市政污泥热解特性及氮元素迁徙规律研究

肖培蒙 孟辉 周学坤 景元琢

【摘  要】市政污泥热解炭化技术是目前国内外重点推广的污泥环保处置技术。污泥热解炭化具有污染物产生量低、排放小、减量化彻底等优点，但目前的基础研究大多局限在产物本身的研究，而对其中典型元素（如氮元素）的迁徙规律的研究深入性相对不足。本文对市政污泥热解特性研究的基础上，重点对氮元素在热解过程迁徙规律进行了研究，有一定的借鉴和指导意义。

【关键词】市政污泥;热解;氮元素

本文选取典型的市政污泥为研究对象，通过热解炭化实验平台对市政污泥的基本热解特性以及氮元素的迁徙规律进行研究。

1 样品的制备及物化分析

实验中所用的污泥是经过机械压滤脱水后得到的产物，取样后的污泥置于阴凉通风处晾干，测其含水率为5.14%，然后粉碎至样品全部通过125 μm（120目）尼龙筛，再于105 ℃下干燥24 h，装袋密封备用。脱水污泥样品的工业分析和元素分析如表1所示。

2 实验装置

污泥热解反应装置示意图如图1所示。反应流程包括：反应区（石英反应管、加热电炉、热电偶、温度显示器）、焦油收集区（冷凝管、深冷设备、丙酮洗瓶）和气体收集区（硫酸洗瓶、氢氧化钠洗瓶、排水取气装置）。

3 实验方法

污泥热解：取20 g左右的干燥污泥样品，置于反应管中部的分布板上，将石英管的上封盖装上后，以50 ml/min的流量通入氩气，20 min后启动电炉开始加热，加热速率为20 ℃/min，热解终温分别设定为400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃和800 ℃，到达终温后保持30 min，然后关闭加热电源使反应管自然冷却到室温。

4 结果与讨论

4.1 污泥中氮形态分析

图2所示为污泥样品中氮的峰形图，根据峰的位置判断氮的存在形态，根据峰面积计算表面各元素含量，不同形态氮物种的含量比例，氮的存在形式主要是四种：铵盐氮、蛋白质氮、吡咯氮和吡啶氮，其中含量最高的是吡咯氮（46.23%）、其次是铵盐氮（22.35%）和吡啶氮（20.69%），蛋白质氮含量最低（10.73%）。峰值图见图2。

4.2 热解产物分配

试验热解温度范围为400～800℃，污泥生物炭和焦油收率随温度变化如图3所示。可以看出，随热解温度的升高，污泥炭的收率逐渐降低，焦油的收率有先略微增加再减少的趋势。例如，400 ℃下污泥炭的收率最大，而800 ℃时则降到最低。焦油收率600 ℃时达到最大值，之后随着热解温度的升高，发生二次裂解，收率降低。

4.3 氮的迁移行为

对不同温度下热解所得污泥生物炭和焦油进行元素分析，得到其中N元素的含量。在热解所得气体中，含氮元素的气体主要是HCN、NH3和N2，根据这三种气体中的N元素含量，将污泥中N元素于不同的热解温度下在固相（污泥炭）、液相（热解焦油）和气相（热解气）中的质量分布情况绘于图4。

本研究所用污泥随着热解温度的升高，N元素在污泥炭中的含量逐渐减小，热解温度为400 ℃时，污泥炭中N的质量占污泥样品中N元素总量的57.94%，而温度升高到700 ℃时的污泥炭中N的质量则降低，仅占总量的28.15%，这是由于低稳定性含氮杂环化合物在较高热解温度下分解，N的损失增加，也说明部分N元素转移到了液相和气相中。焦油中的N含量与焦油的收率呈现一致的趋势，即随热解温度的升高先逐渐增加，在600 ℃达到最大值而后又降低;700 ℃时N含量占总量的32.32%。这是因为随热解温度的升高，焦油中含氮有机物发生二次裂解，一部分N转移到了气相。与此相对应，热解气体中N元素总含量随热解温度的升高，一直在增加，800 ℃时的N含量占总量的37.59%。

5  结语

该文以城市污水处理厂典型市政污泥为研究对象，通过热解炭化实验装置，对污泥热解过程中热解特性及典型元素氮元素的迁徙规律进行了研究，对污泥热解技术的工业化示范及热解过程产物的控制，具有一定的指导意义。

参考文献：

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[2]戴晓虎.我国城镇污泥处理处置现状及思考，给水排水，2012：1～2

[3]李博、王飞、严建华、池勇.污水处理厂干化焚烧处理可行性分析，环境工程学报2012年10月第6卷第10期：3399～3400

作者简介：

肖培蒙（1984—），男，山东泰安人，本科，中级工程师，主要从事污泥等高含水固废处理技术研究。

（作者单位：山东金孚环境工程有限公司）