基于污水污泥热解生产生物炭外文翻译资料

 2022-01-13 22:35:11

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基于污水污泥热解生产生物炭

摘要

通过污水污泥热解来测热解温度、停留时间和生物质化学浸渍对生物炭产量的影响。热解温度是影响生物炭产量的关键因素，在300℃的温度下获得最高产量。生物炭表面积随着热解温度的升高而增加，并且通过用K2CO3浸渍生物炭而达到最大化（90m2 / g）。对原始污水污泥以及生物炭样品经过浸出测试来研究重金属的潜在释放，热解抑制了非浸渍生物炭中的重金属释放，表明使用污泥生物炭作为土壤改良剂没有环境风险。虽然K2CO3和H3PO4浸渍增强了对于特定的重金属溶解性，但是渗滤液中的重金属浓度很低。浸渍K2CO3生物炭释放出85.7％的钾，而浸渍H3PO4生物炭中正磷酸盐结合基质牢固。对未浸渍的生物炭进行动力学实验以检测其吸附As（V）和Cr（III）的能力。 生物炭在平衡时间去除了大约70％的Cr（III），而只有30％的As（V）被吸附在生物炭表面上，这意味着与阴离子相比，生物炭去除水溶液中的阳离子更有效。

关键词：生物炭；污水污泥；热解；化学浸渍；TCLP；吸附实验

1.引言

随着世界人口急剧上升，由于处理污水的要求严格和连接到下水道的家庭数量逐渐增加，在废水处理过程中产生的污水污泥量增加。例如，最近在欧盟估计产生污水污泥年干重约1013万吨[1]。污水污泥对人类来说是一个难以处理的废物，不仅因为其产量大，而且含有高浓度的重金属和病原体。除了用于污水污泥处理的传统方法（直接用于农业，焚烧和填埋），关于这种废物的热处理最近引起了人们很大兴趣。虽然有各种替代的热处理方法，如微波热处理[2,3]，但现在研究重点是热解生物质转化。热解有机质可以产生气体和焦油可作为替代能源[4]，以及富含碳的固体副产品（炭）。来自于生物质的焦炭被用作农业用途称为生物炭。由于其可能提高土壤生产力[5]，修复受污染的土壤[6]并减缓气候变化[7,8]的潜力，受到政治界和科学界关注。

热解过程中参数如温度，停留时间，加热速率和粒度会影响产生的生物炭的质量和数量特征，因此它与应用环境的相互作用。这些参数中，热解温度对于生产生物炭的质量[9]影响最大。随着热解温度的增加导致生物炭产量下降[10,11]， N总含量、吸收水的容量和阳离子交换能力降低（CEC）[9,12,13]，但是提高了生物炭的pH值、BET比表面积 [14,15]、碳含量[16]、可用营养素[12]和重金属稳定性[17]。很明显，最佳的热解温度取决于生物炭的不同应用。低温产生的生物炭适用于农业用途然而较高的温度可以改善其孔隙度，从而增强其孔隙率有效吸附土壤中的污染物。

污水污泥向生物炭的热解转化是减少这种浪费同时发挥上述环境效益的一种很好的方法。虽然污水污泥是磷，氮，微量营养素和有机物质的宝贵来源，可以积极影响土壤植物的性质[18]，但其含有重金属限制了土壤应用，污泥预计含有铬，铅，铜，镍和其他金属，平均浓度约为0.1-0.3％w / w [19]，为了测定污泥炭的在土壤中的应用对环境影响，重要的是了解其中重金属的溶解度，流动性和在土壤中的几率。因此，有很多研究人员进行污泥炭的重金属含量检测、重金属的结合模式和污泥炭重金属释放、模拟土壤条件或进行浸出实验[17,20,21]。他们都得出结论，重金属在生物炭中是稳定的并且热解能够减少它们的潜在释放。

这项研究的目的是调查从污水污泥中生产生物炭利用它优质的特性用于农业（改善土壤生产力）以及环境（修复被污染的土壤）的可行性。为了实现高产率，热解在低温范围（300-500℃）下进行，通过研究发现污水污泥浸渍了K2CO3和H3PO4会使样品的表面积增加。这种污泥炭的化学预处理是在活性炭的生产中已经证实能够增加它们的BET表面积的一种常用的做法，但它不适用于污泥炭生产，选择这些浸渍剂以便利于潜在浸出到土壤中K和P。此外，为了评估污泥炭应用于土壤的可行性，对污泥炭中释放出的重金属进行了标准浸出检测试验。最后，对未浸渍的生物炭是进行动力学实验以研究其吸附As（V）和Cr（III）的能力。选择第一种重金属作为代表性的阴离子，它给人类和环境带来了不利的影响，而后者则是为了研究生物炭固定阳离子的潜在作用。

