市政污泥与农林废弃物共热解制备生物炭及其对土壤中重金属迁移转化的影响
发布时间：2021-08-19 09:21
如何实现市政污泥的无害化、稳定化、减量化和资源化,已经成为环境保护研究领域的重要课题之一。热解是一种环境友好的污泥资源化处置技术,可以有效地减少污泥体积,杀死病原体,并将污泥中的有机物转化为生物能（生物油和合成气）和生物炭产品,但污泥生物炭中有机碳含量较低,其中含有的重金属可能对环境带来的危害也不能忽视;同时污泥基生物炭在重金属污染土壤修复领域中的利用也有待进一步深入研究。本文在污泥基生物炭性质分析的基础上,研究热解温度、农林废弃物种类及其混合比对污泥和农林废弃物共热解生物炭性质的影响;同时对共热解过程中重金属迁移转化行为和固定机理进行了研究;探讨了污泥和农林废弃物共热解生物炭、污泥和木屑共热解生物炭在重金属污染土壤中利用的可行性;并通过盆栽实验对比研究了污泥生物炭、农林废弃物生物单独热解生物炭、污泥和农林废弃物共热解生物炭对土壤中重金属迁移转化的影响,旨在为污泥热解资源化利用提供一定的依据。本研究得到的主要结果如下:污泥单独热解过程中,当热解温度由300°C提高至800°C时,污泥中灰分大多保留在生物炭中（保留率为83.2%～91.2%）,但挥发分则在热解过程中损失较多（保留率为46...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
018年我国污泥主要处理处置方法（上半年）[17]
江南大学博士学位论文4稳定化、减量化和无害化。目前污泥的处理处置费用占污水处理厂运行费用的20%~50%左右，从经济成本看，污泥的处理和处置问题实际上制约着污水处理事业的发展。图1-12018年我国污泥主要处理处置方法（上半年）[17]Fig.1-1MajorsludgetreatmentanddisposalmethodsinChinain2018(firsthalfyear)[17]1.1.3污泥热解技术近年来随着污水处理厂排水标准的提高，以及可利用土地的减少，传统的污泥处置方法在应用上受到很大限制，如污泥焚烧过程中释放的二噁英、NOx、SO2和重金属等会造成较为严重的空气污染，污泥填埋过程中如果重金属处理不当，有可能会造成地下水和土壤的二次污染[18]，因此污泥处理处置的新方法相继出现，如污泥堆肥、厌氧消化、污泥制建筑材料、污泥制油和污泥热解技术等，这些技术在一定程度上均能实现污泥的资源化，是污泥处理处置发展的新方向，其中污泥热解技术受关注较多[19-21]。污泥热解最早开始于1939年法国的一项专利，作者Shibata首先提出了污泥热解处理工艺[22]。上世纪70年代，由于全世界范围内的石油危机对各个工业化国家的影响，德国科学家Bayer等对污泥热解工艺进行了深入研究[23]，开发了污泥低温热解工艺，如图1-2所示。1983年污泥热解的中试实验开展，此后污泥热解技术逐渐进入大规模试验。90年代末，澳大利亚的污水处理厂（Subiaco）建成首个商业化运营的污泥炼油厂，采用Enersludge工艺[24]，其工艺流程见图1-3。图1-2污泥的低温热解流程图[23]Fig.1-2Flowprocessdiagramoflowtemperaturepyrolysisofsewagesludge[23]
第一章绪论5图1-3污泥热解的Enersludge工艺流程图[24]Fig.1-3FlowchartofEnersludgetechnologyusedinsludgepyrolysis[24]污泥热解指的是在无氧或者缺氧条件下，对干燥的污泥进行加热，通过热解反应，使污泥中的有机物裂解，从而转化为气体、液体以及固体产物[25]。污泥热解的气体产物称为合成气（syngas），其主要成分为碳氢化合物如CO、H2、CH4和C2H2等[26]，液体产物称为生物油（bio-oil），其主要组成为焦油、挥发性有机酸、甲醇、丙酮和乙酸等[27]，固体产物称为生物炭（biochar）。在热解过程中气体、液体以及固体产物的产率由热解原料自身性质以及热解技术特点决定。按照加热方式的不同，热解技术可分为电热解、微波热解和水热炭化法等。按照热解后得到的主要产物形态可分为液化技术（Liquification）、气化技术（Gasification）和炭化技术（Carbonization）。