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热解时间对污泥炭特性的影响

摘要:热解时间对污泥炭特性的影响,热解作为一种污泥热处理技术具有良好的发展前景,其不仅能彻底杀灭寄生虫卵、病原微生物,充分裂解有机污染物,还能实现碳的固定、营养物质的回收

  热裂解做为一种淤泥热处理工艺技术性具备优良的发展前途,其不但能完全消灭寄生虫卵、微生物,充足裂化有机化学空气污染物,还能完成碳的固定不动、营养元素的收购 和生物能源(生物油和热解恨)的获取,而且能大幅度减少淤泥容积。淤泥经热裂解后的固相物质,是一种高宽比芳香化、多孔结构的碳质煤碴,别名污泥炭土。污泥炭土主要用途普遍,改进后可做为环境保护吸咐原材料或绿化植物花卉基质,真实完成淤泥的“资源化”“无害化处理”和“资源化再生”解决。但有研究表明,热裂解后淤泥中80%之上的重金属超标都迁移到污泥炭土中,变成传导阻滞淤泥碳化物质资源化再生运用的关键要素之一。

  热裂解时间危害淤泥热裂解物质特性及重金属超标个人行为的关键要素。在高溫热裂解全过程中,淤泥中有机化合物的裂化、重金属超标的聚集以及形状的转变和污泥炭土物质芳构化都必须一定時间来进行。汤斯奇等在科学研究不一样热裂解终柔和热裂解時间下淤泥生物质炭孔隙度结构类型时发觉,伴随着热裂解時间的增加,污泥炭土的孔隙度由间隙型向开放式变化。张清怡等在科学研究热裂解時间对淤泥生物碳中重金属超标的危害时发觉,提升热裂解時间可以合理地抑止Pb在生物碳中的聚集,推动Cr在生物碳中的蒸发,且可以在一定水平上减少淤泥中重金属超标的绿色生态风险性。现阶段的科学研究关键集中化在热裂解溫度对淤泥中重金属超标转移转换的危害,而热裂解時间对淤泥中重金属超标的聚集、形状转变以及绿色生态风险性的危害科学研究较少。

  文中研究了不一样時间热裂解对污泥炭土特点及重金属超标风险性水准的危害。刁崔俊等科学研究了热裂解溫度(550~850℃,2h)对污泥炭土特点以及重金属超标形状转变的危害,发觉当热裂解溫度为在700℃时污泥炭土中各重金属超标沉渣态占总品质的百分比做到最高值,而当溫度升到850℃时,淤泥中各重金属超标相对性平稳态的摩尔质量有一定的减少。此外,葛丽炜等发觉,当溫度高过700℃时,淤泥易灰化,产出率不稳定。因而,小编挑选在700℃标准下,将原热裂解時间(2h)减少、增加至1h、4h,剖析不一样热裂解時间(1,2,4h)对污泥炭土特点、重金属超标形状转变以及绿色生态风险性水准的危害,以求探索合适的碳化标准,为淤泥热裂解解决出示技术性参照。

  一、原材料与方式

  1.1 污泥炭土的制取

  淤泥试品源自杭州某污水处理站。将取回来的试品放置烘干箱(XMTD-8222,我国)中风干至恒重,破碎过120目筛预留。用厢式真空热处理炉(图1)热裂解制取淤泥生物碳,溫度设置为700℃,热裂解终温等待时间各自设置为1,2,4h,到时开关电源全自动关掉,将真空热处理炉当然制冷至室内温度(约20℃),取下污泥炭土产品,每一个试件反复3次。

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  试品制取全过程中,用高纯度N2做为载气,热裂解前先打开载气阀门以1L/min的速度进入高纯度N2,保证炉内气体排尽,处在无氧运动情况,反映完毕后不断进入N2直到炉内溫度降至室内温度后关掉载气阀门。

