市政污泥熱解特性及氮元素遷徙規律研究

肖培蒙 孟輝 周學坤 景元琢

【摘 ?要】市政污泥熱解炭化技術是目前國內外重點推廣的污泥環保處置技術。污泥熱解炭化具有污染物產生量低、排放小、減量化徹底等優點，但目前的基礎研究大多局限在產物本身的研究，而對其中典型元素（如氮元素）的遷徙規律的研究深入性相對不足。本文對市政污泥熱解特性研究的基礎上，重點對氮元素在熱解過程遷徙規律進行了研究，有一定的借鑒和指導意義。

【關鍵詞】市政污泥;熱解;氮元素

本文選取典型的市政污泥為研究對象，通過熱解炭化實驗平臺對市政污泥的基本熱解特性以及氮元素的遷徙規律進行研究。

1 樣品的制備及物化分析

實驗中所用的污泥是經過機械壓濾脫水后得到的產物，取樣后的污泥置于陰涼通風處晾干，測其含水率為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分析和元素分析如表1所示。

2 實驗裝置

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

3 實驗方法

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

4 結果與討論

4.1 污泥中氮形態分析

圖2所示為污泥樣品中氮的峰形圖，根據峰的位置判斷氮的存在形態，根據峰面積計算表面各元素含量，不同形態氮物種的含量比例，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%），蛋白質氮含量最低（10.73%）。峰值圖見圖2。

4.2 熱解產物分配

試驗熱解溫度范圍為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。例如，400 ℃下污泥炭的收率最大，而800 ℃時則降到最低。焦油收率600 ℃時達到最大值，之后隨著熱解溫度的升高，發生二次裂解，收率降低。

4.3 氮的遷移行為

對不同溫度下熱解所得污泥生物炭和焦油進行元素分析，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，污泥炭中N的質量占污泥樣品中N元素總量的57.94%，而溫度升高到700 ℃時的污泥炭中N的質量則降低，僅占總量的28.15%，這是由于低穩定性含氮雜環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元素轉移到了液相和氣相中。焦油中的N含量與焦油的收率呈現一致的趨勢，即隨熱解溫度的升高先逐漸增加，在600 ℃達到最大值而后又降低;700 ℃時N含量占總量的32.32%。這是因為隨熱解溫度的升高，焦油中含氮有機物發生二次裂解，一部分N轉移到了氣相。與此相對應，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 ℃時的N含量占總量的37.59%。

5 ?結語

該文以城市污水處理廠典型市政污泥為研究對象，通過熱解炭化實驗裝置，對污泥熱解過程中熱解特性及典型元素氮元素的遷徙規律進行了研究，對污泥熱解技術的工業化示范及熱解過程產物的控制，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]楊新海、張辰.上海市石洞口城市污水處理廠污泥干化焚燒工程，給水排水 2003：19～20

[2]戴曉虎.我國城鎮污泥處理處置現狀及思考，給水排水，2012：1～2

[3]李博、王飛、嚴建華、池勇.污水處理廠干化焚燒處理可行性分析，環境工程學報2012年10月第6卷第10期：3399～3400

作者簡介：

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

（作者單位：山東金孚環境工程有限公司）