按照热解过程中反应速度的快慢，可分为快速热解（Fastpyrolysis）、中速热解（Intermediatepyrolysis）、慢速热解（Slowpyrolysis）[28-30]。通过不同的热解技术，得到的气、液、固产品的比例也有所不同，快速热解有利于得到更多的焦油，但生物炭的产率偏低。而慢速热解则能得到更多的生物炭，中速热解则处于两者之间。因此在热解过程中，需要根据热解目的和需要选择合适的热解技术，污泥热解技术一般采用的是慢速热解技术。不同热解技术的特点见表1-4。表1-4污泥热解技术的分类Table1-4Classificationofsludgepyrolysis工艺加热速率/（°C·min-1）加热温度/°C停留时间主要产物生物炭产率/%文献快速热解（液化）>100400-600数秒生物油10-20[31,32]慢速热解（炭化）<10300-800几分钟到几小时生物炭20-40[32]气化>100700-1500几秒到几分
【参考文献】：
期刊论文
[1]石灰组配有机改良剂对农田铅镉污染土壤微生物活性的影响[J]. 曾秀君,黄学平,程坤,何国庆,傅志强,赵雪莹. 环境科学研究. 2020(10)
[2]不同提取剂提取土壤中重金属能力的对比研究[J]. 王建乐,谢仕斌,王冠,涂国权,方战强. 华南师范大学学报(自然科学版). 2020(01)
[3]污泥液化生物炭对亚甲基蓝的吸附特性及机理[J]. 潘紫倩,黄华军,何小武,肖晓峰,王佳欣,李凯,杨唐仪. 中国环境科学. 2020(01)
[4]快速热解条件下生物焦的微观特性及其单质汞吸附性能研究[J]. 霍锐鹏,贾里,赵蕊,乔晓磊,郑仙荣,樊保国. 动力工程学报. 2019(12)
[5]对德国污泥处理处置现状的思考[J]. 方燕. 污染防治技术. 2019(04)
[6]不同热解温度龙虾壳生物炭特征及对Zn2+的吸附机制[J]. 马洁晨,汪新亮,张学胜,李玉成,郑刘根,王宁. 生态与农村环境学报. 2019(07)
[7]生物炭结构性质对氨氮的吸附特性影响[J]. 陈梅,王芳,张德俐,易维明. 环境科学. 2019(12)
[8]喷水时长对葡萄叶片SPAD值和叶绿素含量的影响[J]. 刘洪波,白云岗,张江辉,丁平. 中国农学通报. 2019(12)
[9]污泥衍生生物炭研究进展[J]. 范皓翔,院士杰,戴晓虎. 净水技术. 2019 (03)
[10]高温热解对污泥炭特性及其重金属形态变化的影响[J]. 刁韩杰,张进,王敏艳,许思涵,张建云,曹玉成. 环境工程. 2019(03)
博士论文
[1]生物炭微观解剖结构表征及理化性质研究[D]. 黄玉威.沈阳农业大学 2018
本文编号：3351146
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
018年我国污泥主要处理处置方法（上半年）[17]
江南大学博士学位论文4稳定化、减量化和无害化。目前污泥的处理处置费用占污水处理厂运行费用的20%~50%左右，从经济成本看，污泥的处理和处置问题实际上制约着污水处理事业的发展。图1-12018年我国污泥主要处理处置方法（上半年）[17]Fig.1-1MajorsludgetreatmentanddisposalmethodsinChinain2018(firsthalfyear)[17]1.1.3污泥热解技术近年来随着污水处理厂排水标准的提高，以及可利用土地的减少，传统的污泥处置方法在应用上受到很大限制，如污泥焚烧过程中释放的二噁英、NOx、SO2和重金属等会造成较为严重的空气污染，污泥填埋过程中如果重金属处理不当，有可能会造成地下水和土壤的二次污染[18]，因此污泥处理处置的新方法相继出现，如污泥堆肥、厌氧消化、污泥制建筑材料、污泥制油和污泥热解技术等，这些技术在一定程度上均能实现污泥的资源化，是污泥处理处置发展的新方向，其中污泥热解技术受关注较多[19-21]。污泥热解最早开始于1939年法国的一项专利，作者Shibata首先提出了污泥热解处理工艺[22]。上世纪70年代，由于全世界范围内的石油危机对各个工业化国家的影响，德国科学家Bayer等对污泥热解工艺进行了深入研究[23]，开发了污泥低温热解工艺，如图1-2所示。1983年污泥热解的中试实验开展，此后污泥热解技术逐渐进入大规模试验。90年代末，澳大利亚的污水处理厂（Subiaco）建成首个商业化运营的污泥炼油厂，采用Enersludge工艺[24]，其工艺流程见图1-3。图1-2污泥的低温热解流程图[23]Fig.1-2Flowprocessdiagramoflowtemperaturepyrolysisofsewagesludge[23]
