污泥水热处理过程中氮元素的迁移转化

采用高温高压反应釜在不同温度下进行了污泥水热实验。主要考察污泥中氮元素在水热过程中的迁移转化以及水热温度的影响,并对水热过程中氮元素的迁移路径进行了系统分析。结果表明,氮元素主要分布在固相和液相产物中,并随着水热温度的升高,分布在液相产物中的氮元素逐渐增加。在水热过程中,污泥中的无机氮形态几乎全部转换为氨氮和硝酸盐氮形态;不稳定性蛋白质氮分解为有机氮和氨氮,有机氮可进一步分解为氨氮;而稳定性蛋白质可转变为吡啶氮、吡咯氮、季氮以及腈氮形态,在较高的水热温度下均可再分解为氨氮。因此,随着水热处理温度的升高,污泥中氮元素逐渐从固相中转移到液相中,在液相产物中主要以有机氮和氨氮形态赋存。     

污泥与高硫煤共水热碳化过程中硫氮形态转化规律

采用高温高压反应釜进行了污泥(SS)和高硫煤(CS)的共水热碳化实验。分别考察了混合比和温度对水热炭中硫氮元素形态转化规律的影响。研究结果表明,经过水热处理后,SS中蛋白质氮(N-A)转化为杂环类氮,CS中吡咯氮(N-5)和吡啶氮氧化物(N-X)转化为吡啶氮(N-6)和季氮(N-Q);SS与CS中硫元素逐渐转化为噻吩硫和硫酸盐。随着CS混合比例和温度的升高,水热炭中含氮芳族杂环(例如N-6、N-5和N-Q)占比增加。另外,随着CS混合比例和温度升高,水热炭中噻吩硫含量分别逐渐增加至22.61%和24.98%;升高温度提高了水热炭中硫酸盐含量,而增加CS混合比例却降低了硫酸盐含量。本研究可为后续SS和CS的资源化清洁利用提供理论基础。     

污水污泥水热炭化过程中磷的迁移转化特性

利用SMT方法研究了污水污泥水热炭化固体产物中磷的赋存形态和分布。结果表明,水热炭化处理可以使污泥中的有机磷（OP）转化为无机磷（IP）。在实验条件范围内,污泥中的磷主要富集在水热焦中（R_TP＞70%）,且主要以无机磷（IP）形态存在。延长水热炭化时间或升高水热炭化温度,污泥中无机磷（IP）和非磷灰石无机磷（NAIP）均呈逐渐升高的趋势,而且水热炭化温度的影响程度显著大于水热炭化时间。水热炭化时间对磷灰石无机磷（AP）的影响不明显,但AP含量随水热炭化温度的升高而略微升高。结合XRD谱图分析发现,105℃烘干污泥中主要存在磷酸铝盐和磷酸铁盐两种含磷化合物;水热炭化处理促使焦磷酸盐转化为正磷酸盐,且磷在水热焦中基本以最稳定的正磷酸盐形式存在。该研究结果可为污泥的资源化利用及从污泥中回收磷资源提供理论参考。     

水热碳化温度对污泥有机氮固液相迁移转化路径影响研究

利用污泥与大豆蛋白研究了不同温度下水热碳化过程中有机氮迁移转化路径和规律,氮元素全过程平衡分析结果表明随着水热碳化温度由150℃升高至240℃,焦炭中残留的氮占污泥总氮比例由68.9%下降至29.8%,焦油中由4.2%升高至35.0%,水溶液中则由18.8%提升至30.4%,含氮气体释放量低于0.02%。原污泥中蛋白质主要转化路径为通过分解转化和水解反应依次产生焦油态胺类、水溶性有机氮、NH₃和NH{}_{\mathrm{4}}^{+},反应程度随温度上升而加深。胺类在高温下通过美拉德、曼尼希等反应形成较稳定的吡咯、吡啶等杂环氮。焦炭中残留的含氮物质包括未分解的蛋白质、杂环氮以及季氮和少量腈类;焦油中的含氮物质为胺类氮和杂环氮,无腈类氮出现;水溶液中以有机氮为主,其次有大量NH{}_{\mathrm{4}}^{+};释放的含氮气体主要为HCN。     

