生活废弃物生物质炭的特性研究

摘要

随着城镇化进程的加快，城市和村镇生活废弃物产生量的不断增加，生活废弃物造成的围城现象和环境污染日益突出。生活废弃物的处理已成为我国和世界各国面临的重大环境问题。生活废弃物焚烧曾作为废弃物资源化、减量化、无害化处理的一种较好模式广泛应用，但因其焚烧过程造成的二次污染给环境带来了巨大的压力，迫切需要探索一种高效安全的废弃物焚烧处理技术。生物质裂解气化技术作为生活废弃物处理的新技术，近来备受关注和研究。但对于生活废弃物裂解后产物—生物质炭特性的研究还未见报道。本研究比较了生活废弃物生物质炭与农业废弃物生物质炭的物理化学性质，研究了生活废弃物生物质炭的重金属吸附特性，以及其重金属含量和形态分布。研究结果为生活废弃物资源化利用提供了重要的科学理论依据。研究取得的主要结果有:
　　 1.采集四个批次（BC1、BC2、BC3和BC4分别代表第一、第二、第三和第四个批次的生物质炭）的人居生活废弃物来源的生物质炭样品，分析生物质炭的各项理化指标范围和差异性。结果表明，生物质炭中粒径小于2mm的部分占到95％以上，填充密度在0.55-0.65 g·cm-3之间; pH均在8.23-8.30之间呈碱性;电导率在5.70-5.84mS·cm-1之间;CEC在293.33-299.20 cmol·kg-1之间。不同批次含氧官能团总量之间无显著差异，总含量在4.27-4.43 mmol·g-1之间，其中碱性含氧官能团数量显著大于酸性含氧官能。生物质炭的有机碳含量在204.2-222.7 g·kg-1之间，不同批次NPK三种养分元素均无显著变化和明显差异，水溶性物质含量为16.56-23.06 g·kg-1。不同批次间的生物质炭速效P、K、NH4+-N、NO3--N都存在着不同程度的差异。不同批次的生物质炭理化特性变异系数都在15％以内，养分特性变异系数都大于15％。
　　 2.前40 min内生物质炭对Cd2+/Pb2+的吸附速度很快，随后变慢，约在1h后Cd2+/Pb2+吸附达到平衡。准二级动力学方程能更好的拟合生物质炭对Cd2+和Pb2+的吸附过程。等温吸附实验表明，Langmuir和Freundlich模型均能较好地拟合生物质炭对Cd2+的温吸附过程，但Pb2+的等温吸附过程比较符合Freundlich模型。在25℃和投4g·L-1的生物质炭投料比下，Langmuir模型拟合的Cd2+的最大吸附量达6.22 mg·g-1。吸附剂投加量研究结果表明，随着生物质炭吸附剂投加量的增大，Cd2+和Pb2+的去除率增加。pH对吸附影响结果表明，添加生物质炭能提高溶液的pH值，且对低pH的溶液提高的幅度较大。温度、pH和粒径都能影响生物质炭对Cd2+和Pb2+吸附量。
　　 3.人居生活废弃物来源的生物质炭重金属总量分析结果是:BC4的Cd最高为11.03 mg·kg-1，显著大于BC2，BC2显著大于BC1和BC3;而Pb、Cu、Zn和Mn的含量都是BC1最高，值分别为242.76 mg·kg-1、307.79 mg·kg-1、586.14 mg·kg-1、505.79mg·kg-1，显著大于其余三个批次的含量;Ni和Cr的含量是BC3最高，而As和Hg的含量是BC2含量最高。生物质炭各元素总含量（Hg除外）在不同批次间存在显著差异。不同批次重金属含量变异最大的是Pb，变异系数为31.52％，Cr、Cu和Ni的变异系数都在25-30％之间，其余重金属变异系数在10％左右。
　　 DTPA浸提态的重金属元素只测出了Cd、Pb、Cu、Zn、Mn和Ni。DTPA浸提态Cd占总量12％左右，Pb占20％左右。采用连续多级化学提取方法研究生物质炭不同形态分布，结果表明Cd、Pb、Cr、Cu主要以残渣态存在，占重金属总量的百分比分别是40％、50％、94％和75％，其次是晶形铁氧化态。按照不同标准评价生物质炭重金属污染程度，结果表明生活废弃物生物质炭完全符合农用粉煤灰和农用污泥的标准，但超出了废弃物农用的标准。单因子污染指数法的污染指数显示，除Cd元素外生物质炭各重金属元素污染程度较小。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 生活废弃物的现状

1．2 国内外生活废弃物处理技术现状

1．3 生活废弃物的热裂解技术及其特点

1．3．1 热裂解技术

1．3．2 热裂解技术特点

1．4 生物质炭的特性及其应用

1．4．1 生物质炭的性质

1．4．2 生物质炭的制备方法

1．4．3 生物质炭的应用

1．5 研究思路及目标

1．5．1 研究目的意义

1．5．2 研究目标

1．5．3 研究内容

第二章 生活废弃物生物质炭的理化特性

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 供试材料

2．2．2 分析方法

2．2．3 分析仪器

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 生物质炭基本理化性质分析

2．3．2 生物质炭表面化学性质分析

2．3．3 生物质炭养分特性分析

2．3．4 不同批次生物质炭变异性分析

2．4 小结

第三章 生活废弃物生物质炭的Cd2+/Pb2+吸附特性

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试材料

3．2．2 实验方法

3．3 结果与分析

3．3．1 吸附动力学

3．3．2 吸附等温线

3．3．3 吸附剂投加量对Cd2+/Pb2+去除率的影响

3．3．4 溶液pH对Cd2+/Pb2+吸附量的影响

3．3．5 生物质炭粒径对Cd2+/Pb2+吸附的影晌

3．4 小结

第四章 生活废弃物质炭的重金属组成特性

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 供试材料

4．2．2 分析方法

4．2．3 重金属污染程度的评价方法

4．3 结果与分析

4．3．1 生物质炭重金属含量

4．3．2 不同批次生物质炭重金属形态分级

4．3．4 不同批次生物质炭重金属污染评价

4．4 小结

第五章 全文结论与展望

5．1 全文结论

5．1．1 废弃物生物质炭的性质与农业废弃物质炭相似

5．1．2 不同批次的废弃物生物质炭的表面化学特性稳定

5．1．3 不同批次废弃物生物质炭养分和重金属含量变异性大

5．1．4 废弃物生物质炭在重金属形态组成上具有安全性

5．1．5 废弃物生物质炭具有吸附性能

5．2 创新点

5．3 不足之处

5．4 研究展望

参考文献

攻读学位论文发表论文

致谢