污泥焚烧过程中磷与重金属共富集热力学模拟开题报告

1、学 号2012041201084沈阳航空航天大学能源与环境学院毕业论文开题报告污泥焚烧过程中磷与重金属共富集热力学模拟学生姓名张进专业名称环境工程指导教师李润东2016 年 3月10日 毕 业 论 文 开 题 报 告题目名称××××××××（小4号黑体，20磅行距）：污泥焚烧过程中磷与重金属共富集热力学模拟1、 课题来源及研究的目的和意义磷是所有生物体的重要元素,不能更换。如果按目前的开采使用量估算，全球磷资源仅够开采50年左右1，我国磷矿资源储量全球第二，约占全世界磷资源的30%。截止2008年，已探明资源储量1

2、77.62亿吨，其中可采储量13.58亿吨，基础储量35.64亿吨2。我国磷矿资源的特点是“丰而不富”，资源储量大，但品质低，平均P2O5含量只有17%，P2O5含量大于30%的富矿仅占总储量的9.38%。其次，我国磷矿资源开采与利用难度大，绝大部分矿需经选矿才能被利用，而我国磷矿易选矿少，难选胶磷矿多。所以如何有效地利用好磷资源，如何可持续地使用好仅剩的磷资源，成为我国国民经济发展的重要环节3。污水处理过程中会产生污水处理量1%2%的污泥4,污泥含有大量的植物营养物质(如有机质、N、P、K等)5，所以可以将污泥应用到土地利用之中，但污泥中含有的有机污染物和重金属，加大了土地利用的可行性。由于

3、重金属在高温容易挥发，所以将污泥焚烧处理是去除污泥中重金属的主要方法。2、 国内外在该方向的研究现状及分析2.1国内研究现状在污泥焚烧方面，中科学院工程热物理研究所侯海盟博士研究了污泥焚烧过程中重金属的形态和分布。通过化学热力学平衡计算计算，研究污泥焚烧过程中Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn等重金属元素形态和分布，探讨S和Cl对其转化的影响以及吸附剂的化学吸附效果。计算结果表明，污泥焚烧过程中Cd、Cu、Pb的挥发性较强，而Cr、Mn和Zn的挥发性较弱；由于生成了熔沸点较低的金属氯化物，Cl会促进Cd、Cu、Pb、Mn和Zn的挥发；S会与Cd和Pb结合生成硫酸盐，对其具有一定的吸附作用；Al

4、2O3和SiO2都对Cd和Pb有一定吸附作用，S和Cl会影响其吸附效果。不过缺少了磷的影响，这点将在本次试验中加以验证6。在重金属转化方面，赵英杰基于固定床热解反应器，研究了生物质热解过程中钾元素的迁移转化行为。选用稻秆、化学分级洗稻秆及添加氯化钾等不同无机化合物的纤维素作为研究对象，考察了热解过程中四种赋存状态钾的迁移转化；结合热力学模拟，考察了不同无机元素对钾迁移转化的影响。虽然只是在生物质中进行研究，也缺少对钙镁等重金属的迁移转化的分析，但是细节丰富，对本次研究有重要的参考价值7。模拟软件方面，东北大学辛雪倩基于热力学计算软件FactSage6.1，采用相图计算与高温相平衡实验相结合的方

5、法，对四元氧化物体系的热力学性质进行了系统研究。基于她的热力学软件的计算结果，温度对CaO-SiO2-Al2O3(8.3%)-FeOX四元体系及其CaO-SiO2-FeOX、CaO-Al2O3-FeOX和SiO2-Al2O3-FeOX三元子体系液相线位置和相平衡关系影响较大8。田洪鹏等人以SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaO-MgO五元组分模拟灰作为研究对象。应用FactSage得到不同CaO含量时体系的液含率和主要矿物质含量，来预测CaO对熔融特性的影响。得出结论：在灰分焚烧过程中CaO是很好的助溶剂，而且本身也是高熔点氧化物，所以对于液含率的影响具有两重性，在CaO含量为35%时液含率

