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热解时间对污泥炭特性的影响
热解作为一种污泥热处理技术具有良好的进展前景，其不仅能彻底杀灭寄生虫卵、病原微生物，充分裂解有机污染物，还能实现碳的固定、养分物质的回收和生物质能(生物油和热解气)的提取，并且能大幅降低污泥体积。污泥经热解后的固相产物，是一种高度芳香化、多孔的碳质炭渣，俗称污泥炭。污泥炭用途广泛，改良后可作为环保吸附材料或园林植物栽培基质，真正实现污泥的“减量化”“无害化”和“资源化”处理。但有讨论表明，热解后污泥中80%以上的重金属都转移到污泥炭中，成为阻滞污泥炭化产物资源化利用的主要因素之一。热解时间是影响污泥热解产物性质及重金属行为的重要因素。在高温热解过程中，污泥中有机物的裂解、重金属的富集及其形态的变化和污泥炭产物芳构化都需要肯定时间来完成。汤斯奇等在讨论不同热解终温柔热解时间下污泥生物质炭孔隙结构特征时发觉，随着热解时间的延长，污泥炭的孔隙由狭缝型向开放型转变。张清怡等在讨论热解时间对污泥生物炭中重金属的影响时发觉，增加热解时间能够有效地抑制Pb在生物炭中的富集，促进Cr在生物炭中的挥发，且能够在肯定程度上降低污泥中重金属的生态风险。目前的讨论主要集中在热解温度对污泥中重金属迁移转化的影响，而热解时间对污泥中重金属的富集、形态变化及其生态风险的影响讨论较少。本文探究了不同时间热解对污泥炭特性及重金属风险水平的影响。刁韩杰等讨论了热解温度(550~850℃，2h)对污泥炭特性及其重金属形态变化的影响，发觉当热解温度为在700℃时污泥炭中各重金属残渣态占总质量的百分数达到最大值，而当温度升至850℃时，污泥中各重金属相对稳定态的质量分数有所降低。另外，葛丽炜等发觉，当温度高于700℃时，污泥易灰化，产率不稳定。因此，笔者选择在700℃条件下，将原热解时间(2h)缩短、延长至1h、4h，分析不同热解时间(1，2，4h)对污泥炭特性、重金属形态变化及其生态风险水平的影响，以期探寻适合的炭化条件，为污泥热解处理供应技术参考。一、材料与方法1.1污泥炭的制备污泥样品取自杭州市某污水处理厂。将取回的样品置于烘箱(XMTD-8222，中国)中烘干至恒重，粉碎过120目筛备用。用箱式气氛炉(图1)热解制备污泥生物炭，温度设定为700℃，热解终温停留时间分别设定为1，2，4h，到时电源自动关闭，将气氛炉自然冷却至室温(约20℃)，取出污泥炭制品，每个试样重复3次。样品制备过程中，用高纯N2作为载气，热解前先开启载气阀门以1L/min的速率通入高纯N2，确保炉内空气排空，处于无氧状态，反应结束后持续通入N2直至炉内温度降至室温后关闭载气阀门。1.2样品分析方法1.2.1试样理化性质分析污泥和污泥炭样品灰分含量参照GB/T212—2022《煤的工业分析方法》测定，C、H、N、S含量采纳元素分析仪(VarioELⅢ，德国)测定，选用CaCO3和氨基苯磺酸标准物质进行质量掌握，pH(1∶10，w/V)用pH计(SevenCompact，瑞士)测定。试样比表面积用比表面积及空隙度仪(SAP2022M，美国)测定，依据BET方程计算总比表面积，污泥和污泥炭形貌特征(表面微观结构)用扫描电子显微镜(ShimadzuSS-550，日本)观看，表面官能团利用傅里叶变换红外光谱仪(ShimadzuIRPrestige21，日本)分析。1.2.2重金属总量和形态分析分析污泥和污泥炭重金属总量时，将样品先依据USEPA3050B方法消解，再用电感耦合等离子体放射光谱仪(ICP-OES，Prodigy7，LeemanLabs，美国)测定。分析重金属形态时，先采纳BCR分步连续提取法[6]提取依次获得酸溶态和可交换态(F1)、还原态(F2)、氧化态(F3)，剩余的重金属残渣态(F4)参考USEPA3050B方法消解后，与前3种形态重金属一起用ICP-OES测定。二、重金属的风险评价方法风险评价指数法(RAC)是基于重金属形态的一种评估方式，重在考察活性态对环境的危害指数，即酸溶态和可交换态(F1)占重金属总含量百分数，酸溶态和可交换态重金属的比例越高，该重金属的生态环境风险也就越大。污泥及其生物炭中所含重金属的生态风险可被划分为5个等级，详细见表1。RAC计算如式(1)所示：式中：CF1为BCR分布连续提取中第1步酸溶态和可交换态(F1)重金属浓度，mg/kg，∑4i=1CFi为BCR分布连续提取中每部分(F1+F2+F3+F4)重金属浓度加和，mg/kg。三、结果与争论3.1热解时间对污泥炭理化性质的影响不同停留时间热解得到的污泥炭的理化性质如表2所示。污泥炭的产率随着热解时间的延长呈下降趋势，这与PENG等的讨论结果全都。污泥炭的比表面积随着热解时间的延长显著增大。原污泥的比表面积仅为11.4