污泥-过硫酸盐水热碳化过程磷的迁移转化及重金属固定机理

Sludge contains abundant nutritional element-phosphorus and harmful heavy metals. It’s essential reduce the toxicity of heavy metals when recycling utilization phosphorus in sludge. The project using hydrothermal carbonization to treat sludge, promoting abundant organophosphorus in sludge convert to inorganic phosphorus which can be easily used by plants. And importing persulfate advanced oxidation technology, which can generate strong oxidant sulfate radical (SO4•−) by thermal activation, could degrade organophosphorus to inorganic salt. Inorganic phosphorus can react with Ca、Mg、Al、Fe and exist in hydrochar as complex compound. Inorganic phosphorus shows different plant availability. Therefore, the content of different forms of inorganic phosphorus should be analyzed to adjust and control the hydrothermal carbonization condition, in order to better recycling phosphorus resource. Meanwhile, the heavy metals could be immobilized in hydrochar and toxicity could reduce through hydrothermal carbonization. The species distribution and transfer mechanism of phosphorus during hydrothermal carbonization process will be investigated, and the chemical and physical properties of hydrochar will be studied to elaborate the interaction mechanism between phosphorus and structural performance of hydrochar. The migration and transformation behavior of heavy metals will be illustrated, and the immobilization mechanism of heavy metals will be discussed. The project proposal is expected to provide theoretical basis and technical guidance for the recycling for phosphorus and resource utilization of hydrochar.

污泥中含有丰富的营养元素磷及有害重金属，回收利用污泥中磷资源的同时降低重金属的毒性非常必要。本项目利用水热碳化法处理污泥，促使污泥中大量存在的有机磷转化为易被植物利用的无机磷，并引入过硫酸盐高级氧化技术，在热活化下，过硫酸盐产生强氧化性的自由基SO4•−能分解有机物，促使污泥中含磷有机物降解为小分子的含磷无机盐，这些磷与Ca、Mg、Al、Fe等金属离子形成络合物存在于水热碳上，无机磷盐具有不同的植物可利用性，分析各形态无机磷含量以调控水热碳化过程，从而更好的循环利用磷资源，同时，通过水热碳化，重金属固定在水热碳中，毒性降低。通过探究污泥-过硫酸盐水热碳化过程磷元素的形态分布和转化机制，研究水热碳的物理化学性质，阐述磷元素与水热碳结构性能的相互影响机制，探明水热碳化前后重金属的迁移转化规律，并揭示水热碳对重金属的固定机理，为磷资源的循环利用和污泥的资源化利用提供理论基础和技术支撑。

磷是人类活动必不可少却难以再生的珍贵资源，磷资源的长远供应面临着困难。污泥含有丰富的磷资源，被称为最大的含磷二次资源，寻求有效的技术回收污泥中的磷至关重要。本课题采用城市污水污泥为研究对象，以水热和热解技术为基础，将这两种技术进行改进或复合，探究处理过程中磷与重金属的形态变化。首先探索污泥-稻壳共热解过程磷的形态转化，分析了共热解生物炭的理化性质，并对热解生物炭中重金属的形态和环境风险进行了分析。采用水热-热解联合法处理污泥，探讨这一过程中磷的形态迁移和转化，并进行了种子发芽实验，探索生物炭作为磷肥的可能性。在污泥水热过程引入过硫酸盐高级氧化，研究在提高污泥脱水性能的同时对污泥中磷元素的影响，且对重金属的环境风险进行了讨论。得到的主要结论如下：.（1）污泥-稻壳共热解有利于生物炭中孔结构的形成，随着稻壳添加量的增加和热解温度的升高，生物炭的芳香化程度增加。污泥-稻壳共热解过程有利于提高生物炭的生物可利用性。高的热解温度有利于有机磷向无机磷转化，从而提高生物炭的生物可利用性。稻壳的添加有利于降低生物炭中重金属的可迁移性和环境危害性。.（2）随着水热预处理温度的升高，污泥中的磷被固定在水热固体中，热解后生物炭中磷的生物可利用性随着水热温度的升高逐渐降低。水热预处理再热解污泥可作为回收污泥中磷的技术手段，得到的生物炭可作为潜在磷肥。.（3）根据响应曲面优化实验，以污泥脱水效果为评价指标，得到水热处理的最佳实验条件。水热过程中过硫酸盐的添加能促进污泥中磷的稳定，从而防止磷肥进入环境造成水体富营养化。水热过程加入过硫酸钠能够固定污泥中的重金属，降低重金属的环境毒性和迁移性。.综上所述，热解和水热技术可作为污泥中磷资源回收的方法，通过不同的改变，能调控磷与重金属的形态，为污泥的资源化利用提供理论基础。