  1.2 试品统计分析方法

  1.2.1 试件理化性质剖析

  淤泥和污泥炭土试品灰份成分参考GB/T212—2008《煤的工业分析方法》测量,C、H、N、S成分选用元素分析仪(VarioELⅢ,法国)测量,采用CaCO3和羟基苯磺酸国家标准物质开展质量管理,pH(1∶10,w/V)用pH计(SevenCompact,法国)测量。试件比表面用比表面及间隙度仪(SAP2020M,英国)测量,依据BET方程计算总比表面,淤泥和污泥炭土外貌特点(表层外部经济构造)用扫描仪透射电镜(ShimadzuSS-550,日本)观查,表层官能团异构运用傅里叶变换光谱分析仪(ShimadzuIRPrestige21,日本)剖析。

  1.2.2 重金属超标总产量和形状剖析

  剖析淤泥和污泥炭土重金属超标总产量时,将试品先根据USEPA3050B方式消除,再用电感器藕合等离子技术发送光谱分析仪(ICP-OES,Prodigy7,LeemanLabs,英国)测量。

  剖析重金属超标形状时,先选用BCR逐层持续获取法[6]获取先后得到酸溶态和可互换态(F1)、复原态(F2)、空气氧化态(F3),剩下的重金属超标沉渣态(F4)参照USEPA3050B方式消除后,与前3种形状重金属超标一起用ICP-OES测量。

  二、重金属超标的风险评估方式

  风险评估指数值法(RAC)是根据重金属超标形状的一种评定方法,重在调查特异性态对自然环境的伤害指数值,即酸溶态和可互换态(F1)占重金属超标总成分百分比,酸溶态和可互换态重金属超标的占比越高,该重金属超标的生态环境保护风险性也就越大。淤泥以及生物碳中常含重金属超标的绿色生态风险性可被区划为五个级别,实际见表1。

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  RAC测算如式(1)所显示:

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  式中:CF1为BCR遍布持续获取中第一步酸溶态和可互换态(F1)重金属超标浓度值,mg/kg,∑4i=1CFi为BCR遍布持续获取中每一部分(F1 F2 F3 F4)重金属超标浓度值加和,mg/kg。

  三、結果与探讨

  3.1 热裂解時间对污泥炭土理化性质的危害

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  不一样等待时间热裂解获得的污泥炭土的理化性质如表2所显示。污泥炭土的产出率伴随着热裂解時间的增加呈下降趋势,这与PENG等的科学研究結果一致。污泥炭土的比表面伴随着热裂解時间的增加明显扩大。原淤泥的比表面仅为11.42m2/g,热裂解4h后,其比表面提高了约4.6倍,做到较大 ,这是由于热裂解時间危害淤泥挥发分和土壤有机质溶解,延长性时间能够推动有机化合物的溶解,该全过程中造成的热解恨有益于孔隙度构造的产生。另外,其灰份占有率也慢慢扩大,它是因为淤泥中有机化合物溶解后无机物成份溶缩并保存在污泥炭土中而致。原淤泥的pH近中性化,热裂解制取的污泥炭土的pH较原淤泥都大幅度提高,呈偏碱,这是由于酸碱性官能团降低,偏碱官能团慢慢增加而致。

  污泥炭土中C、H和N的成分伴随着淤泥热裂解時间的增加而慢慢减少,这可能是因为热裂解时间长,淤泥中有机化合物充足溶解,进而造成 其表层官能团异构原素伴随着生物油和热解恨的造成而溢失。而S成分伴随着热裂解時间的增加而扩大并慢慢保持稳定,这与YUAN等的科学研究結果类似。有研究发现,H/C可以反映生物质炭的芳香化水准与过程,一般来说,H/C越低,芳香性越高。本试验中伴随着热裂解時间的增加,污泥炭土的H/C慢慢减少,说明热裂解時间的增加提升 了污泥炭土的芳香化水准。除此之外,污泥炭土的N/C与H/C值变化趋势同样,即热裂解時间的增加使其比率慢慢减少,说明淤泥中有很多含N官能团异构裂化。

