氧化钙调理协同水热改性促进污泥气化及磷回收机理研究

Municipal sewage sludge is rich in organic matter and phosphorus. To produce combustible gas and recover phosphorus by gasification is an effective way to achieve the simultaneous use of energy and resource components in sludge. However, many problems exist in this technique, such as high energy consumption during drying process, low quality of gas and escape of phosphorus. In this project, we propose a new method for sludge pre-treatment by mixing with CaO and a subsequent hydrothermal reaction. The hydrothermal char will be produced after this process. In this project, the effect of pre-mixed CaO on hydrothermal process will be explored, including the phosphorus enrichment, the structure modification of char, the distribution of the conditioner, the transformation of the inorganic phosphorus with temperature and addition of CaO, and the promotion on drying efficiency. The index of gasification products from hydrothermal char and raw sludge will be compared to realize the mechanism of hydrogen promotion and inhibition of tar and S/N pollutants, including the heating value of combustible gas, the yield of hydrogen, and the content of tar, and S/N pollutants. The transformation and escape of phosphorus during gasification will be investigated and the catalytic effect of Ca-P components on hydrogen production will be discussed. The object of this project is to provide the adjusting method for the modification of sewage sludge to obtain the high-grade hydrogen-rich gas and high retention of phosphorus in solid residue. And provide the theoretical basis for the simultaneous use of energy components and resource components in sludge.

市政污水污泥富含有机质和磷，通过气化方法制取可燃气并回收磷，是实现其能源化和资源化的重要途径之一，但是过程中存在干化能耗大、燃气品位低、磷逃逸等问题。本项目提出一种混合氧化钙调理协同水热改性的新方法对污泥进行脱水预处理，获得改性产物—水热炭后，完成气化制取富氢气体并实现磷回收。项目将探索预混氧化钙对水热过程的调理作用，包括促进磷在水热炭中的富集、对水热炭的结构修饰和对脱水效果的提升，探明调理剂分布和磷赋存形态随水热温度和添加量的演绎过程；研究水热炭在水蒸气气化过程中的氢气产率、焦油和S/N污染物浓度相对干化污泥的变化，探明可燃组分向氢气的演化规律及焦油和污染物源头脱除机理；计算考察水热炭中钙-磷结合矿相在气化过程中的催化作用和自身的演变规律，明确磷逃逸的控制方法。最终建立氧化钙调理协同水热改性对富氢燃气品质和磷保留率的调控机制，为实现污泥能源和资源化利用提供新的途径。

市政污水污泥中富含有机质和磷，通过气化方法制取可燃气并回收磷，但是过程中存在干化能耗大、氢气产率低、焦油和污染物生成、磷逃逸等问题。本项目提出一种混合氧化钙调理协同水热改性的方法对污泥进行脱水预处理获得水热炭后，完成气化制取富氢气体和磷回收。项目进行了污泥水热反应特性的研究，发现水热预处理脱挥发分过程中脱羟基占主导作用、兼有一定程度的脱羧基作用；而氧化钙的加入提升了氨基酸的分解，并通过钙与有机酸的作用，提升了有机质的保留率。氧化钙调理后的水热过程通过破壁作用、亲水基团的脱除提升了污泥的脱水效果。同时，水热反应提升了污泥基体的比表面积和孔隙率。项目对水热炭进行了气化反应特性的研究，发现水热预处理提升了热解阶段的活化能、降低了气化过程的活化能。由于水热炭在气化过程中生成的半焦对挥发分具有原位重整作用，因此其孔隙结构及官能团分布对合成气品位有着重要影响。由于调理剂氧化钙在气化过程中对CO2的吸收作用，促使焦油裂解、焦油重整及甲烷重整等反应的正向移动，因此随着调理剂添加量和气化温度的升高，合成气产量和品位均有较为明显的提升。由于水热过程促进了蛋白质的分解、无机氮的溶解，明显降低了热解过程中NH3的产率；而调理剂CaO在高温下对HCN有催化氧化作用，因此HCN的产率大大降低。对于磷在水热及气化过程中的迁移转化，项目结合实验和热力学分析，发现水热过程为氧化钙与磷元素相互作用提供了一个封闭的环境，有效降低了热转化过程中磷的逃逸，同时低温有助于提升磷在固体产物中的保留率；酸/碱环境分别有助于NAIP/AP的保留。通过磷有效性的DGT分析发现，热处置程度的加深降低了磷在短时间(48h)内渗透通过土壤被植物有效吸收比例，因此可考虑将调理污泥水热炭的气化残渣作为缓释生物炭进行利用。项目为氧化钙调理污泥水热处理制取高品位气化合成气并回收磷的调控方法的建立提供了理论依据。