微波熱解污水污泥過程中氮轉(zhuǎn)化途徑及調(diào)控策略.pdf

1、微波高溫?zé)峤馕鬯勰嗑哂形勰喔咝p容、重金屬有效固定、副產(chǎn)物資源利用等優(yōu)點(diǎn),引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。污泥中50％-80%的N在高溫?zé)峤膺^程中轉(zhuǎn)化為含氮?dú)怏w,降低了生物燃?xì)馄焚|(zhì),造成了環(huán)境的二次污染。本文考察了含氮污染氣體生成的影響因素,構(gòu)建了切合污泥化學(xué)組分和官能團(tuán)特征的含氮模型化合物,解析了污水污泥微波熱解過程含氮化合物轉(zhuǎn)化途徑,明確了礦物添加劑抑制含氮污染氣體產(chǎn)生機(jī)制并提出含氮污染氣體選擇性轉(zhuǎn)化生成N2的污染控制措施。
　

2、　本研究通過序批實(shí)驗(yàn)考察了微波熱解污水污泥過程失重規(guī)律,結(jié)果表明微波熱解過程中蛋白質(zhì)、糖類和脂類有機(jī)物的分解反應(yīng)階段相互疊加,而傳統(tǒng)熱解過程中三類有機(jī)物的分解反應(yīng)呈現(xiàn)明顯的三階段特征。利用FTIR分析了氣態(tài)含氮化合物的主要成分,結(jié)果顯示NH3和HCN是主要?dú)鈶B(tài)含氮化合物,兩者含量分別占含氮?dú)怏w總量的70%和10%?？疾炝藷峤饨K溫、污泥含水率、升溫速率和微波能吸收物質(zhì)對(duì)NH3和HCN產(chǎn)率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱解溫度、升溫速率、污泥含水率和

3、微波能吸收物質(zhì)是影響NH3和HCN形成的主要因素。微波熱解污泥過程中,熱解終溫、升溫速率和污泥含水率的增加均促進(jìn)NH3和HCN的生成。
　　XPS分析表明污泥氮的主要存在形式為無機(jī)銨態(tài)氮,蛋白質(zhì)氮和堿性雜環(huán)氮(吡咯和吡啶),定量分析表明蛋白質(zhì)氮是污泥氮的主要存在形式,其含量占污泥總氮含量的90%。采用異硫氰酸苯酯(PITC)柱前衍生化反相高效液相色譜法(RP-HPLC)檢測(cè)污泥蛋白質(zhì)氨基酸組成及含量,結(jié)果表明精氨酸、甘氨酸、脯氨酸

4、等八種氨基酸的含量占到氨基酸總量的82%以上。利用谷氨酸、精氨酸、賴氨酸、脯氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、亮氨酸和甘氨酸構(gòu)建了理論模型化合物,各組分質(zhì)量比為15:6:6:16:21:6:21:9,同時(shí)根據(jù)污泥氨基酸組成和比例相似原則篩選出又一種有機(jī)聚合肽鏈形式的大豆蛋白模型化合物。通過對(duì)兩種含氮模型化合物的微波熱解產(chǎn)氣特性對(duì)比發(fā)現(xiàn),大豆蛋白與脫灰污泥的含氮?dú)怏w產(chǎn)率相似度>80%,大豆蛋白作為污泥含氮模型化合物更合理。微波熱解大豆蛋白模型化合物發(fā)

5、現(xiàn)了三種重要含氮中間產(chǎn)物,分別為胺態(tài)氮、含氮雜環(huán)和腈類氮化合物。微波熱解模型化合物的氮轉(zhuǎn)化途徑分析表明,三類中間產(chǎn)物貢獻(xiàn)了97%以上的(NH3+HCN)總產(chǎn)量。
　　利用XPS、GC-MS等分析手段,研究了含氮官能團(tuán)在微波熱解污水污泥三相產(chǎn)物中的轉(zhuǎn)化規(guī)律,并分析了微波熱解污泥過程中含氮化合物的轉(zhuǎn)化途徑。在溫度低于300℃時(shí),污泥中的無機(jī)氮和小部分的蛋白質(zhì)氮分解生成NH3。在300-500℃時(shí),污泥中大量的蛋白質(zhì)熱裂解生成了焦油中的

6、胺類化合物,并伴隨著大量NH3生成。500-800℃時(shí),焦油中的胺態(tài)-N大量裂解生成含氮雜環(huán)-N和腈類-N化合物,并伴隨著NH3和HCN的大量產(chǎn)生。微波熱解污水污泥NH3和HCN生成途徑分析表明,污泥熱解過程中的二次裂解反應(yīng)是生成NH3和HCN的主要途徑,胺態(tài)氮、含氮雜環(huán)和腈類氮化合物的裂解反應(yīng)貢獻(xiàn)了熱解全部(HCN+NH3)產(chǎn)量的80%以上,因此可以考慮通過控制三類含氮中間產(chǎn)物的產(chǎn)生來減少NH3和HCN的釋放。
　　通過對(duì)比污水

7、污泥和酸洗脫灰污泥的熱解產(chǎn)氣特性,確定了污泥內(nèi)在礦物質(zhì)對(duì)NH3和HCN生成的抑制作用。考察了外加礦物質(zhì)種類、添加量及加載方式對(duì)NH3和HCN產(chǎn)率的影響,結(jié)果表明添加量20%的Fe2O3和CaO對(duì)NH3和HCN的抑制效果分別達(dá)到50%和80%。與直接機(jī)械混合法相比,化學(xué)沉淀法加載Fe鹽對(duì)含氮?dú)怏w抑制效果更好。GC-MS分析了污水污泥和礦物質(zhì)污泥的熱解氣態(tài)和焦油產(chǎn)物組分,發(fā)現(xiàn)了礦物質(zhì)不影響300-500℃階段胺態(tài)氮化合物的生成反應(yīng),而抑制了