  3.2 红外光谱图剖析

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  由淤泥在不一样热裂解時间标准下热裂解做成的污泥炭土的红外光谱图(图2)得知:波数3439~3482cm-1的消化吸收峰为—OH的伸缩式震动,其伴随着热裂解時间的增加—OH震动峰抗压强度慢慢变弱。它是因为热裂解全过程中,伴随着時间的增加,脱水反应更为充足,甲基官能团异构慢慢破裂而致,这也与表2中H原素成分的变化趋势一致。波数2600~3000cm-1的消化吸收峰是C—H的伸缩式震动,在原淤泥中能够见到此峰的存有,但不一样等待时间热裂解制取的生物碳中均无该消化吸收峰,表明热裂解造成 乙烷官能团消退,促进生物碳的芳香性慢慢提高。坐落于波数1645cm-1上下的消化吸收峰为酰胺键(—CO—NH—)的伸缩式震动,伴随着热裂解時间的增加,其震动峰慢慢变弱,它是因为污泥炭土中的氟苯官能团异构的溶解(N/C减少),或该官能团与重金属超标络合作用造成 的。坐落于1381,1431,1450cm-1周边的消化吸收峰为芳环C—C的伸缩式震动,伴随着热裂解時间的增加,该震动峰慢慢变弱,即淤泥充足热裂解,污泥炭土芳香化水平慢慢提升 ,这一結果与表1中的H/C数据信息相映衬。坐落于波数1000~1200cm-1周边的谱带与人体脂肪醚中C—O—R和—C—O的伸缩式震动相关,另外污泥炭土中SiO2也会造成危害。伴随着热裂解時间的增加,淤泥中的有机化合物慢慢溶解,而无机物成分未更改,进而促使SiO2成分相对性提升,波峰焊提高。

  3.3 透射电镜(SEM)剖析

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  图3为在不一样热裂解時间下制取的污泥炭土的透射电镜图。纯淤泥的表层为光洁没孔构造,而热裂解炭表层呈松散且不规律的微孔板构造,这一转变与热裂解全过程中有机化合物的溶解相关,与表1中常表明的比表面数据信息相一致。历经1h、2h及其4h的热裂解,污泥炭土对比于原淤泥其表层外貌更为不光滑,孔隙度总数也进一步增加,比表面明显扩大(表2)。热裂解時间为4h时,污泥炭土表层微小细孔多而较密,其孔中遍布着很多无机物顆粒,这时比表面做到最高值(52.61m2/g)。由此可见,解决時间的增加促使淤泥的热裂解更为强烈,有机化学化学物质获得充足蒸发。有专家学者强调,丰富多彩的孔隙度构造、很大的比表面是生物碳的极大优点,是其变成吸收剂、土壤调理剂的必要条件。生物质炭针对重金属离子的吸咐特性伴随着其表层构造转变而更改,不一样的生物碳构造可造成不一样的吸咐与分派功效,比表面大的炭原材料有益于加快重金属超标的释放出来与融解。综上所述,增加制取污泥炭土的热裂解時间可以扩大其面积,丰富多彩其特异性融合结构域,提高污泥炭土的吸咐工作能力,有益于其对重金属离子的吸咐。

  3.4 热裂解時间对重金属超标总产量的危害

  原淤泥和污泥炭土试品中Cu、Zn、Pb、Cr、Ni、Mn6种重金属超标的成分见表3。淤泥中重金属超标Zn成分最大,做到1504.28mg/kg,这很有可能与中国年久市政管网广泛应用镀锌钢管道相关。

