富磷固废与生物质低氧共热解中磷的转化及淋溶特性研究

作     者：方晨浩 

作者单位：华中农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张强;易宝军

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：生物质 磷转化机理 富磷固废 热解 碱土金属 

摘      要：当今世界同时面临磷资源危机和磷污染,含磷固废制造磷肥是环境治理和磷资源回收的重要途径。含磷固废与生物质共热解生产炭基磷肥,在解决磷资源回收的同时提升磷的利用效率,受到越来越多的关注。炭基磷肥的肥效取决于固废来源和处理方式。目前研究主要集中在含磷固废来源对肥效的增益,但磷形态的转化影响以及相应磷的生物利用率的研究较少,对这方面进行深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。首先选用磷酸铝作为富磷固废模型化合物,探究温度和外掺金属对生物炭中磷形态转化影响,结果表明外掺钠盐生物炭和外掺钙生物炭800℃时富集率达到最高分别为82.6%和79.5%,原生物炭和外掺镁盐生物炭磷富集率1000℃时达到最高分别为81.7%和75.9%。热解温度升高,生物炭中IP(无机磷)/TP(总磷)增加,OP(有机磷)向IP转化,Al-P向Ca-Na-P、Ca-P及Mg-P转化,AP(磷灰石)含量和AP/IP也逐渐增加,1000℃外掺钠盐生物炭中IP几乎完全转化为AP。外掺金属生物炭中磷的生物有效性随温度升高均得到了提升,高温下金属的添加会影响生物炭中有效磷的转化行为。1000℃时外掺钠、钙和镁生物炭中磷的生物有效磷含量分别是原生物炭的1.74、2.10和1.78倍。钠盐的添加阻碍了生物炭中半纤维素热解而导致比表面积和孔径降低;镁盐添加促进生物炭中孔隙结构发育及表面积和孔体积显著提升。对富磷固废共热解炭中磷的转化行为深入探究,观察到高温下污泥及沼渣共热解炭磷的富集率随钠盐添加量的增加而增加,进一步分析磷的形态发现污泥、沼渣中的正磷酸盐单酯、焦磷酸盐和正磷酸盐二酯在高温热解中均转化为正磷酸盐,导致共热解炭中OP含量极低,IP随钠盐比例增加变化不明显,NAIP(非磷灰石)逐渐降低,AP升高。随着钠盐添加量增加,污泥和沼渣共热解炭有效磷含量分别从225.25mg和171.9mg最高达到340.45mg和217.8mg;热解温度从600℃提高到1000℃,污泥共热解炭中钠盐的掺入导致Ca-Al-P向Ca-Na-P转化,沼渣共热解炭中Ca-Fe-P转化成Ca-Na-P及Ca-Mg-P,磷矿磷肥单一热解炭中Ca-P部分转化为Ca-Na-P。1000℃生物质热解产生的还原性气体可能导致CaMgH(PO)转化为Ca-Mg-P。富磷固废共热解炭磷的释放特性采用淋溶实验来进一步探究,实验结果发现钠盐的添加不仅促进富磷固废热解炭中有效磷含量增加,同时极大增加了热解炭中水溶性磷含量及CA(淋出水溶性磷占总有效磷比值);生物质共热解炭CA下降趋势比单一原料热解炭平缓;生物质共热解炭由于特定官能团导致p H高于单一原料热解炭。污泥单一热解炭内部H离子和硫酸盐的淋出导致p H在前12天较低,EC(电导率)增加。过磷酸钙的速溶性导致包含它的热解炭水溶性磷的淋出比其他热解炭快;淋溶液p H为9和7的共热解炭表现相似,淋溶液p H为5的共热解炭12天后由于基团质子化和部分酸性可溶磷的溶出,导致可溶出磷的增加。本文探讨了外掺金属生物质对富磷固废转化的影响,提出了磷在外掺金属生物质热解过程中的转化机理,获得了富磷固废与外掺钠盐生物质共热解中磷的转化行为,为富磷固废生物炭基肥高值化应用提供一定的理论指导。