污泥基生物炭制備及其保肥效能的應(yīng)用研究.pdf

1、近年來,污水處理過程中產(chǎn)生的污泥以其成分的復(fù)雜性和對環(huán)境的危害性成為制約污水處理工藝發(fā)揮環(huán)境保護(hù)效能的重要因素。熱解能夠?qū)崿F(xiàn)污泥中有毒有害成分的高效降解和穩(wěn)定化,是目前較有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N污泥處理方式。生物炭是利用熱解工藝將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為具有土壤結(jié)構(gòu)改良、增強(qiáng)土壤保肥效能、實現(xiàn)固碳效果的富碳物質(zhì),是目前國際新興的研究熱點。本研究利用市政污泥作為原料制備生物炭,引入低濃度的KOH作為活化劑,一方面能夠利用KOH較強(qiáng)的活化能力擴(kuò)展孔隙結(jié)構(gòu)、豐富

2、產(chǎn)物表面官能團(tuán),另外能夠使產(chǎn)物具有調(diào)節(jié)土壤pH的作用。加入的鉀鹽能作為催化劑加快污泥中有機(jī)物分解,改善熱解油性能。由于引入的鉀元素?zé)o毒無害且制備出的產(chǎn)物用于土壤改良,相比于用于水處理的活性炭而言要求較低,所以采用此制備工藝能夠減省傳統(tǒng)活性炭制備工藝中的水洗和酸洗步驟,對于降低生物炭制備成本有一定作用。
　　本文以城市污水處理廠風(fēng)干污泥為原料,考察了KOH活化制備污泥基生物炭工藝中活化劑濃度、熱解終溫、保溫時間、升溫速率、浸漬時間對

3、產(chǎn)物碘值、亞甲基藍(lán)值、陽離子交換量和產(chǎn)率的影響,探討了污泥基生物炭適宜的制備工藝參數(shù),即KOH濃度0.5mol·L-1,熱解終溫800℃,保溫時間60min,升溫速率25℃·min-1,活化劑浸漬時間18h。
　　采用掃描電子顯微分析(SEM)、傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)、X射線光電子能譜分析(XPS)、X射線衍射分析(XRD)等手段對生物炭理化性質(zhì)進(jìn)行表征,同時對KOH活化機(jī)理進(jìn)行了分析。在800℃不加KOH的條件下熱解

4、時,污泥中含氮物質(zhì)和O-H消耗殆盡,表面以羧基和少量的酚羥基為主。采用0.5MKOH活化后,生物炭表面O-C=O結(jié)構(gòu)所占比例由9.28％增加至15.76%,而芳香環(huán)P-P※躍遷和C-OR/H結(jié)構(gòu)分別由27.77%和35.51%降低至20.23%和32.51%。KOH活化制備的生物炭以炭石墨微晶、中間態(tài)鉀長石、硅鋁酸鹽等結(jié)構(gòu)為主,鉀鹽主要以中間態(tài)鉀長石、K2CO3、K2O、KO2為主,KOH的加入會與原料中大量存在的硅、鋁鹽反應(yīng)導(dǎo)致沸石結(jié)

5、構(gòu)在產(chǎn)物中出現(xiàn),這可能是產(chǎn)物陽離子交換量較其他文獻(xiàn)更高的重要原因。
　　采用室內(nèi)土柱淋濾試驗考察了施用生物炭對典型砂土和粘土中有機(jī)質(zhì)、四種主要陽離子(NH4+、K+、Ca2+、Mg2+)和四種主要陰離子(NO3-、PO43-、SO42-、Cl-)保持效能的影響。結(jié)果表明,施用10%的生物炭能使砂土COD累計淋失量減少50.62%,SCOD累計淋出量減少30.47%;向粘土中施用10%的生物炭時,淋洗液中累計COD和SCOD的減少量

6、為16.84%和11.48%。三維熒光光譜分析結(jié)果表明,生物炭主要通過吸附腐殖酸和富里酸兩類物質(zhì)起到保持土壤有機(jī)質(zhì)的作用。生物炭能夠?qū)ν寥乐蠳H4+、Ca2+、Mg2+和PO43-的保持起明顯促進(jìn)作用,施用量為10%時,砂土中四種離子淋失量分別減少59.11%、71.26%、83.39%和89.77%,粘土中的淋失量分別減少33.37%、34.08%、42.24%和97.27%。施用生物炭不利于NO3-、SO42-、Cl-的保持,三種離

7、子的淋出量均在不同程度上有所增加。
　　采用盆栽試驗的方法考察了施用不同比例的生物炭對黑麥草生長情況的影響,結(jié)果表明,砂土中生物炭施用量為5%時對黑麥草種子發(fā)芽的促進(jìn)作用最為明顯,發(fā)芽率達(dá)到95.83%,相比于未施用時增加了19.78%;而粘土中則隨施用量的增加發(fā)芽率一直呈降低趨勢;無論砂土和粘土,生物炭施用量小于10%時均能在不同程度上加快黑麥草發(fā)芽。施用生物炭對砂土中黑麥草葉片總重、單株葉片均重和平均葉長起到最明顯促進(jìn)作用的施