2．材料和方法

2.1．污水污泥

污水污泥来自哈尼亚市污水处理厂， 这个工厂市政污水通过活性污泥系进行二级处理，而污泥处理是通过厌氧消化和带式压滤机脱水。将脱水污泥在103℃烘箱中干燥且保持24小时，然后将其压碎、过筛并储存在密闭的塑料袋中。原材料的特性在表1中给出，用于测定的方法会在以下部分中介绍。

表1 污水污泥的物理特性（近似分析）

a原样

b干燥

c由差异测定

2.1.1水分含量

根据ASTM D2216-98 [22]水分含量通过在110℃下烘箱干燥直至测定污水污泥恒重来测量。

2.1.2灰分含量

为了确定污水污泥的灰分含量，取2克干燥样品放置在提前测好质量的坩埚中。样本和坩埚一起称重，然后在600℃马弗炉中加热。 在干燥器中冷却后，再称量坩埚和灰分的质量。 持续加热30分钟直至恒重。灰分的百分比如下确定[23]：

总灰分 (%) =（）

其中Wc是坩埚的重量，W1是坩埚的重量样品和坩埚和W2是坩埚的重量

2.1.3挥发物含量

污泥挥发物根据标准方法[24]测定， 将干燥的污泥样品放入提前测好质量的坩埚中，在马弗炉中500plusmn;50℃下加热1小时，然后在干燥器中冷却并称重。每次加热30分钟重复操作，直至恒重。挥发的百分比事项确定如下：

挥发物(%)=

其中A是干燥样品和坩埚的重量，B是坩埚重量，C是加热后残留物和坩埚的重量。

2.1.4 灰分组成

使用X射线荧光（XRF）光谱技术用于表征污水污泥中的无机成分，特别是其Ca，Fe和Al含量。

2.1.5 污泥中重金属含量的测定

在重金属测定之前，按照EPA 3015A微波助酸消化方法[25]，使用微波加热将污泥样品溶解在浓硝酸中。然后溶解物的重金属含量用配备的石墨炉（Analytik Jena，AAS6 Vario）原子吸收分光光度计测量。 在这项研究中，测定了污泥中Cd，Cu，Ni，Pb，Cr和As的含量。

2.2．污水污泥的热解

在目前的研究中，进行热解的样品是无添加化学试剂的污水污泥或用化学试剂（K2CO3和H3PO4）浸渍的污水污泥。为制备第一种，将30g原污泥放在玻璃烧杯中，加入100mL蒸馏水混合，然后搅拌并在250℃下加热直至得到浓稠的糊状物（水分~60％）。浸渍样品制备是在玻璃烧杯中分别加入10g或20g K2CO3和H3PO4到20g原污水污泥中，以达到浸渍率（化学品与干燥样品的质量比）分别为0.5和1,然后在玻璃烧杯中加入100mL蒸馏水将混合物搅拌并在250℃下加热，直至得到浓稠的糊状物。将其中一小部分糊状物用于水分含量测定，而将其余部分放入坩埚中进行热解。

分别在300、400和500℃马弗炉（Linn High Therm）中进行热解，为保持无氧气氛，在此过程中氮气在a处供给系统的流速为200 mL / min。升温速率设定为17℃/ min，达到目标温度后，每个样品为在操作炉中保持30、60和90分钟（停留时间）。然后将生物炭从炉中取出，在干燥器冷却至室温，称重并储存在密封的塑料盒中。

以下文中，未浸渍的污泥炭将被称为BC，用K2CO3 浸渍污泥炭比例为0.5和1分别称为BC-K（0.5）和BC-K（1），H3PO4浸渍的污泥炭比例分别为0.5和1的缩写为BC-P（0.5）和BC-P（1）。

2.3生物炭表征

2.3.1生物炭产量

生物炭的产率确定为热解产生的生物炭的质量和污水污泥的干重的比率：

生物炭产量（％）=（W2 / W1）100（3）

其中W1是在热解之前污水污泥样品的干重，W2是生物炭质量。

浸渍生物炭的产率是通过热解获得的浸渍生物炭质量减去化学试剂质量计算来得到的。

2.3.2．生物炭的元素分析

通过EuroVector EA300系列元素分析仪在1020℃冲洗燃烧，测定原污水污泥和生物炭样品碳，氢和氮化学元素。

2.3.3．生物炭表面积

生物炭表面积由气体吸附分析仪NOVA 2200、 Quantachrome和Quantachrome软件通过的氮气吸附数据确定，吸收平衡时间设定为90秒。在p / p0范围为0.025，我们根据所选的N2吸附数据，使用BET方法计算表面积。

