市政污泥热解制备生物炭实验研究_袁浩然

Ｖａｄ ＦＣａｄ Ａａｄ ＨＨＶ／ｋＪ·ｋｇ－１
１２．１５ ２．７４ １．５７ ０．４８ １４．４９ ２８．３４ ２．９２ ６８．７４ ３７２５．３５
① ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．
１．２ 实 验 装 置 生物炭制备装置如图１所示，由进气系统、进
料系统、热解系统组成。进气系统包括氮气瓶、减 压阀、流量计、管路。进料系统包括进料斗、步进 电机、传动装置、推料杆。热解系统包括热解管、 温控 器， 热 解 管 材 质 为 １８Ｃｒ－１２Ｎｉ－２．５Ｍｏ不 锈 钢， 长度为８００ ｍｍ，直径为 ５０ ｍｍ，温控器控温范围 为０～１０００℃，控 温 精 度 为 ０．１℃。 污 泥 样 品 及 生 物 炭 称 重 采 用 精 密 天 平 ， 精 度 为０．０１ｇ， 元 素 分 析 所用仪器为德国 ＶＡＲＩＯＥＬⅢ元素分析仪。
第 ６３ 卷 第 １０ 期 ２０１２年１０月
化 工 学 报 ＣＩＥＳＣ Ｊｏｕｒｎａｌ
Ｖｏｌ．６３ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１２
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研究简报
市政污泥热解制备生物炭实验研究
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袁浩然１，２ ， 鲁 涛１，２ ， 黄宏宇１，２ ， 王亚琢１，２ ， 邢世友１，２ ， 熊祖鸿１，２ ， 陈 勇１，２
图 １ 实 验 装 置 示 意 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ １—ｎｉｔｒｏｇｅｎ；２—ｒｅｌｉｅｖｅ ｖａｌｖｅ；３—ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ；４—ｍｏｔｏｒ；
５—ｇｅａｒ；６—ｐｕｓｈ－ｏｆｆ ａｒｍ；７—ｆｅｅｄ ｆｕｎｎｅｌ；８—ｖａｌｖｅ； ９—ｐｙｒｏｌｙｚｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ；１０—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； １１—ｆｅｅｄ；１２—ｆｕｒｎａｃｅ ｄｏｏｒ；１３—ｇａｓ ｐｉｐｅ； １４—ｇａｓ－ｗａｓｈｉｎｇ ｂｏｔｔｌｅ
表 １ 污 泥 样 品 元 素 分 析 及 工 业 分 析 Ｔａｂｌｅ １ Ｕｌｔｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｓｌｕｄｇｅ ｆｅｅｄ
Ｕｌｔｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ／％
Ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ／％
Ｃ Ｈ Ｎ Baidu NhomakorabeaＳ Ｏ①
第 １０ 期
袁浩然等：市政污泥热解制备生物炭实验研究
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同时，施用生物炭是 “负碳” 过程，具有减少二氧 化碳 排 放、 缓 解 温 室 效 应 的 作 用， Ｗｏｏｌｆ 等［５］指 出，生物炭每年可减排温室气体数量可达到人类温 室气体排 放 总 量 的 １２％。 因 此， 将 生 物 炭 施 用 于 土壤具有增强土壤肥力和减缓碳排放的双重意义。
文章编号：０４３８－１１５７ （２０１２）１０－３３１０－０６
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ ｐｒｅｐａｒｉｎｇ ｂｉｏｃｈａｒ ｂｙ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｌｕｄｇｅ
ＹＵＡＮ Ｈａｏｒａｎ１，２，ＬＵ Ｔａｏ１，２，ＨＵＡＮＧ Ｈｏｎｇｙｕ１，２，ＷＡＮＧ Ｙａｚｈｕｏ１，２，ＸＩＮＧ Ｓｈｉｙｏｕ１，２， ＸＩＯＮＧ Ｚｕｈｏｎｇ１，２，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ１，２