水热处理抗生素菌渣制备固体生物燃料

以生物超胶体形式存在的抗生素菌渣既是一种危害严重的环境污染物又是一种生物质资源,但因高含水且难以机械脱除而制约其处理和高效利用。借助水热技术,抗生素菌渣的沉淀、脱水及干燥性能得以显著改善,获得的固体生物燃料固含率和热值随水热处理温度和历时的增加而增大,但过于苛刻的水热条件易生成焦油甚至发生碳化。在优化的水热条件200℃、30～60 min下,固体生物燃料固含率52%～55%(质量分数,下同)、热值约14 MJ·kg^-1,固体回收率65%～75%。通过部分转化非凯氏有机氮(NKON)为凯氏有机氮(KON)并最终主要以氨氮(NH₄⁺-N)形式进入液相的迁移途径,菌渣中45%以上的氮在水热处理过程中被脱除。经水热无害化处理的抗生素菌渣液体产物的COD高于20×10⁴ mg·L^-1,具备良好的生物气生产潜力。水热技术被证实是针对包括抗生素菌渣在内的生物发酵制药过程残渣无害化处理和资源化利用预处理的有效技术。     

污泥生物炭中氮硫行为及环境效应研究进展

污泥生物炭中氮硫元素含量高,其氮硫行为和环境效应对全球气候变化的影响不容忽视。以往的研究中,研究者往往以富碳生物炭作为主要研究对象,关注碳对全球气候变化的行为和功效,而对氮硫元素的作用关注不够。本文从原始污泥基本性质到其热解过程,再到生物炭的老化,逐步对污泥生物炭整个生命周期内氮硫的行为及其环境效应研究进行综述,并对未来应注重开展的研究方向进行展望,为生物炭中氮硫元素固定、释放及与之关联的环境效应和温室气体排放控制研究提供理论基础。分析表明,污泥中氮元素含量普遍高于硫元素,且热解过程中氮比硫更容易转移至气相产物。氮硫元素随热解温度的增加,在三相产物中的分配都是炭中持续减少,油中先增后减,气中一直增加。高温（＞800℃）条件下,气相中的氮含量高于固相,而硫元素则仍然主要存在于固相中。污泥生物炭老化及其环境效应研究表明,污泥生物炭氮硫元素与土壤的相互作用及其温室效应问题在今后的研究中应引起重视。     

水热耦合厌氧消化技术处理餐厨垃圾沼渣沼液及工艺能耗分析

以水热与厌氧消化耦合工艺作为餐厨垃圾沼渣沼液（digestate of food waste，DFW）的处理过程，探究了DFW处理前后的脱水性能及固、液两相产物的特性，分析了工艺过程中的物质流动、能量输入/输出，并评估了能量平衡的影响因素。结果表明，水热处理改善了DFW脱水性能，降低了脱水后的泥饼产量和含水率。温度是影响水热处理效果的主要因素，处理效果随温度的升高明显提升。当水热温度为200℃时，离心后泥饼的产量和含水率降低最为显著，分别从最初的71.83kg/t DFW和88.43%减小至22.11kg/t DFW和76.30%。此外，水热过程促进了DFW有机物质从固相向液相的转移，通过耦合厌氧消化处理工艺生产甲烷，可以有效地回收液相能量。本研究对整个处理工艺进行了全面的物质和能量衡算。水热处理温度的提高增加了加热能量的输入，但减少了后续热干化过程的能量输入，并增加了DFW液相产物的产甲烷潜力。当水热温度为160℃、保温时间为60min时，水热与厌氧消化耦合工艺净能量输入最少（30.75MJ/t DFW），相比于不采用水热技术处理节省106.48MJ/t DFW。水热过程热能的回收率、脱水后泥饼的含水率、液相产物的产甲烷潜势是影响工艺过程能量净消耗的主要因素，是工艺优化的主要方向。     

含水率及温度对中药渣热解特性影响

中药渣类高含水工业生物质废弃物能源化清洁处理技术开发尤为重要。本工作以中药渣为研究对象,结合热重表征手段,利用固定床对其进行热解特性研究。研究不同原料含水率、热解温度及热解速率下的热解产物产率分布及其成分和特性,及氮元素在气、液、固三相产物中分布规律。结果表明,该中药渣完全热解的温度范围为650~850℃。在此温度范围中升高温度有利于热解过程,提升了热解效率及可燃气品质,可燃气、半焦中的氮元素含量下降,热解油中的含量上升。降低含水率能够提高热解效率,热解油中含氮化合物含量增加,促使氮元素向液相迁移。中药渣烘干的过程中减少了碱金属含量,影响热解油组分。提高热解速率也能一定程度上影响热解产物组分及氮元素分布。本研究可为中药渣热解过程优化及含氮化合物排放控制提供理论基础。     