第一章绪论5图1-3污泥热解的Enersludge工艺流程图[24]Fig.1-3FlowchartofEnersludgetechnologyusedinsludgepyrolysis[24]污泥热解指的是在无氧或者缺氧条件下，对干燥的污泥进行加热，通过热解反应，使污泥中的有机物裂解，从而转化为气体、液体以及固体产物[25]。污泥热解的气体产物称为合成气（syngas），其主要成分为碳氢化合物如CO、H2、CH4和C2H2等[26]，液体产物称为生物油（bio-oil），其主要组成为焦油、挥发性有机酸、甲醇、丙酮和乙酸等[27]，固体产物称为生物炭（biochar）。在热解过程中气体、液体以及固体产物的产率由热解原料自身性质以及热解技术特点决定。按照加热方式的不同，热解技术可分为电热解、微波热解和水热炭化法等。按照热解后得到的主要产物形态可分为液化技术（Liquification）、气化技术（Gasification）和炭化技术（Carbonization）。按照热解过程中反应速度的快慢，可分为快速热解（Fastpyrolysis）、中速热解（Intermediatepyrolysis）、慢速热解（Slowpyrolysis）[28-30]。通过不同的热解技术，得到的气、液、固产品的比例也有所不同，快速热解有利于得到更多的焦油，但生物炭的产率偏低。而慢速热解则能得到更多的生物炭，中速热解则处于两者之间。因此在热解过程中，需要根据热解目的和需要选择合适的热解技术，污泥热解技术一般采用的是慢速热解技术。不同热解技术的特点见表1-4。表1-4污泥热解技术的分类Table1-4Classificationofsludgepyrolysis工艺加热速率/（°C·min-1）加热温度/°C停留时间主要产物生物炭产率/%文献快速热解（液化）>100400-600数秒生物油10-20[31,32]慢速热解（炭化）<10300-800几分钟到几小时生物炭20-40[32]气化>100700-1500几秒到几分
【参考文献】：
期刊论文
[1]石灰组配有机改良剂对农田铅镉污染土壤微生物活性的影响[J]. 曾秀君,黄学平,程坤,何国庆,傅志强,赵雪莹. 环境科学研究. 2020(10)
[2]不同提取剂提取土壤中重金属能力的对比研究[J]. 王建乐,谢仕斌,王冠,涂国权,方战强. 华南师范大学学报(自然科学版). 2020(01)
[3]污泥液化生物炭对亚甲基蓝的吸附特性及机理[J]. 潘紫倩,黄华军,何小武,肖晓峰,王佳欣,李凯,杨唐仪. 中国环境科学. 2020(01)
[4]快速热解条件下生物焦的微观特性及其单质汞吸附性能研究[J]. 霍锐鹏,贾里,赵蕊,乔晓磊,郑仙荣,樊保国. 动力工程学报. 2019(12)
[5]对德国污泥处理处置现状的思考[J]. 方燕. 污染防治技术. 2019(04)
[6]不同热解温度龙虾壳生物炭特征及对Zn2+的吸附机制[J]. 马洁晨,汪新亮,张学胜,李玉成,郑刘根,王宁. 生态与农村环境学报. 2019(07)
[7]生物炭结构性质对氨氮的吸附特性影响[J]. 陈梅,王芳,张德俐,易维明. 环境科学. 2019(12)
[8]喷水时长对葡萄叶片SPAD值和叶绿素含量的影响[J]. 刘洪波,白云岗,张江辉,丁平. 中国农学通报. 2019(12)
[9]污泥衍生生物炭研究进展[J]. 范皓翔,院士杰,戴晓虎. 净水技术. 2019 (03)
[10]高温热解对污泥炭特性及其重金属形态变化的影响[J]. 刁韩杰,张进,王敏艳,许思涵,张建云,曹玉成. 环境工程. 2019(03)
博士论文
[1]生物炭微观解剖结构表征及理化性质研究[D]. 黄玉威.沈阳农业大学 2018
本文编号：3351146
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