污泥中重金属Cu和Pb在热解过程中的迁移转化规律及其原位催化机制研究

As a solid waste, the excess sludge is widely distributed in the world, and thus the effectively recover resource from the sludge and harmlessly dispose is critical to the environment protection and sustainable development. Due to the huge handling capacity and low secondary pollution, the fast pyrolysis method has been approved by counterparts. Heavy metals are abound in the sludge, which can not only hinder the process of recovering resource from sludge, but also affect the pyrolysis of sludge. So we need to elucidate of migration rules and in-situ mechanisms of heavy metals. In this research, we proposed to build an effective in-situ analysis detection method system to online-monitor the sludge pyrolysis process through the method of in-situ high temperature XRD, TG-FTIR-MS and SRPTOF-MS. We proposed to take Cu and Pb as the pointers, and explore the migration rules and in-situ mechanisms of heavy metals during sludge prolysis by the in-situ analysis detection method, and at last, combined with the quantum chemistry calculation, the migration rule and in-situ mechanism of heavy metals will be elaborated. This project provide the necessary support for the controllable transformation of heavy metals during sludge pyrolysis and the new idea of sludge disposal and utilization in a low cost and environment friendly way.

水处理剩余污泥是当前大量存在的一类固体废物，对它们进行无害化处理和资源化利用是环境保护和可持续发展的客观要求。快速热解因处理量大、二次污染小等优势备受业界关注和推崇。污泥中含有的重金属不仅会阻碍污泥的资源化利用，而且会影响污泥热解过程，需要对热解过程中重金属的迁移转化行为和重金属对污泥热解过程的原位催化作用机制进行研究。本项目拟采用重金属Cu和Pb为指针，通过高温原位XRD技术、热重-红外光谱-质谱联用技术和同步辐射光电离飞行时间质谱技术构建有效的原位分析检测方法，对污泥热解过程中重金属的迁移转化规律进行研究，进而探究重金属在污泥热解过程中对污泥热分解过程的原位催化作用机制；并结合量子化学计算的方法，阐述重金属在热解过程中的迁移转化规律及其原位催化原理。本项目为实现重金属在污泥热解过程中的可控转化提供必要的支持，并为剩余污泥的低成本、环境友好地处理与资源化提供新的思路。

近年来城市化和工业化快速发展导致污泥产量大幅增加，污泥成分复杂，含有大量重金属，难降解有机物和病原微生物等有害物质，污泥无害化处置和资源化利用仍然是当前固废控制领域面临的重大问题。本项目以皮革厂污泥为原料，研究重金属在热解和燃烧过程中形态转化和迁移特性，同时探讨污泥中金属元素对污泥热解的影响。结果表明，Cu、Ni、Cr和Mn在热解和燃烧过程中很少迁移，而Zn和Pb则表现出显着的迁移，随着温度的升高，锌和铅从生物炭迁移到气体中。污泥中的Cu、Zn、Ni和Mn主要以残渣态存在，而Cr和Pb稳定性较弱，热解和燃烧会促进重金属与其他物质结合形成CuFeS2、NiCx和Cr2S3等新相，导致重金属从不稳定状态转变为稳定形式。根据XPS表征结果发现，800℃的热解碳中只有Cr(Ⅲ)，以无毒的Cr2S3形式固定，在处理皮革厂污泥时热解是安全的。污泥中的金属元素对污泥的热解有一定的催化作用，影响热解产物的分布和生物油的组成。去除固有金属元素可以提高污泥热解过程中的焦油产率，抑制生物炭的产率。在所有温度下，酸洗样品的含氧化合物均低于原始样品，并且芳烃浓度随着金属元素的去除而增加。本项目的研究结果对于有效调控和强化污泥热分解中重金属的转化和固定具有重要的理论和实际意义。