水热预处理对剩余污泥有机物释放的影响

针对剩余污泥中有机能源利用率低的问题,研究了水热预处理对剩余污泥有机物释放及污泥厌氧消化过程中累积产气量的影响。结果表明:水热处理是一种有效的污泥预处理方法,当水热温度为200℃、水热时间为1 h时,污泥减量度达76.56%,污泥SCOD为原泥的34倍,大大减少了污泥固相有机物含量。经水热处理后,污泥厌氧消化最大产气量为2 950 m L,较原泥提高了69%;厌氧消化后,水热预处理污泥SCOD减少量为原泥的30倍。     

煤与污泥混燃及污染物逸出特性

污泥与煤以一定比例掺烧,有望提高其综合燃烧性,促进污泥的减量化、无害化处理处置及资源化利用。前人对污泥与煤的燃烧及掺烧特性进行了大量的研究,但对燃料中N、S的赋存形态及其对污染物释放的影响,以及污染物在掺烧交互作用中的减排机制尚不清楚。利用热重傅里叶红外联用技术研究了市政污泥与徐州烟煤掺烧综合燃烧性能、交互作用及动力学特性,重点讨论了燃料中N、S赋存形态以及热转化规律。结果表明：污泥与煤掺烧在300～750℃存在显著交互作用,并有利于提高其燃烧性能,随着污泥比例增加,混合样着火温度和燃尽温度逐渐降低。动力学结果表明,掺烧活化能介于两单样之间,掺烧少量污泥的反应机理与煤接近。污泥中N主要以吡咯氮(90.58%)和季氮(9.42%)形式存在,其分解导致大量NH₃及HCN释放;而烟煤中主要以吡咯氮(N-5)的形式存在,其分解主要以NO和HCN逸出;污泥与煤掺烧过程中氮化物排放强度均低于两单样。污泥中S主要为砜硫和非芳香硫类有机硫化合物,其在400℃前分解并释放大量SO₂。而烟煤中S元素主要以硫酸盐(66.24%)、硫铁矿(21.97%)和噻吩硫(1...     

城市污泥/褐煤共水热碳化产物的热化学转化特性及规律研究

污泥和褐煤通过共水热碳化预处理以制备高品质固体燃料,为污泥和低阶煤的有效处理提供了一种可行方案。本研究主要考察了城市污泥(SS)和褐煤(LC)在不同温度下(120,180,240和300℃)进行共水热碳化制得的固相产物(水热炭)的热化学转化特性和规律,包括燃烧、热解和半焦CO₂气化过程,并分析了这些过程中的协同作用。结果表明,共水热碳化预处理对城市污泥和褐煤的热利用行为有显著影响。一方面,共水热碳化处理后的水热炭相对其计算值具有更高的产率、煤化程度、热值等,同时具有更低的灰分含量。另一方面,混合物水热炭在燃烧、热解和半焦CO₂气化过程均表现出一定的协同作用(促进燃烧和热解行为,降低气化活性),且水热温度在240℃附近时,这种作用最为明显。鉴于热解和气化过程的协同效果均低于燃烧过程,共水热碳化产物被认为更适合用于燃烧。这些发现表明,将共水热碳化改性提质处理与后续热化学工艺相结合,对于能源的产生和有机废弃物的利用都有一定的积极意义。     

污泥热水解处理过程重金属的迁移转化与风险评价

通过分析污泥热水解处理过程中重金属含量与形态的变化，考察不同温度（120~200℃）和不同处理时间（15~90min）对污泥中重金属（Cr、Mn、Ni、Cu、Cd、Pb）迁移转化和环境风险的影响，并对污泥热水解过程中理化参数[挥发性固体（VS）、溶解性蛋白质、多糖、溶解性化学需氧量（SCOD）、碱度、NH₄⁺-N和pH]与重金属生物可利用性变化的相关性进行了分析。结果表明，热水解处理后污泥得到有效破解，部分重金属释放进入液相，但大部分重金属仍残留在固相中。固相中Cr和Mn含量在处理温度较高时（≥180℃）较原泥升高，其他重金属含量均低于原泥。热水解处理后大部分重金属（除Pb外）弱酸提取态占比随处理温度升高和处理时间延长呈下降趋势，且处理后污泥中Cr、Ni、Cu、Cd和Pb残渣态占比明显上升。具有生物有效性重金属含量与污泥NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、SCOD、溶解性蛋白质、VS等指标变化有较强相关性。单个重金属生态风险变化与重金属迁移转化密切相关，污泥重金属总潜在生态风险RI在热水解处理后显著降低。     

