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城市污泥熱解機(jī)理
溫度對(duì)污泥熱解產(chǎn)物的分布和特性有很大的影響。事實(shí)上，隨著污泥熱解反應(yīng)溫度的不斷升高，最初觀察到污泥中大部分水分的蒸發(fā)；隨后反應(yīng)開始釋放出揮發(fā)分及生成熱解油，包括之后的脫氧、脫羧及二次裂化等。此外，熱解溫度的升高大大改善了反應(yīng)爐內(nèi)的吸熱反應(yīng)，開始熱解油的分解，產(chǎn)生更多的合成氣及氣體產(chǎn)物。
在300℃左右，城市污泥分解迅速。在450~650°C溫度下，有機(jī)鍵斷裂，熱解油產(chǎn)率逐漸增加，隨著溫度升高，熱解油中的鍵活性斷裂，氣體產(chǎn)量增加。隨著熱解溫度升高至400℃時(shí)，城市污泥中開始低分子量碳?xì)浠衔锖透叻肿恿坑袡C(jī)化合物的降解和揮發(fā)，熱解產(chǎn)物急劇析出，造成城市污泥熱解整個(gè)過程最高的質(zhì)量損失（47%）。另外，污泥含水率的不同，溫度對(duì)熱解的影響也有不同。在600°C下，60%含水率的污泥最先熱解完畢形成渣態(tài)，70%含水率的污泥次之，80%含水率的污泥最后形成渣態(tài)；隨著含水率的增加，同一溫度下H2的含量先增后減，CO含量逐漸下降。
城市污泥中的重金屬主要以碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、氫氧化物、硫化物以及絡(luò)合物的形式存在，自由離子的形式很少。因此，重金屬的遷移行為特性與其形成的化合物類型、沸點(diǎn)緊密相關(guān)。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到金屬或其化合物相應(yīng)的沸點(diǎn)時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化成氣體揮發(fā)導(dǎo)致重金屬在焦炭中的濃度偏低。環(huán)境生物利用度、生物毒性和遷移率通常被重金屬化學(xué)形態(tài)決定。根據(jù)BCR順序提取法，金屬分為以下4個(gè)部分：酸溶性部分（弱酸提取態(tài)，F(xiàn)1）、可還原態(tài)部分（F2）、可氧化態(tài)部分（F3）、殘?jiān)鼞B(tài)部分（F4）。其生態(tài)毒性強(qiáng)弱順序如下：F1＞F2＞F3＞F4。并且F1+F2是重金屬生物可利用態(tài)，F(xiàn)3+F4是重金屬穩(wěn)定態(tài)。在350℃時(shí)，污泥生物炭的F1+F2組分中6種重金屬含量下降（Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、Cd）；當(dāng)溫度在750℃時(shí)，F(xiàn)1+F2中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降了31.59%，F(xiàn)3+F4中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升了31.59%，表明溫度升高有助于固定污泥中的重金屬，降低其生物利用度、遷移率和環(huán)境生物毒性。隨著熱解溫度升高，Cr、Cu等金屬以生物可利用態(tài)存在于污泥組分中，并和碳酸鹽等有機(jī)物相結(jié)合，更利于穩(wěn)定。這也說明了熱解溫度的變化使重金屬化學(xué)形態(tài)發(fā)生了變化。
隨著熱解溫度達(dá)到高溫區(qū)，揮發(fā)分的析出量也開始逐漸減少，一方面熱解過程產(chǎn)生的自由基具有較高活化能，與其他基團(tuán)（H、CxHx）等結(jié)合產(chǎn)生難降解揮發(fā)的油類物質(zhì)，不利于污泥中揮發(fā)分的析出；另一方面，升溫速率的升高導(dǎo)致內(nèi)部溫度高于外部溫度，炭化程度加劇，分解反應(yīng)提前終止，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出量的減少。污泥熱解中重金屬的殘留率與升溫速率有關(guān)，升溫速率越大時(shí)，重金屬的殘留率越大，這可能是由于污泥內(nèi)外部溫度不一，導(dǎo)致重金屬析出量減少。此外，污泥種類的不同，升溫速率的影響也有所不同，升溫速率增大，印染和污水處理廠污泥總失重量減少，而中藥污泥總失重量增大。
污泥熱解停留時(shí)間的不同，城市污泥降解的產(chǎn)物和產(chǎn)量也會(huì)不同。在一項(xiàng)城市污泥與農(nóng)業(yè)秸稈共熱解制備生物炭研究結(jié)果表明，較長的停留時(shí)間允許更易揮發(fā)的生物質(zhì)分子被裂解，更多的有機(jī)物被分解，有助于生物炭中孔結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和擴(kuò)展，同時(shí)在30~90min內(nèi)，生物炭中重金屬的含量隨停留時(shí)間的增加而增加，這可能是由于C、H、O和N的損失隨著停留時(shí)間增加而增加，導(dǎo)致這些金屬的含量也相對(duì)增加。隨著固體停留時(shí)間的增加，熱解油轉(zhuǎn)化率提高，氣相產(chǎn)物和固相產(chǎn)物也隨之增加。
