肖培蒙 孟輝 周學(xué)坤 景元琢

【摘 ?要】市政污泥熱解炭化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)推廣的污泥環(huán)保處置技術(shù)。污泥熱解炭化具有污染物產(chǎn)生量低、排放小、減量化徹底等優(yōu)點(diǎn)，但目前的基礎(chǔ)研究大多局限在產(chǎn)物本身的研究，而對(duì)其中典型元素（如氮元素）的遷徙規(guī)律的研究深入性相對(duì)不足。本文對(duì)市政污泥熱解特性研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)氮元素在熱解過程遷徙規(guī)律進(jìn)行了研究，有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】市政污泥;熱解;氮元素

本文選取典型的市政污泥為研究對(duì)象，通過熱解炭化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)市政污泥的基本熱解特性以及氮元素的遷徙規(guī)律進(jìn)行研究。

1 樣品的制備及物化分析

實(shí)驗(yàn)中所用的污泥是經(jīng)過機(jī)械壓濾脫水后得到的產(chǎn)物，取樣后的污泥置于陰涼通風(fēng)處晾干，測(cè)其含水率為5.14%，然后粉碎至樣品全部通過125 μm（120目）尼龍篩，再于105 ℃下干燥24 h，裝袋密封備用。脫水污泥樣品的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

污泥熱解反應(yīng)裝置示意圖如圖1所示。反應(yīng)流程包括：反應(yīng)區(qū)（石英反應(yīng)管、加熱電爐、熱電偶、溫度顯示器）、焦油收集區(qū)（冷凝管、深冷設(shè)備、丙酮洗瓶）和氣體收集區(qū)（硫酸洗瓶、氫氧化鈉洗瓶、排水取氣裝置）。

3 實(shí)驗(yàn)方法

污泥熱解：取20 g左右的干燥污泥樣品，置于反應(yīng)管中部的分布板上，將石英管的上封蓋裝上后，以50 ml/min的流量通入氬氣，20 min后啟動(dòng)電爐開始加熱，加熱速率為20 ℃/min，熱解終溫分別設(shè)定為400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃，到達(dá)終溫后保持30 min，然后關(guān)閉加熱電源使反應(yīng)管自然冷卻到室溫。

4 結(jié)果與討論

4.1 污泥中氮形態(tài)分析

圖2所示為污泥樣品中氮的峰形圖，根據(jù)峰的位置判斷氮的存在形態(tài)，根據(jù)峰面積計(jì)算表面各元素含量，不同形態(tài)氮物種的含量比例，氮的存在形式主要是四種：銨鹽氮、蛋白質(zhì)氮、吡咯氮和吡啶氮，其中含量最高的是吡咯氮（46.23%）、其次是銨鹽氮（22.35%）和吡啶氮（20.69%），蛋白質(zhì)氮含量最低（10.73%）。峰值圖見圖2。

4.2 熱解產(chǎn)物分配

試驗(yàn)熱解溫度范圍為400～800℃，污泥生物炭和焦油收率隨溫度變化如圖3所示。可以看出，隨熱解溫度的升高，污泥炭的收率逐漸降低，焦油的收率有先略微增加再減少的趨勢(shì)。例如，400 ℃下污泥炭的收率最大，而800 ℃時(shí)則降到最低。焦油收率600 ℃時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著熱解溫度的升高，發(fā)生二次裂解，收率降低。

4.3 氮的遷移行為

對(duì)不同溫度下熱解所得污泥生物炭和焦油進(jìn)行元素分析，得到其中N元素的含量。在熱解所得氣體中，含氮元素的氣體主要是HCN、NH3和N2，根據(jù)這三種氣體中的N元素含量，將污泥中N元素于不同的熱解溫度下在固相（污泥炭）、液相（熱解焦油）和氣相（熱解氣）中的質(zhì)量分布情況繪于圖4。

本研究所用污泥隨著熱解溫度的升高，N元素在污泥炭中的含量逐漸減小，熱解溫度為400 ℃時(shí)，污泥炭中N的質(zhì)量占污泥樣品中N元素總量的57.94%，而溫度升高到700 ℃時(shí)的污泥炭中N的質(zhì)量則降低，僅占總量的28.15%，這是由于低穩(wěn)定性含氮雜環(huán)化合物在較高熱解溫度下分解，N的損失增加，也說明部分N元素轉(zhuǎn)移到了液相和氣相中。焦油中的N含量與焦油的收率呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，即隨熱解溫度的升高先逐漸增加，在600 ℃達(dá)到最大值而后又降低;700 ℃時(shí)N含量占總量的32.32%。這是因?yàn)殡S熱解溫度的升高，焦油中含氮有機(jī)物發(fā)生二次裂解，一部分N轉(zhuǎn)移到了氣相。與此相對(duì)應(yīng)，熱解氣體中N元素總含量隨熱解溫度的升高，一直在增加，800 ℃時(shí)的N含量占總量的37.59%。

5 ?結(jié)語

該文以城市污水處理廠典型市政污泥為研究對(duì)象，通過熱解炭化實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)污泥熱解過程中熱解特性及典型元素氮元素的遷徙規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)污泥熱解技術(shù)的工業(yè)化示范及熱解過程產(chǎn)物的控制，具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：

肖培蒙（1984—），男，山東泰安人，本科，中級(jí)工程師，主要從事污泥等高含水固廢處理技術(shù)研究。

（作者單位：山東金孚環(huán)境工程有限公司）