污泥堆肥工艺除臭保氮的实验研究

以阳江市第一净水厂的污泥和市政园林废弃物为原料进行好氧高温堆肥的实验论证,研究了堆肥过程中臭味和肥效散失的原因以及N元素的变化机理。结果表明,随着温度和p H值的上升,有机氮转化为NH4+-N,进而以氨气的形态挥发是氮元素损失的主要途径,也是臭味的重要来源。堆肥过程中N元素首先由有机氮转化为铵态氮,在反应第七天,铵态氮的含量达到最高,此后由于铵态氮转化为挥发性氮导致氨氮含量呈现波动性降低;而挥发性氮的含量随着温度变化下降趋于平缓。总氮含量由于堆体物料的减少呈现先降低、然后波动上升的趋势,堆肥完成时,总氮含量从初期的20.6 g/kg增加到22.0 g/kg。     

高岭土原位晶化中物料迁移研究

原位晶化工艺就是利用偏高岭土和高岭土中具有化学反应活性的SiO₂和Al₂O₃,作为合成NaY分子筛的硅源和铝源,在碱性条件下水热合成Y型分子筛。通过对碱抽提高岭土组分特性变化的研究,对原位晶化过程中的物料迁移进行了探讨。研究表明,晶化开始时,固相中的活性SiO₂和Al₂O₃快速向液相中迁移,但氧化钠却由液相向固相迁移;随着晶化时间的延长,液相中的硅、铝和钠逐渐减少。     

市政污水污泥水热耦合干化系统能耗模拟

干化+焚烧技术已逐渐成为我国大中城市中心城区污泥的重要处置手段，水热炭化预处理可提高污泥脱水性能，进而降低系统能耗，但对水热+干化污泥预处置过程的能耗分析还鲜有报道。研究了200～260℃下水热炭化预处理污泥的三相产物分布及水热液有机组分构成，在此基础上建立了水热+空气干化系统的能量-质量流模型，并分析了水热条件对系统能耗的影响，最后与空气干化系统、厌氧发酵+空气干化系统能耗进行对比。发现釜内压力为8 MPa,水热反应温度由200℃上升至240℃时，由于水热液中热值较高的有机组分芳香烃、含氮杂环比例明显下降，水热反应釜能耗由184kJ/kg(以原污泥计)降至161 kJ/kg,温度上升至260℃时，由于水蒸气气相分率明显增加及水热液中芳香烃含量回升，能耗上升至278 kJ/kg。受水蒸气气相分率影响，240℃下水热反应能耗随压力升高而降低，压力升至4 MPa后降低趋势迅速放缓。直接空气干化系统在干化空气温度为110℃时，系统总能耗为1 942 kJ/kg;厌氧消化+干化系统由于对沼气进行高效热回收利用，消化时间为10 d时，系统热耗低至212 kJ/kg,总能耗为984 kJ/kg;而...     

有机固体废物好氧处理抑制作用研究进展

有机固废产生量增长甚为迅速,其处理处置备受关注。采用好氧技术处理有机类固体废物时,堆体在高温条件下有机底物降解较为彻底;但受固体物料组成、代谢中间产物、环境因子等因素影响,反应体系有机底物的分解与代谢会受到不同程度的抑制,进而影响好氧处理效果。本文综述了氨氮、脂肪酸、消化温度等各类因素对有机固废好氧生物处理进程的影响,并基于蛋白酶、氧化酶等活性变化以及代谢产物迁移转化规律,剖析了逆境条件下微生物体内酸碱失衡、蛋白质变性、胞内物质过度氧化三方面主要抑制作用机制,比较了接种功能微生物、添加外源试剂对好氧工艺过程的强化作用效果,同时就有机固废好氧生物处理提质增效的研究方向进行了展望。     

燃煤过程中As、Se、Sb释放与迁移规律研究

以安徽淮南煤田深部山西组煤样为研究对象,通过设计不同燃烧温度条件,测定各温度下燃煤产物中有害元素含量,拟合得到As、Se、Sb的释放曲线与释放强度曲线,并对原煤及不同温度条件下燃煤产物中各元素的赋存状态进行分析。结果表明,燃烧温度由500℃升至1 000℃过程中,As、Se、Sb的释放比例逐渐增大,三种有害元素挥发性难易程度顺序表现为Se>As>Sb;不同温度下有害元素释放强度不同,As在700～815℃的区间内出现一个释放强度峰,而Se与Sb的释放强度峰出现在600～700℃阶段;随燃煤温度不断升高,As、Se、Sb的各赋存形态均发生不同程度的迁移及转化,温度升高至1 000℃,As、Se、Sb的固相形态明显降低。     

城市污泥水热脱水处理的工业应用与研究进展

城市污泥是人类生活活动的副产品,对其脱水处理是污泥处置的关键。其中,水热脱水技术由于其能有效提高污泥脱水效率与低能耗等优势,成为污泥减量化与资源化处理的研究热点。文章首先介绍了城市污泥的特点及其处理现状,然后总结了近年来国内外关于污泥水热脱水工艺的发展历程与工业应用情况,并进一步对比分析了污泥水热脱水与其他脱水技术之间的能耗优势。此外,重点综述了污泥水热脱水的影响因素与机理,包括温度、时间、p H等处理条件以及水热过程中污泥水分形态与胞外聚合物(EPS)对污泥脱水性能的影响,并分析了目前机理研究上存在的矛盾与原因。最后对污泥水热脱水的发展前景作出展望,指出通过优化EPS分层提取从而深入分析污泥中各组分在水热过程中的迁移与结构变化是研究污泥水热脱水机理的重要途径。     

硅铝调控与晶种诱导对水热稳定飞灰中重金属的协同影响

研究了选取的粉煤灰、膨润土、高岭土、硅藻土作为外源硅铝调理剂添加与雪硅钙石人工晶种诱导对150℃水热法稳定垃圾焚烧飞灰中重金属Pb、Zn、Cu、Cd、Cr的协同影响。飞灰由于富钙而低硅铝的元素特征,导致其在水热条件下无法直接合成沸石类,Pb的浸出浓度仍然超标;当单一或混合添加硅铝调理剂添加量为10%时,其水热产物中有水钙铝榴石或加藤石生成;提高添加量至30%时,均有目标雪硅钙石的生成,这与30%添加量下飞灰中Ca/(Al+Si)元素比接近雪硅钙石的理想元素比值0.67~1.20直接相关。混合添加30%的粉煤灰与硅藻土为最佳选择,水热产物Pb的浸出浓度降低至0.30 mg·L-1,且在此基础上再添加3%的诱导晶种可加速从第6 h开始即合成雪硅钙石,并使Pb的浸出浓度下降到最低值0.28 mg·L-1。硅铝调控(30%的复合硅铝调理剂,其中粉煤灰:硅藻土为1:1)与晶种诱导的协同影响下高效生成雪硅钙石,并显著抑制Pb、Zn等在水热过程中向液相的转移、降低其在水热液相中的浓度,使飞灰中的重金属在水热后确实稳定于水热固相产物中而非迁移至水热液相造成污染转移,真正实现了飞灰中重金属的固定化。     

硅铝调控与晶种诱导对水热稳定飞灰中重金属的协同影响

研究了选取的粉煤灰、膨润土、高岭土、硅藻土作为外源硅铝调理剂添加与雪硅钙石人工晶种诱导对150℃水热法稳定垃圾焚烧飞灰中重金属Pb、Zn、Cu、Cd、Cr的协同影响。飞灰由于富钙而低硅铝的元素特征,导致其在水热条件下无法直接合成沸石类,Pb的浸出浓度仍然超标;当单一或混合添加硅铝调理剂添加量为10%时,其水热产物中有水钙铝榴石或加藤石生成;提高添加量至30%时,均有目标雪硅钙石的生成,这与30%添加量下飞灰中Ca/（Al+Si）元素比接近雪硅钙石的理想元素比值0.67~1.20直接相关。混合添加30%的粉煤灰与硅藻土为最佳选择,水热产物Pb的浸出浓度降低至0.30 mg·L^-1,且在此基础上再添加3%的诱导晶种可加速从第6 h开始即合成雪硅钙石,并使Pb的浸出浓度下降到最低值0.28 mg·L^-1。硅铝调控（30%的复合硅铝调理剂,其中粉煤灰：硅藻土为1：1）与晶种诱导的协同影响下高效生成雪硅钙石,并显著抑制Pb、Zn等在水热过程中向液相的转移、降低其在水热液相中的浓度,使飞灰中的重金属在水热后确实稳定于水热固相产物中而非迁移至水热液相造成污染转移,真正实现了飞灰中重金属的固定化。