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污泥基生物炭制备及其保肥效能的应用研究

白旭佳  
【摘要】:近年来,污水处理过程中产生的污泥以其成分的复杂性和对环境的危害性成为制约污水处理工艺发挥环境保护效能的重要因素。热解能够实现污泥中有毒有害成分的高效降解和稳定化,是目前较有发展潜力的一种污泥处理方式。生物炭是利用热解工艺将生物质转化为具有土壤结构改良、增强土壤保肥效能、实现固碳效果的富碳物质,是目前国际新兴的研究热点。本研究利用市政污泥作为原料制备生物炭,引入低浓度的KOH作为活化剂,一方面能够利用KOH较强的活化能力扩展孔隙结构、丰富产物表面官能团,另外能够使产物具有调节土壤pH的作用。加入的钾盐能作为催化剂加快污泥中有机物分解,改善热解油性能。由于引入的钾元素无毒无害且制备出的产物用于土壤改良,相比于用于水处理的活性炭而言要求较低,所以采用此制备工艺能够减省传统活性炭制备工艺中的水洗和酸洗步骤,对于降低生物炭制备成本有一定作用。 本文以城市污水处理厂风干污泥为原料,考察了KOH活化制备污泥基生物炭工艺中活化剂浓度、热解终温、保温时间、升温速率、浸渍时间对产物碘值、亚甲基蓝值、阳离子交换量和产率的影响,探讨了污泥基生物炭适宜的制备工艺参数,即KOH浓度0.5mol·L~(-1),热解终温800,保温时间60min,升温速率25·min~(-1),活化剂浸渍时间18h。 采用扫描电子显微分析(SEM)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)、X射线衍射分析(XRD)等手段对生物炭理化性质进行表征,同时对KOH活化机理进行了分析。在800不加KOH的条件下热解时,污泥中含氮物质和O-H消耗殆尽,表面以羧基和少量的酚羟基为主。采用0.5MKOH活化后,生物炭表面O-C=O结构所占比例由9.28%增加至15.76%,而芳香环P-P跃迁和C-OR/H结构分别由27.77%和35.51%降低至20.23%和32.51%。KOH活化制备的生物炭以炭石墨微晶、中间态钾长石、硅铝酸盐等结构为主,钾盐主要以中间态钾长石、K_2CO_3、K_2O、 KO_2为主,KOH的加入会与原料中大量存在的硅、铝盐反应导致沸石结构在产物中出现,这可能是产物阳离子交换量较其他文献更高的重要原因。 采用室内土柱淋滤试验考察了施用生物炭对典型砂土和粘土中有机质、四种主要阳离子(NH_4~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+))和四种主要阴离子(NO_3~-、PO_4~(3-)、SO_4~(2-)、Cl~-)保持效能的影响。结果表明,施用10%的生物炭能使砂土COD累计淋失量减少50.62%,SCOD累计淋出量减少30.47%;向粘土中施用10%的生物炭时,淋洗液中累计COD和SCOD的减少量为16.84%和11.48%。三维荧光光谱分析结果表明,生物炭主要通过吸附腐殖酸和富里酸两类物质起到保持土壤有机质的作用。生物炭能够对土壤中NH_4~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)和PO_4~(3-)的保持起明显促进作用,施用量为10%时,砂土中四种离子淋失量分别减少59.11%、71.26%、83.39%和89.77%,粘土中的淋失量分别减少33.37%、34.08%、42.24%和97.27%。施用生物炭不利于NO_3~-、SO_4~(2-)、Cl~-的保持,三种离子的淋出量均在不同程度上有所增加。 采用盆栽试验的方法考察了施用不同比例的生物炭对黑麦草生长情况的影响,结果表明,砂土中生物炭施用量为5%时对黑麦草种子发芽的促进作用最为明显,发芽率达到95.83%,相比于未施用时增加了19.78%;而粘土中则随施用量的增加发芽率一直呈降低趋势;无论砂土和粘土,生物炭施用量小于10%时均能在不同程度上加快黑麦草发芽。施用生物炭对砂土中黑麦草叶片总重、单株叶片均重和平均叶长起到最明显促进作用的施用量为5%、15%和10%;对粘土而言生物炭适宜的施用量为5%,此时相比于未施用生物炭时,黑麦草单盆叶片总重、单株叶片均重和平均叶长分别增加36.55%、38.82%和24.14%。


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