污泥水热炭化中碳氮固定率的影响因素分析

第30卷第4期农业工程学报Vol.30No.41682014年2月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringFeb.2014污泥水热炭化中碳氮固定率的影响因素分析王定美1，袁浩然2，王跃强1，余震1※，周顺桂1（1.广东省生态环境与土壤研究所，广州510650；2.中国科学院广州能源研究所，广州510640）摘要：为探究污泥水热炭化工艺中碳和氮固定率与影响因素间的关系，采用三因素三水平Box-Behnken试验设计，拟合响应面模型，研究了水热温度（150～250℃）、含固率（5%～15%）、反应时间（2～6h）与污泥水热炭化工艺中碳氮固定率的关系。结果表明，多元二次方程可用于描述碳和氮的固定率与上述影响因素间的定量关系（R2分别为0.9925和0.9903）。污泥水热炭化中碳与氮固定率分别为36.6%～52.9%和20.4%～42.5%。水热温度与反应时间对碳和氮固定率均呈负相关，含固率则呈正相关。3个因素对碳固定率的显著影响（p<0.05）大小依次为：水热温度＞含固率＞反应时间，而氮固定率仅受水热温度的显著影响（p<0.05）。水热温度（≤169℃）与含固率（≥7%）的交互耦合可维持较高的碳固定水平（≥50%），而降低水热温度是获得较高氮固定率的关键。该研究结果可为水热炭化技术应用于污泥处理领域提供参考。关键词：污泥处理；炭化；温度；碳固定；氮固定；响应面doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.04.021中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：1002-6819(2014)-04-0168-08王定美，袁浩然，王跃强，等.污泥水热炭化中碳氮固定率的影响因素分析[J].农业工程学报，2014，30(4)：168－175.WangDingmei,YuanHaoran,WangYueqiang,etal.Analysisoninfluencingfactorsofcarbonandnitrogenfixationratesinsludgehydrothermalcarbonization[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2014,30(4):168－175.(inChinesewithEnglishabstract)0引言近年来，由于碳氮物质大量排放所引起的环境、气候、农业等问题已引起广泛关注[1-5]。污泥是污水处理的副产物，其产量巨大、含水率高、且含有大量有机物和丰富的氮素。据统计，中国城市污泥年产量达3000万t（按含水率80%计），而且每年以10%的速度增长[6]，有机质和全氮的平均质量分数分别接近40%和3%[7-8]。碳氮固定减排已成为选择污泥处理方法的重要影响因素。生物质炭是生物质在缺氧或厌氧条件下热解后的固体产物，因其具有增汇减排、土壤改良、环境修复等功效而备受关注[9-13]。水热炭化作为一种新型的生物炭化技术，由于具有不受物料含水率的制约、工艺流程简单、反应条件温和以及生物质炭收稿日期：2013-08-09修订日期：2014-01-20基金项目：国家科技支撑计划（2012BAD14B16）；广东省科技计划项目（2012B010500036）；广东省农业科技成果转化项目（2012NL040）；省部产学研项目（2012B091100242）作者简介：王定美（1986－），男，工程师，研究方向为固体废物处理与资源化。广州广东省生态环境与土壤研究所，510650。Email:dmwang@soil.gd.cn※通信作者：余震（1985－），男，博士，助理研究员，研究方向为固体废物资源化。广州广东省生态环境与土壤研究所，510650。Email:yuzhen@soil.gd.cn产量较高并含有丰富的官能团等优点，被认为是高含水率有机物质制备生物质炭较为理想的方法[14-17]。污泥作为一种产量巨大的高含水率废弃生物质，其水热炭化对于污染防治与碳氮减排具有重要意义。通常，水热炭化进程受物料种类、水热温度、含固率、酸碱度、催化剂和反应时间等诸多因素影响[18-24]，影响过程也较为复杂[25]，尤其很难定量确定各因素与影响效应间的相互关系。有研究表明，水热温度对污泥生物炭中碳固定效果影响明显[26]，但这些研究大多局限于单变量效应，不考虑各因子之间的交互作用。另一方面，生物质炭中的氮固定，关乎其土地改良属性及氮排放的问题，然鲜有关于此方面的报道。为了探清污泥水热炭化过程中影响因素与碳氮固定效果间的关系，本研究选取水热反应体系中的水热温度、反应时间和污泥含固率3个影响因子，基于Box-Behn