制备生物 炭 的 原 料 包 括 秸 秆、 稻 壳、 废 弃 木 料、市政污泥等多种有机废弃物。目前，农林废弃 物作为能源、资源的概念已得到广泛认同，通过直 燃发电或气化发电而大量消耗，农林废弃物价格高 涨［６－７］，因此，农林废 弃 物 利 用 向 着 高 值 化、 深 加 工方向发展，例如生物质转化二甲醚技术 。 ［８］ 另 一 方面，大量产生的市政污泥含有病菌、虫卵、重金 属等有毒有害物，其妥善处理一直是固体废物处理 处置中的难题之一。焚烧法具有良好的减容化、能 源化处置优势，但二次污染问题难以有效解决。因 含有丰富的 Ｎ、Ｐ 等营养元素，农田施用是污泥处 置的另一种方式，但直接施用，易导致土壤重金属 超标，同 时 存 在 有 毒 病 菌、 虫 卵 的 繁 殖 扩 散 的 危 害。热解法处理污泥得到了广泛关注，通过热解将 大部分能量转移到热解气、热解油中而加以利用， 同时杀死了有毒病菌、虫卵等，固化了重金属。众 多学者在污泥热解气、热解油的高效转化及利用方 面 进 行 了 大 量 研 究 工 作， 李 海 英 等［９］、Ｉｎｇｕａｎｚｏ 等［１０］分别研究了热解条件对 热 解 产 物 分 布 的 影 响， Ｓｈｅｎ等［１１］、Ｆｏｎｔｓ等 分 ［１２］ 别 进 行 了 热 解 污 泥 获 取 生 物 油 实 验，Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ等 以 ［１３］ 湿 污 泥 为 原 料 进 行了制取富氢燃气实验研究。而污泥生物炭制备及 农田施用的研究较少，Ｙｏｓｈｉｄａ等 采 ［１４］ 用快速 碳 化 的方法， 开 展 了 快 速 制 备 污 泥 生 物 炭 的 实 验， Ｈｏｓｓａｉｎ等 考 ［１５］ 察了热解温度、保留时间对污泥 生 物炭相关农用性质的影响，国内很少见到有关污泥 生物炭制备及农用的公开报道。为此，本文以华南 地 区 普 通 地 市 市 政 污 泥 为 原 料 ， 开 展 了 热 解 制 备 生 物炭实验，重点研究不同热解温度下生物炭转化及 生物炭中重金属、营养元素含量变化情况，获得污 泥生物炭制备过程中的基本数据，确保污泥生物炭 农田施用的安全性及有效性。
亚马逊盆地黑土含有丰富的生物炭，多年耕种后， 仍保持持久肥力 。 ［２］ 研究表明，生物炭是稳定 的 碳 载体，在土壤中可保持长达百年至千年之久，土壤 中施用生 物 炭 可 提 高 土 壤 中 有 机 碳 以 及 腐 殖 质 含 量，从而提高土壤的养分吸持容量及持 水 容 量 。 ［３－４］
２０１２－０２－１４ 收 到 初 稿 ，２０１２－０４－１９ 收 到 修 改 稿 。 联系人：鲁 涛。 第 一 作 者： 袁 浩 然 （１９８１—）， 男， 博 士， 助
１ 材料与方法
１．１ 实 验 材 料 实验采用的污泥全部取自肇庆市某污水处理厂
脱水机房，污水来源为市政污水，处理工艺为微曝 气氧化沟工艺，污泥 含 水 率 为 ７９．０５％， 有 机 物 含
量 为 ２０．５％ 。 污 泥 样 品 在 １０５℃ 下 烘 干 至 恒 重 ， 并 研磨至０．１６～０．１８ ｍｍ， 然 后 置 于 密 封 袋 中 保 存。 污 泥 的 工 业 分 析 及 元 素 分 析 结 果 见 表 １。
（１ 中国科学院广州能源研究所，广东 广州 ５１０６４０；２ 中国科学院天然气水合物与可再生能源重点实验室，广东 广州 ５１０６４０）
关键词：市政污泥；热解；生物炭；重金属；营养元素 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－１１５７．２０１２．１０．０４３ 中 图 分 类 号 ：Ｘ ７０５ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｌｕｄｇｅ；ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ；ｂｉｏｃｈａｒ；ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ；ｎｕｔｒｉｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
引 言
生物炭是有机物质在缺氧或贫氧气氛下经热裂 解过程产生的固体产物 ， ［１］ 目前对生物炭的研 究 兴 趣源于对 亚 马 逊 盆 地 黑 土 （Ｔｅｒｒａ Ｐｒｅｔａ） 的 认 识，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｂｙ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｌｕｄｇｅ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ａ ｔｕｂｅ ｆｕｒｎａｃｅ ｒｅａｃｔｏｒ ａｔ ３００—７００℃ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ３００℃ ｔｏ ７００℃，ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ９０．１４％ ｔｏ ７３．３６％，ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｆｉｘｅｄ－ｃａｒｂｏｎ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ８．７６％—１２．０１％，ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ７５．９％ ｔｏ ２８．