating rate was also studied and higher heating rates were found to facilitate the combustion process. The kinetic parameters of the two stages were calculated and the change of activation energy indicated higher heating rates benefited combustion.     

污泥含炭吸附剂的制备工艺优化及性能表征

采用先活化剂浸泡活化在干燥热解炭化的化学活化法制备污泥含炭吸附剂.实验结果表明,有机污泥在活化温度为450℃、ZnCl2药剂和干泥质量比为0.7:1、活化时间为1.5 h、锯末添加剂投加量为2%的条件下,制得的含炭吸附剂碘值在510 mg/g以上,收率>60%,比表面积>390 m2/g.由扫描电镜观察可见孔径分布以微孔和中孔为主.