微波热解污水污泥过程中氮转化途径及调控策略

摘要

微波高温热解污水污泥具有污泥高效减容、重金属有效固定、副产物资源利用等优点,引起了国内外学者的高度关注。污泥中50％-80%的N在高温热解过程中转化为含氮气体,降低了生物燃气品质,造成了环境的二次污染。本文考察了含氮污染气体生成的影响因素,构建了切合污泥化学组分和官能团特征的含氮模型化合物,解析了污水污泥微波热解过程含氮化合物转化途径,明确了矿物添加剂抑制含氮污染气体产生机制并提出含氮污染气体选择性转化生成N2的污染控制措施。
　　本研究通过序批实验考察了微波热解污水污泥过程失重规律,结果表明微波热解过程中蛋白质、糖类和脂类有机物的分解反应阶段相互叠加,而传统热解过程中三类有机物的分解反应呈现明显的三阶段特征。利用FTIR分析了气态含氮化合物的主要成分,结果显示NH3和HCN是主要气态含氮化合物,两者含量分别占含氮气体总量的70%和10%。考察了热解终温、污泥含水率、升温速率和微波能吸收物质对NH3和HCN产率的影响,实验结果表明热解温度、升温速率、污泥含水率和微波能吸收物质是影响NH3和HCN形成的主要因素。微波热解污泥过程中,热解终温、升温速率和污泥含水率的增加均促进NH3和HCN的生成。
　　XPS分析表明污泥氮的主要存在形式为无机铵态氮,蛋白质氮和碱性杂环氮(吡咯和吡啶),定量分析表明蛋白质氮是污泥氮的主要存在形式,其含量占污泥总氮含量的90%。采用异硫氰酸苯酯(PITC)柱前衍生化反相高效液相色谱法(RP-HPLC)检测污泥蛋白质氨基酸组成及含量,结果表明精氨酸、甘氨酸、脯氨酸等八种氨基酸的含量占到氨基酸总量的82%以上。利用谷氨酸、精氨酸、赖氨酸、脯氨酸、苏氨酸、丙氨酸、亮氨酸和甘氨酸构建了理论模型化合物,各组分质量比为15:6:6:16:21:6:21:9,同时根据污泥氨基酸组成和比例相似原则筛选出又一种有机聚合肽链形式的大豆蛋白模型化合物。通过对两种含氮模型化合物的微波热解产气特性对比发现,大豆蛋白与脱灰污泥的含氮气体产率相似度>80%,大豆蛋白作为污泥含氮模型化合物更合理。微波热解大豆蛋白模型化合物发现了三种重要含氮中间产物,分别为胺态氮、含氮杂环和腈类氮化合物。微波热解模型化合物的氮转化途径分析表明,三类中间产物贡献了97%以上的(NH3+HCN)总产量。
　　利用XPS、GC-MS等分析手段,研究了含氮官能团在微波热解污水污泥三相产物中的转化规律,并分析了微波热解污泥过程中含氮化合物的转化途径。在温度低于300℃时,污泥中的无机氮和小部分的蛋白质氮分解生成NH3。在300-500℃时,污泥中大量的蛋白质热裂解生成了焦油中的胺类化合物,并伴随着大量NH3生成。500-800℃时,焦油中的胺态-N大量裂解生成含氮杂环-N和腈类-N化合物,并伴随着NH3和HCN的大量产生。微波热解污水污泥NH3和HCN生成途径分析表明,污泥热解过程中的二次裂解反应是生成NH3和HCN的主要途径,胺态氮、含氮杂环和腈类氮化合物的裂解反应贡献了热解全部(HCN+NH3)产量的80%以上,因此可以考虑通过控制三类含氮中间产物的产生来减少NH3和HCN的释放。
　　通过对比污水污泥和酸洗脱灰污泥的热解产气特性,确定了污泥内在矿物质对NH3和HCN生成的抑制作用。考察了外加矿物质种类、添加量及加载方式对NH3和HCN产率的影响,结果表明添加量20%的Fe2O3和CaO对NH3和HCN的抑制效果分别达到50%和80%。与直接机械混合法相比,化学沉淀法加载Fe盐对含氮气体抑制效果更好。GC-MS分析了污水污泥和矿物质污泥的热解气态和焦油产物组分,发现了矿物质不影响300-500℃阶段胺态氮化合物的生成反应,而抑制了500-800℃阶段含氮杂环-N和腈类-N化合物的生成过程,导致焦油中含氮杂环-N和腈类-N化合物含量大量减少,继而使得含氮杂环-N和腈类-N化合物热解生成的HCN含量大量下降。铁和钙元素结合含氮中间产物生成一种Fe-N-Ca络合物质,微波非热效应降低了此反应的活化能,因而促进NH3和HCN生成N2和H2。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 污泥来源、性质及其危害

1.3 污泥处理处置技术

1.4 热解气态含氮化合物的危害及氮转化行为研究现状

1.5 课题研究意义与内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 研究方法

第3章 微波热解污水污泥过程中NH3和HCN产率的影响因素研究

3.1 引言

3.2 微波热解污水污泥过程热失重分析

3.3 污水污泥含氮官能团及微波热解气态含氮化合物分析

3.4 热解终温对NH3和HCN产率影响

3.5 污泥含水率对NH3和HCN产率影响

3.6 微波升温速率对NH3和HCN产率影响

3.7 微波能吸收物质对NH3和HCN产率影响

3.8 本章小结

第4章 污水污泥含氮模型化合物NH3、HCN释放特性

4.1 引言

4.2 污水污泥含氮化合物解析及定量分析

4.3 污水污泥氨基酸的组成及含量分析

4.4 微波热解不同氨基酸NH3和HCN释放特性

4.5 污水污泥蛋白质模型化合物分析

4.6 微波热解模型化合物过程中NH3和HCN释放特性

4.7 微波热解模型化合物过程中N转化规律研究

4.8 本章小结

第5章 微波热解污水污泥过程中NH3、HCN生成机理及调控策略研究

5.1 引言

5.2 微波热解污水污泥过程中氮转化机理研究

5.3 污水污泥内在矿物质对NH3和HCN产率的抑制

5.4 矿物添加剂对NH3和HCN产率的调控

5.5 矿物质对含氮气体调控机制研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历