【摘 要】
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纺织印染污泥(TDS)是一种含多种重金属、有机污染物、毒性大的固体废弃物,目前主流的处理技术为卫生填埋与焚烧。但由于印染污泥具有高含水率、低热值的固有缺陷,难以单独燃烧,因此,需要寻找合适的辅助燃料来弥补其自身的不足。热解技术,可以同时实现减废和回收增值产品的双重目标,应用于处理印染污泥也有巨大的潜力。基于碳减排的背景和优化能源结构的目的,本文选取了区域性农业废弃物榴莲壳(DS)作为辅助燃料与印染
【基金项目】
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国家自然科学基金,污泥富氧掺烧体系中Cl/S/P-矿物质的热交互行为与多种重金属迁移的关联机制(编号:51978175); 广州市重点研发计划(农业和社会发展科技),残留调理剂在污泥“调理脱水—干化—掺烧/热解/气化”全过程中诱发二次污染物迁移转化行为归趋、污染调控与示范应用; 肇庆市科技计划,粤西化工行业检测技术平台搭建及示范应
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纺织印染污泥(TDS)是一种含多种重金属、有机污染物、毒性大的固体废弃物,目前主流的处理技术为卫生填埋与焚烧。但由于印染污泥具有高含水率、低热值的固有缺陷,难以单独燃烧,因此,需要寻找合适的辅助燃料来弥补其自身的不足。热解技术,可以同时实现减废和回收增值产品的双重目标,应用于处理印染污泥也有巨大的潜力。基于碳减排的背景和优化能源结构的目的,本文选取了区域性农业废弃物榴莲壳(DS)作为辅助燃料与印染污泥进行协同热处理,重点研究榴莲壳与印染污泥共焚烧/热解的热转化行为和特性,相互作用规律、产物特性和重金属迁移转化等行为,所得的结果为同类生物质与印染污泥共热处置提供参考,具体的研究内容如下:(1)采用热重分析及光谱和质谱联用等技术对榴莲壳的热化学转化及动力学特性、典型气体污染物排放规律等进行研究。DS燃烧的主要阶段为130.2-481.9℃,燃烧的活化能值为192.82-213.24 k J/mol,三阶(F3)模型最好地描述了DS燃烧最可能的反应机制,主要逸出气体为CO2,SO2排放量很少,DS燃烧产生的灰分类型为K型,618°C和8 K/min是DS燃烧的最佳运行条件。DS热解反应的活化能为221.58-245.71k J/mol,热解产生的主要气体包括CO2、CO、CH4、H2O、羰基化合物、酸和NH3,主要的热解产物是芳烃和脂环烃、酚类物质和含氮化合物,999℃和5 K/min是本热解实验的最佳操作条件。(2)结合动力学,主成分分析,2D-COS、热重红外,热力学模拟软件和气相色谱质谱联用技术等方法对印染污泥与榴莲壳在不同条件下的热转化行为,热解产物,相互作用和气体排放规律等进行研究。结果表明在CO2气氛中进行高温热解(>720°C)是废物减容的最佳选择,CO2气氛中的(共)热解增强了含S污染物、CO和CH4的排放,但减少了NOx的排放。TDS与DS的相互作用促进了呋喃和酸性化合物的产生,抑制了芳香族、酚类和含氮化合物的产生。模拟结果证实了在CO2气氛下共热解能够增加H2的产量以及减少NOx的产生。N2气氛制备得到的生物炭的稳定性优于CO2气氛。(3)利用热重分析、热重红外联用、管式炉实验和热力学模拟软件等方法研究了榴莲壳与印染污泥共燃烧过程中反应气氛、混合比和温度等对物质热降解行为、相互作用规律及气固产物的影响。结果表明较高的氧气浓度能够提高样品的燃烧性能,但对样品反应后剩下的残余质量没有显著影响;在相同条件下,在N2/O2气氛下样品(共)燃烧的表现优于CO2/O2气氛,DS的加入改善了TDS的共燃烧性能。在相同氧浓度下,CO的最大吸收强度在N2/O2气氛中高于CO2/O2气氛,C-O(H)和C=O在CO2/O2气氛下的最大吸收强度高于N2/O2气氛下的最大吸收强度,共燃烧并不会加剧样品的结渣和结垢问题。(4)通过管式炉实验制备底渣和生物炭,采用ICP-OES和连续提取法等追踪榴莲壳与印染污泥共热处理时底渣/生物炭中重金属的分布及含量,并进行生态影响评估,同时结合热力学模拟软件(Fact Sage 7.1)深入研究矿物质-重金属耦合交互作用对重金属迁移转化的影响。结果表明TDS和DT11在N2气氛中热解更具有环境效益。TDS和DT55在80N220O2气氛下燃烧底渣中的Cd、Cr、Mn、Ni元素含量随着温度(800-1000℃)的升高而增加;TDS和DS在80N220O2气氛中燃烧底渣中的Cd、Mn、Ni和Cr的富集倍数随温度的增加而增大;DS与TDS燃烧过程中发生的相互作用提高了底渣中重金属的残留量。样品通过热解处理后降低了固体产物中所有重金属的风险等级,生物炭中的大部分重金属在环境中的迁移趋势较低,CO2气氛下制备的生物炭中重金属的潜在环境风险更低。TDS在80N220O2气氛下900℃中燃烧Cr、Zn和Cu金属的浸出毒性浓度富集倍数最高,浸出毒性浓度的富集倍数随着温度的升高呈现先增加后减小的趋势。800℃,TDS和DT55在不同气氛中燃烧不同重金属浸出毒性的富集倍数由大到小排列分别为:Cr>Cu>Zn>Mn;Cr>Zn>Cu。热力学模拟计算表明氧气浓度及反应气氛对重金属形态及转化的影响较小,K元素对重金属的形态及迁移转化规律产生影响,K元素提高了DS中Ni(s)转化为Ni O(slaga1)的温度,对TDS和DT55中Ni、Zn、Pb金属高温中熔融态的转化温度和强度产生影响。
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