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(shí)現(xiàn)固碳效果的富碳物質(zhì),是目前國際新興的研究熱點(diǎn)。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(shí)間、升溫速率、浸漬時(shí)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(shí)間60min,升溫速率25℃·min-1,活化劑浸漬時(shí)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(shí)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(shí),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(huì)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(yàn)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(jì)淋失量減少50.62%,SCOD累計(jì)淋出量減少30.47%;向粘土中施用10%的生物炭時(shí),淋洗液中累計(jì)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(shí),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(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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