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城市污泥熱解機理
溫度對污泥熱解產物的分布和特性有很大的影響。事實上，隨著污泥熱解反應溫度的不斷升高，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爐內的吸熱反應，開始熱解油的分解，產生更多的合成氣及氣體產物。
在300℃左右，城市污泥分解迅速。在450~650°C溫度下，有機鍵斷裂，熱解油產率逐漸增加，隨著溫度升高，熱解油中的鍵活性斷裂，氣體產量增加。隨著熱解溫度升高至400℃時，城市污泥中開始低分子量碳氫化合物和高分子量有機化合物的降解和揮發(fā)，熱解產物急劇析出，造成城市污泥熱解整個過程最高的質量損失（47%）。另外，污泥含水率的不同，溫度對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、沸點緊密相關。當反應溫度達到金屬或其化合物相應的沸點時，會轉化成氣體揮發(fā)導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形態(tài)決定。根據BCR順序提取法，金屬分為以下4個部分：酸溶性部分（弱酸提取態(tài)，F1）、可還原態(tài)部分（F2）、可氧化態(tài)部分（F3）、殘渣態(tài)部分（F4）。其生態(tài)毒性強弱順序如下：F1＞F2＞F3＞F4。并且F1+F2是重金屬生物可利用態(tài)，F3+F4是重金屬穩(wěn)定態(tài)。在350℃時，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）；當溫度在750℃時，F1+F2中Cr的質量分數下降了31.59%，F3+F4中Cr的質量分數上升了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，并和碳酸鹽等有機物相結合，更利于穩(wěn)定。這也說明了熱解溫度的變化使重金屬化學形態(tài)發(fā)生了變化。
隨著熱解溫度達到高溫區(qū)，揮發(fā)分的析出量也開始逐漸減少，一方面熱解過程產生的自由基具有較高活化能，與其他基團（H、CxHx）等結合產生難降解揮發(fā)的油類物質，不利于污泥中揮發(fā)分的析出；另一方面，升溫速率的升高導致內部溫度高于外部溫度，炭化程度加劇，分解反應提前終止，導致揮發(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，升溫速率越大時，重金屬的殘留率越大，這可能是由于污泥內外部溫度不一，導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。
污泥熱解停留時間的不同，城市污泥降解的產物和產量也會不同。在一項城市污泥與農業(yè)秸稈共熱解制備生物炭研究結果表明，較長的停留時間允許更易揮發(fā)的生物質分子被裂解，更多的有機物被分解，有助于生物炭中孔結構的產生和擴展，同時在30~90min內，生物炭中重金屬的含量隨停留時間的增加而增加，這可能是由于C、H、O和N的損失隨著停留時間增加而增加，導致這些金屬的含量也相對增加。隨著固體停留時間的增加，熱解油轉化率提高，氣相產物和固相產物也隨之增加。
