基于Fenton/CaO调理的污泥气化协同制备吸附剂技术及机理研究

Sludge is one of the dominant by-products from wastewater treatment, which has massive volume and contains an abundance of moisture and hazardous substances. The objective of this study is to realize the utilization of both sludge organic and inorganic components. Aiming at the existing technical problems, an innovative simultaneous method of sludge gasification and adsorbent preparation was proposed based on Fenton’s reagent and CaO conditioning. By using experimental and numerical methods, the effects of residual conditioners and internal water on sludge devolatilization and secondary reactions of char/volatiles in steam atmosphere will be firstly investigated. Furthermore, reaction kinetics of sludge gasification should be described, and a prediction model of ash adsorption performance affected by sludge properties, conditioner components and gasification conditions must be established. Meanwhile, it is very important to clarify the formation mechanism of typical pollutants, including heavy metals and S-/N-containing gases. Then, we will propose an effective recovery and controlling method. The successful implementation of this project will not only provide a theoretical basis for simultaneous sludge gasification and adsorbent preparation, but also enrich the theoretical system of sludge treatment and disposal. In addition, the results are valuable references for the utilization of other solid (or semisolid) waste.

污泥是污水处理的主要副产物之一，其含水率高、生成量大且毒害性强。为了实现污泥有机和无机成分的全面资源化利用，本研究针对现有技术瓶颈，提出基于芬顿试剂和氧化钙调理的污泥气化协同制备吸附剂的新方法。通过实验研究及模拟手段，探讨水蒸气气氛下残留调理剂和内部水分对污泥脱挥发分过程、焦/挥发分二次反应过程的协同影响机制，定量描述污泥气化的反应动力学过程；同时建立泥质、调理剂组分、气化条件对灰基吸附性能的影响预测模型；并解析此过程中典型污染物（包括重金属、含硫/含氮气体）的形成机理，研发有效的回收控制技术。本项目的实施将为污泥气化协同制备吸附剂新方法的应用提供理论依据，充实污泥处理处置的理论体系，同时对其他固体（半固体）废弃物的资源化利用也具有参考价值。

污泥是污水处理的主要副产物之一，含水率和有机质含量高。为实现其资源化，本研究提出基于Fenton/CaO调理的污泥气化协同制备吸附剂的新方法，研究残留调理剂的赋存形态，探讨水蒸气气氛下调理剂和内部水对污泥脱挥发分、焦/挥发分二次反应的协同影响机制；阐明调理污泥气化过程中污染物的形成路径，建立灰基吸附性能的影响预测模型，并揭示气化灰对典型污染物的脱除机理，形成相应的控制措施。研究的重要结果及关键数据如下：.在调理污泥中，以Fe3+形式存在的残留Fe能促进杂环有机质分解，并催化挥发分的异相重整。以Ca(OH)2形式存在的残留Ca促进了有机质的分解，并有利于挥发分均相重整，以及挥发分异相催化阶段焦和焦油中苯环结构的水解。二者共同作用时，内部水可与脂肪族不饱和C=C键发生反应，并促进脂环族开环。同时还能促进固体表面形成新的氧空位，提高内部水的利用率。经过调理后，介质水蒸气参与气化反应程度更高，焦和焦油中苯环结构进一步发生水解生成CH4、CO和H2。通过调理剂用量的调整，可进一步在更低温度更少水蒸气供给下获得更高的H2产量。.当污泥气化时，残留调理剂有助于Mn、Cu、Ni在固相产物中的富集，并能实现1073K下As的氧化和固定。FeSO4的引入增加了含硫气体污染物的释放，但CaO能将90%的S以稳定的硫酸盐形态固定在灰中，是原污泥固定量的3倍。含铁含钙物质能通过形成Ca2Fe2O5，促进脱挥发分及气化反应中间产物CaCxNy的分解，进一步强化二者单独抑制NH3和HCN生成的作用。与此同时，灰中的铁钙化合物有利于液相污染物的脱除，还能将H2S催化分解成硫单质，促进产物转化为硫化物和硫酸盐，捕集SO2生成硫酸盐和亚硫酸盐，同时强化NH3在路易斯酸位点上的吸附。因此，本工艺过程中所释放的典型污染物可采用气化灰进行二次减排，并利用所建灰基吸附预测模型对减排效果进行调控。.本项目共发表期刊论文12篇（其中SCI一区/二区论文8篇），国内外会议论文4篇，申请发明专利3项，培养硕博士生4人（其中1人已获得学位），达到了预期研究目标。