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  由表3得知:热裂解后淤泥中各重金属超标总产量都是有不一样水平的提升 ,且伴随着热裂解時间的增加而慢慢扩大(除Pb外)。这是由于在热裂解全过程中,淤泥中的有机化合物很多转换成油随和,而重金属超标成分不变,造成 重金属超标相对性成分提升,聚集在固态沉渣污泥炭土中。在热裂解4h后,原素Pb在污泥炭土中的浓度值相比于纯淤泥中成分降低,这是由于Pb容易挥发,造成 其成分伴随着热裂解時间的增加而降低,这与于晓庆等的科学研究結果相近。

  3.5 重金属超标绿色生态风险评估

  相对性于重金属超标总产量这一要素,重金属超标的有机化学形状更能体现淤泥和污泥炭土中重金属超标的绿色生态毒副作用。根据测算酸溶态重金属超标(F1)成分与重金属超标总产量比率必得淤泥和污泥炭土各重金属超标的风险评估指数值(RAC)。根据测算得知,纯淤泥中6种重金属超标RAC先后为Mn>Zn>Ni>Cu>Pb>Cr(表4)。除Cr原素零风险外,其他各重金属超标都存有不一样水平的风险性。

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  淤泥中Mn、Zn和Ni的RAC值各自为65.20、41.70和23.60,说明淤泥中Mn、Zn和Ni酸溶态(可互换态)占比较高,非常容易进到土壤层或水环境治理中,若淤泥没经干固解决立即排出会导致比较严重的空气污染。淤泥热裂解1h获得的污泥炭土中Mn、Zn和Ni的RAC值各自减少了47.5%、46.0%和80.1%,促使Ni的绿色生态安全风险由中等水平风险性降至低风险性,Zn由高危变化为中等水平风险性,Mn由十分高危变成高危。伴随着热裂解時间的增加其风险性水平进一步减少。当热裂解時间为4h时,污泥炭土中Zn变为低风险性。热裂解時间4h是Zn的最优化热裂解标准。Mn、Ni原素也是有相近的转变,当热裂解時间为2h时,其风险性水平均变成低风险性,但当再再次增加热裂解時间时,Mn的风险度却升高到16.10,变成高危。这可能是因为Mn的挥发物较强,热裂解時间的增加推动了一部分沉渣态转换为酸溶态,进而造成 其风险度稍微提升。

  淤泥中Cu、Pb呈低安全风险,Cr为无安全风险,主要表现出较低的微生物实效性。伴随着热裂解時间提升,风险度再次减少,在其中Pb在热裂解2h后呈零风险水准。而当热裂解時间增加至4h时,Pb和Ni原素的风险度尽管還是呈低风险性情况,但RAC指数值有小幅度升高。因而,综合性各重金属超标RAC指数值考虑到,觉得当热裂解等待时间为2h时,污泥炭土中除Zn处在中等水平风险性水准外,Cu、Mn和Ni处在低风险性水准,而Pb、Cr处在零风险水准,这时污泥炭土对自然环境的绿色生态风险性降至最少,是本科学研究标准下的最好热裂解時间。

  四、结果

  1)热裂解使淤泥的pH由中性化变化为偏碱,伴随着终温等待时间从1h增加到4h,污泥炭土产出率、H/C不断降低,而灰份和炭比表面明显提升,芳香化水平提升 。

  2)热裂解使重金属超标在污泥炭土中聚集。伴随着终温等待时间从1h增加到4h,除Pb外,污泥炭土中Cu、Zn、Cr、Mn和Ni原素的成分慢慢提升。

  3)与淤泥对比,污泥炭土中各重金属超标风险度均明显减少。而当热裂解時间为2h时,除Zn以外,污泥炭土中其他5种化学元素呈低风险性或零风险情况,污泥炭土对自然环境的绿色生态风险性可降至最少。(来源于:浙江农林高校
自然环境与資源学校;浙江农林高校 微生物自然环境学校;浙江科技学校 自然环境与資源学校;浙江废料生物质燃料循环利用与绿色生态解决技术性重点实验室)

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作者: 三六五环保公司

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