５％ ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｌ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｌｕｄｇｅ ｆｅｅｄ ａｎｄ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｃｏｕｌｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｕｓｅ．Ｔｈｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈａｓ ｌａｒｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｖｏｌａｔｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｈｇ ａｎｄ Ｃｒ，ａｎｄ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｏｔｈｅｒ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ；ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｒａｔｉｏ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ ｗｉｄｅｌｙ ｆｏｒ Ｈｇ ａｎｄ Ｃｒ，ａｎｄ ｉｓ ａｔ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｆｏｒ Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｓ，Ｐｂ，Ｚｎ ａｎｄ Ｃｄ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｉｎ ｂｉｏｃｈａｒ ｆｏｒ ｎｕｔｒｉｅｎｔ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ， ｗｈｉｌｅ ｂｏｔｈ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ａｎｄ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ａｒｅ ｅｎｒｉｃｈｅｄ ｉｎ ｂｉｏｃｈａｒ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｂｉｏｃｈａｒ ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｕｓｅ．
（１ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
ｇｒａｍ ｏｆ Ｃｈｉｎａ （２０１１ＣＢ２０１５０１），ｔｈｅ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ （ＫＳＣＸ２－ＥＷ－Ｇ－１－５）ａｎｄ ｔｈｅ Ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ －Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ （２０１０Ａ０９０１０００３５）．
１．３ 实 验 过 程 及 分 析 方 法 生物炭制备过程是在氮气气氛下进行，首先将
污泥样品 放 入 进 料 斗， 然 后 关 闭 进 料 斗 上 的 阀 门 ８， 以 杜 绝 空 气 进 入 。 当 热 解 炉 温 度 达 到 预 定 值 后 ， 以１．０Ｌ·ｍｉｎ－１ 的 速 率 通 入 氮 气 吹 扫 约 ３０ ｍｉｎ， 随后打开步进电机，将进料斗中的约 １００ｇ污泥样 品完全送入热解炉内，为精确确定污泥样品及生物 炭产率，同时快速将瓷方舟中已准确称量的污泥样 品 （１４．００ｇ） 从炉 门 放 入 热 解 炉 中， 随 后 关 闭 氮 气。观察洗气瓶，当不再出现气泡时，认为热解过
理研究员。 基金项目：国家重点基础研 究 发 展 计 划 项 目 （２０１１ＣＢ２０１５０１）；
中国科学院 知 识 创 新 工 程 重 要 方 向 项 目 （ＫＳＣＸ２－ＥＷ－Ｇ－１－５）； 广 东省中科院全面战略合作项目 （２０１０Ａ０９０１０００３５）。
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２０１２－０２－１４． Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ：Ｄｒ．ＬＵ Ｔａｏ，ｌｕｔａｏ＠ｍｓ．ｇｉｅｃ．ａｃ．ｃｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂａｓｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏ－