微波熱解污水污泥過程中氮轉化途徑及調控策略.pdf

1、微波高溫熱解污水污泥具有污泥高效減容、重金屬有效固定、副產物資源利用等優(yōu)點,引起了國內外學者的高度關注。污泥中50％-80%的N在高溫熱解過程中轉化為含氮氣體,降低了生物燃氣品質,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,構建了切合污泥化學組分和官能團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化途徑,明確了礦物添加劑抑制含氮污染氣體產生機制并提出含氮污染氣體選擇性轉化生成N2的污染控制措施。
　

2、　本研究通過序批實驗考察了微波熱解污水污泥過程失重規(guī)律,結果表明微波熱解過程中蛋白質、糖類和脂類有機物的分解反應階段相互疊加,而傳統(tǒng)熱解過程中三類有機物的分解反應呈現明顯的三階段特征。利用FTIR分析了氣態(tài)含氮化合物的主要成分,結果顯示NH3和HCN是主要氣態(tài)含氮化合物,兩者含量分別占含氮氣體總量的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對NH3和HCN產率的影響,實驗結果表明熱解溫度、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NH3和HCN的生成。
　　XPS分析表明污泥氮的主要存在形式為無機銨態(tài)氮,蛋白質氮和堿性雜環(huán)氮(吡咯和吡啶),定量分析表明蛋白質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)檢測污泥蛋白質氨基酸組成及含量,結果表明精氨酸、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、亮氨酸和甘氨酸構建了理論模型化合物,各組分質量比為15:6:6:16:21:6:21:9,同時根據污泥氨基酸組成和比例相似原則篩選出又一種有機聚合肽鏈形式的大豆蛋白模型化合物。通過對兩種含氮模型化合物的微波熱解產氣特性對比發(fā)現,大豆蛋白與脫灰污泥的含氮氣體產率相似度>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、現了三種重要含氮中間產物,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化途徑分析表明,三類中間產物貢獻了97%以上的(NH3+HCN)總產量。
　　利用XPS、GC-MS等分析手段,研究了含氮官能團在微波熱解污水污泥三相產物中的轉化規(guī)律,并分析了微波熱解污泥過程中含氮化合物的轉化途徑。在溫度低于300℃時,污泥中的無機氮和小部分的蛋白質氮分解生成NH3。在300-500℃時,污泥中大量的蛋白質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,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貢獻了熱解全部(HCN+NH3)產量的80%以上,因此可以考慮通過控制三類含氮中間產物的產生來減少NH3和HCN的釋放。
　　通過對比污水

7、污泥和酸洗脫灰污泥的熱解產氣特性,確定了污泥內在礦物質對NH3和HCN生成的抑制作用?？疾炝送饧拥V物質種類、添加量及加載方式對NH3和HCN產率的影響,結果表明添加量20%的Fe2O3和CaO對NH3和HCN的抑制效果分別達到50%和80%。與直接機械混合法相比,化學沉淀法加載Fe鹽對含氮氣體抑制效果更好。GC-MS分析了污水污泥和礦物質污泥的熱解氣態(tài)和焦油產物組分,發(fā)現了礦物質不影響300-500℃階段胺態(tài)氮化合物的生成反應,而抑制了