污水厂污泥水热液化过程中多环芳烃的转化效应与机制

Sewage sludge is the main byproduct of the municipal sewage treatment. It is a typical solid waste. Meanwhile, it is seen as a potential biomass resource. In recent years, it is thought that hydrothermal liquefaction has the potential to simultaneously realize the pollution control and resources recovery of sewage sludge at lower cost. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a kind of organic pollutant, are typically present in sewage sludge. And during the hydrothermal liquefaction process of sewage sludge, the degradation and conversion of organic substances will also produce polycyclic aromatic hydrocarbons. So far, the transformation effect and mechanism of polycyclic aromatic hydrocarbons during the hydrothermal liquefaction process of sewage sludge are still unclear. In this research project, the sewage sludge samples from the main wastewater treatment plants in Nanchang City will be selected as the research objects. We will first explore the formation, migration and transformation behaviors of sixteen priority controlled polycyclic aromatic hydrocarbons and the main influencing factors during the hydrothermal liquefaction process of sewage sludge. Then, the formation mechanism of polycyclic aromatic hydrocarbons will be determined through the study of the hydrothermal liquefaction of sewage sludge model components. Meanwhile, the distribution dynamics model of polycyclic aromatic hydrocarbons in the liquefaction products of sewage sludge will be established. In addition, the environmental risk of polycyclic aromatic hydrocarbons in the liquefaction products of sewage sludge will be evaluated. The implement of this research project will provide preliminary theoretical and data support for understanding the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons and their emission control during the hydrothermal liquefaction of sewage sludge for bio-oil products.

污水厂污泥是城市污水处理的主要副产物，其既是一种典型的固体废弃物，又是一种潜在的生物质资源。近年来，水热液化被认为是一种潜在的能够同时实现污水厂污泥污染控制和资源回收（制取生物油回收能源）且具较低成本的处理技术。多环芳烃是污泥中普遍存在的一种有机污染物，且在污泥水热液化过程中，有机质的降解转化也会形成多环芳烃。而目前，有关污水厂污泥水热液化过程中多环芳烃的转化效应与机制尚不明确。本课题拟以南昌市主要污水处理厂污泥为研究对象，探讨16种优先控制的多环芳烃在污泥水热液化过程中的形成、迁移和转化行为及其控制因素。在此基础之上，拟通过污泥模拟组分水热液化过程的研究，明确多环芳烃的形成途径并建立其在污泥液化产物中的分配动力学模型。最后，拟对污泥液化产物中多环芳烃的环境风险进行评估。本研究的开展将为污水厂污泥水热液化制取生物油工艺中有关多环芳烃的形成认识及排放控制提供初步的理论基础和数据支撑。

污水厂污泥是城市污水处理的主要副产物，其既是一种典型的固体废弃物，又是一种潜在的生物质资源。近年来，水热液化被认为是一种潜在的能够同时实现污水厂污泥污染控制和资源回收（制取生物油回收能源）且具较低成本的处理技术。多环芳烃是污泥中普遍存在的一种有机污染物，且在污泥水热液化过程中，有机质的降解转化也会形成多环芳烃。而目前，有关污水厂污泥水热液化过程中多环芳烃的转化效应与机制尚不明确。本项目以南昌市主要四个污水处理厂污泥为研究对象（青山湖、朝阳、红谷滩和象湖），探讨了16种优先控制的多环芳烃在污泥水热液化过程中的形成、迁移和转化行为及其控制因素。在此基础之上，进一步明确了多环芳烃的转化机制及污泥液化产物中多环芳烃的环境风险。污泥原料中多环芳烃含量水平较低，在1.84-2.49 mg/kg之间，符合有关标准（6.0 mg/kg以下）。污泥水热液化过程多环芳烃的排放主要来自污泥中有机组分的降解转化，净合成量为4.86-13.82 mg/kg。反应时间的增加会促进多环芳烃的形成，而反应温度和“固液”比则呈现极值影响效应，分别在300 ℃和0.1 g/mL是，多环芳烃的净合成量达到最低。污泥液化之后，80%以上的多环芳烃是分布在生物油中，少部分分布在生物炭中。相比污泥原料，污泥液化生物炭中多环芳烃的总含量和浸出含量都降低了，呈现出更低的毒性当量值。换句话说，如果仅考虑多环芳烃危害的话，污泥液化生物炭相比污泥原料来讲是一种更安全的物料。然而，生物油中多环芳烃则呈现较高的含量（58.34-136.14 mg/kg）和毒性当量（4.28-6.61 mg/kg）。污泥原料中纤维素和半纤维素可以直接降解形成苯和酚，苯和苯酚可通过氢抽象-乙炔加成反应形成多环芳烃。污泥原料中非芳香环-非氮化合物能分解成更多的烷烃和烯烃，并通过狄尔斯-阿尔德反应形成芳香环化合物，促进低分子量多环芳烃的形成。污泥原料中含芳香环化合物可以通过水解和脱烷基反应直接生成低分子量多环芳烃，也可以生成苯酚和苯作为中间产物，通过氢抽象-乙炔加成反应机制生成萘（2-环多环芳烃）。低分子量多环芳烃可通过氢抽象-乙炔加成机制或环戊二烯基加成反应形成中等分子量和高分子量多环芳烃。本项目的研究成果可为污水厂污泥水热液化制取生物油工艺中有关多环芳烃的形成认识及排放控制提供初步的理论基础和数据支撑。