2.4．浸出测试-- TCLP法

为了测定污水污泥和生物炭重金属的潜在浸出到土壤，使用毒性特征沥滤方法（TCLP）[26]。 TCLP方法已经用来模拟有机和无机化合物的浸出，可以确定污染物到液体的潜在转移。

基于TCLP方法，分别制备pH 4.93plusmn;0.05和2.88plusmn;0.05两种乙酸提取液。前者用于提取pH小于5.0的样品，而后者适用于即使加入HCl 后pH值仍保持在5.0以上的样品。之后，取10.0克样品和适当的提取液置于容器中，使液固比为20。将提取容器置于旋转搅拌装置中在50℃下以30plusmn;2 rpm转速搅拌18plusmn;2小时。提取后，将滤液通过真空过滤分离得到它们的固相和液相。根据标准方法用HNO 3和HCl酸化滤液 [24]，使用石墨炉（Analytik Jena，AAS6 Vario）原子吸收分光光度计测定重金属含量。

此外，为检测化学元素的潜在浸出对浸渍样品的滤液作进一步分析。按照标准分析方法测定滤液中的钾和正磷酸盐含量，分别使用“细胞试验，Merck”和抗坏血酸法测定[24]。

2.5 As（V）和Cr（III）动力学实验

通过把Na2HAsO4·7H2O和Cr（NO3）3·9H2O溶解在蒸馏水分别中制备1000 mg / L As（V）和100 mg / L Cr（III）的储备液。 将这些溶液进一步在蒸馏水中稀释，获得50ug / L As（V）和200ug / L Cr（III）的两种工作溶液。

动力学实验如下：把150mL的工作液和4g/ L生物炭混合，在室温下以200rpm在振动筛上搅拌特定的时间间隔。 在每个时间间隔结束时，取出样品并随后取样通过Whatman GF / C过滤器和注射器膜过滤器（0.45um）过滤，然后用石墨炉（Analytik Jena，AAS6 Vario）原子吸收分光光度计测定滤液的特定金属含量，可以通过液相的初始和最终金属浓度的差异计算出吸附的重金属含量。

3.结果与讨论

3.1．污水污泥重金属含量

表2列出了污水污泥中的重金属含量，与先前相关研究报告中报道的比较发现，在废水处理过程中，废水中约占50-80％重金属含量固定在污水中污泥中，这解释了特定金属在污泥中浓度高[19]的现象。在目前的研究中，由于国内的原始样品中微量元素的含量并不高，没有超过污水污泥土地应用的EPA阈值（表2中粗体字母的数字）[27]。 As的浓度低于检测下限，Cd浓度为0.78 mg / kg，而美国环保署规定的最高浓度为75和85mg/kg。这些发现是符合的表2中列出的文献数据,而那些报道较高的数值来自于商业或工业污泥样品[28]。 Ni和Cr的浓度分别为22.86和23.86 mg / kg，Pb和Cu水平相当高，分别达到91.23和176.51 mg / kg。这些数值中除了Cu和Cr含量明显比其他研究表2中低之外大多数都很接近表2中，例如，Lu等人[29]发现Cu和Cr浓度等于445和165 mg / kg。在表2中列出的研究中污泥是从城市废水处理厂获得的，虽然是在大多数情况下，但不能排除工业/商业废水的存在。然而，在目前的研究中，污水样本来自严格的生活污水，因为哈尼亚污水处理厂的没有工业废水。此外，哈尼亚市有用于污水和雨水径流分开的下水道系统，因此微量元素可能被雨水冲走而不会被输送到废水处理厂。

表2文献报道的各种污水污泥的重金属分析与重金属含量的比较

a BDL代表“检测下限”

b NM代表“未测量”

3.2．生物炭产量

在表3中，给出了在不同热解温度和停留时间下产生的生物炭的产率。 增加停留时间并没有影响生物炭的产量，我们发现在热解温度下保持30、60和90分钟，样品产量没有明显变化， 这意味着热解反应在30分钟内完成，没有必要热解更长的时间。

表3在不同的热解温度和不同的停留时间下生物炭产量的平均值

a干燥的原料质量

b表中的值是三次实验的平均值。

热解温度的升高导致生物炭产量显著下降，例如，BC的干重产率在300℃为62.5％，而400℃时产量下降到28.5％。在300至500℃的温度下，BC，BC-K（1），BC-K（0.5），BC-P（1）和BC-P（0.5）的产量分别减少了35.2％、20.5％、28.8％、20％和14.6％。生物炭产率下降可能与进一步的热解转化有关，因此它可能是由于初始原料的较大初级分解或固体残余物的二次反应[30]。许多研究人

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资料编号：[1419]

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