污泥微波熱解與傳統(tǒng)熱解過程硫轉(zhuǎn)化途徑解析

權(quán) 熙，張 軍，尹琳琳，左 薇，張 杰

（城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090）

譯者：權(quán) 熙；審查： 張 軍；單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

1 研究亮點(diǎn)

*微波熱解和傳統(tǒng)熱解污泥過程中，均發(fā)現(xiàn)硫醇、脂肪族含硫化合物和芳香族含硫化合物生成H2S 的相似路徑；

*與微波熱解相比，污泥傳統(tǒng)熱解H2S 產(chǎn)率大幅增加主要?dú)w因于焦油中芳香族含硫化合物和噻吩類含硫化合物的二次裂解，兩者產(chǎn)率分別提高了10.4%和11.3%；

*500～800 ℃時(shí)，微波熱解促進(jìn)固體焦中硫的積累，同時(shí)減少了H2S 產(chǎn)率。

2 背景

當(dāng)前，我國污泥存量巨大且其產(chǎn)生量仍以5%～10%的幅度遞增，污水污泥安全處理與處置已成為影響污水處理行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)境問題之一。污泥熱解是在隔絕空氣的情況下對(duì)污泥進(jìn)行加熱，將污泥轉(zhuǎn)化為可回收利用的熱解油、熱解氣以及固體焦過程。在溫度超過650 ℃時(shí)，污泥熱解的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)物是熱解燃?xì)?，其中H2+CO 含量達(dá)到熱解氣體總量的53%～72%。然而，熱解氣體中H2S 的存在影響了熱解氣的資源化利用且降低了燃?xì)馄焚|(zhì)，必須去除?；谡n題組前期研究成果，本研究通過分析不同熱解溫度下污泥含硫化合物在氣液固三相分配行為，以揭示微波熱解和傳統(tǒng)熱解兩種不同熱解方式下污泥釋放H2S 的反應(yīng)機(jī)理；同時(shí)利用生石灰共熱解方式進(jìn)行H2S 捕獲固定，解析了鈣基物質(zhì)對(duì)H2S 的原位控制機(jī)制。

3 研究方法

通過間歇運(yùn)行自主設(shè)計(jì)搭建的微波熱解裝置，運(yùn)用XPS、GC-MS、GC、FTIR、SEM 等方法定性/定量表征不同熱解條件下，污泥三相產(chǎn)物中的含硫物質(zhì)種類及含量；通過構(gòu)建各相產(chǎn)物中含硫物質(zhì)與熱解溫度的關(guān)聯(lián)體系，得到污泥含硫物質(zhì)與H2S 生成之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律；并通過生石灰與污泥混合共熱解的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)H2S 的原位固定。

4 主要研究結(jié)果

在微波熱解和傳統(tǒng)熱解過程中均發(fā)現(xiàn)了如下3 條相似的H2S 轉(zhuǎn)化途徑：300 ℃以下，污泥中不穩(wěn)定的硫醇結(jié)構(gòu)裂解釋放H2S；300～500 ℃，焦油中脂肪族含硫化合物分解形成H2S；500～800 ℃，熱解油中芳香族含硫化合物開環(huán)裂解產(chǎn)生H2S。其中，在傳統(tǒng)熱解700 ℃以上溫度發(fā)生噻吩類含硫化合物的二次裂解，而該途徑在微波熱解過程未發(fā)生。對(duì)比微波熱解和傳統(tǒng)熱解條件下H2S 產(chǎn)率發(fā)現(xiàn)：在500～800 ℃下，微波熱解可有效促進(jìn)固體焦中硫的積累并減少氣態(tài)H2S 的產(chǎn)率；傳統(tǒng)熱解過程中H2S 產(chǎn)率的顯著提高主要?dú)w因于芳香族含硫化合物和噻吩類含硫化合物的分解，研究發(fā)現(xiàn)兩者產(chǎn)率分別增加了10.4%和11.3%。此外，通過污泥與生石灰共熱解，發(fā)現(xiàn)CaO 與H2S 形成CaS 類物質(zhì)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣態(tài)含硫化合物向固態(tài)含硫化合物轉(zhuǎn)化，同時(shí)微波熱解抑制了噻吩類含硫化合物在高溫下的二次裂解，兩者共同實(shí)現(xiàn)了生物氣中含硫物質(zhì)的去除。

5 結(jié)論與展望

本研究系統(tǒng)分析了污泥微波熱解和傳統(tǒng)熱解條件下，熱解三相產(chǎn)物（固體焦、液態(tài)焦油和生物氣）中含硫物質(zhì)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，解析了兩種熱解條件下H2S 的生成機(jī)理，揭示了微波熱解污泥過程H2S 的原位控制機(jī)制。未來應(yīng)致力于開發(fā)污染氣體的綜合處理技術(shù)以及熱解產(chǎn)物的多元利用技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)污泥無害化和資源化處理技術(shù)的工程應(yīng)用。