6、达到最大值。这个发现对污泥的焚烧有很大帮助9。2.2国外研究现状磷(P)是包括植物和动物在内的所有生物体的重要元素,不能被取代。因此，农业需要大量磷来生产粮食（在欧盟15个成员国每年消费超过120万吨磷肥）。然而,磷是不可再生资源,在不久的将来成为稀缺资源,所以应该回收含磷废蒸汽中的应用中的磷。污水污泥是磷的载体,但通常含有有机污染物和重金属。因此,将污水污泥应用到传统农业是一个有争议的问题。为了保护农田免受污染物的积累,污水污泥处理积极用于发电厂或水泥行业,但对于重新利用技术来说在许多情况下是不可逆的。欧洲发现了污泥中磷的含量很高，已经可以通过热化学处理降低污泥中的重金属含量，使得污泥中的磷

7、应用到农业中作为肥料。研究表明在大约1000的操作温度下，在不同的污水污泥中的重金属可以有效地去除。满足了大多数欧洲国家的肥料条例的法律限制。经过热化学处理的磷的生物利用率得到了明显的提高，可以使磷在柠檬酸中溶解度达到100%10。3、 研究方法通过HSC Chemistry进行模拟。众所周知，建立在热力学三大定律基础上的化学热力学是人类经验的高度概括和总结，由它们导出的结论和结果的正确性与可靠性，古今中外还未遇到过任何例外11。运用热力学原理解决问题，不但结论正确，结果可靠，而且解决问题的过程和方式也十分简洁，因此化学热力学已广泛应用于自然科学的若干学科领域。HSC Chemistry是世界

8、上使用最广泛的集成热力学数据库软件，由芬兰奥托昆普(Outokumpu)研究中心开发研制，其最新的7.0版拥有一个超过20000种无机物详细热力学性质的数据库以及针对不同应用而设计的22个计算模块，其模拟图表可以被编辑，数据可以各种形式导出以便于第三方软件进行分析和作图。作为较成熟的综合热力学数据库，HSC Chemistry软件目前已被广泛应用于化学、化工、冶金、材料、环保等多个领域。验证此次实验中污泥中的磷在高温状态下与重金属氧化物在各种反应条件下的生成物组成，主要是应用HSC5.0版本中的平衡相组成的计算模块，该模块的计算原理为首先拟合出体系中各相的热力学性质表达式，在满足物料平衡方程的

9、前提下使恒温、恒压系统的吉布斯自由能最小，从而得到系统的平衡相组成。在计算过程中，只需输入反应系统的总压和初始物质的种类、数量、状态以及在随后变化过程中可能出现的稳定相，就可以获得在一定压力和温度条件下的平衡相组成。12需要指出的是由于没有考虑到化学反应的速率因素，因此HSC Chemistry并不能全面解决所有化学反应的实际问题，然而在许多情况下该软件仍不失为一款高效、绿色、经济及强有力的化学科研辅助工具，能为化学研究快速准确寻找到理论上最佳的反应条件和最高产率，已在众多领域获得了广泛应用。134、 研究方案及进度安排，预期达到的目标或成果4.1研究方案利用HSC Chemistry模拟软件

10、进行实验模拟。选取一定量的原始污泥进行烘干处理，再经过研磨过筛处理后作为实验的样品。采用SMT法测定污泥中磷的含量，作好记录。本实验中利用standards,measurements,and testing（SMT）方法来分离不同形态的磷。SMT方法是在威廉姆斯方法上改进而来的，此方法通过非连续提取将沉积物中的磷分为五种形态：总磷（TP），无机磷（IP），有机磷（OP），非磷灰石无机磷（NAIP）以及磷灰石无机磷（AP）。非磷灰石无机磷是铁、铝、锰的氧化物或氢氧化物与磷的结合物。磷灰石无机磷通常是磷与钙的结合物。通过钼蓝比色法来测定五种形态磷的含量。已有研究利用此方法测定了污泥及沉积物种不同形

11、态的磷含量15-17。接下来取一定量污泥样品进行热处理，每隔50为一个工况，使温度分别控制在750、800、850、900、950、1000，提取残留物，用SMT法测量试验后污泥中磷的含量，分析不同温度对生成物组分的影响。然后在每组温度下改变不同添加剂（主要是CaO和MgO）的量，把每组中CaO的百分含量控制在0%（用作参照实验），5%，10%，15%，20%，测定生成物组分；同理添加MgO也按相同含量添加，测定生成物组分。利用HSC Chemistry模拟软件进行数据模拟，分析不同因素对生成物组分的影响，对实验进行验证。4.2进度安排第一周（2016.2.29-2016.3.4）进行相关文献

12、的查阅和整理；第二周（2016.3.7-2016.3.11）整理开题报告，初步设计实验方案，进行开题答辩；第三周第四周（2016.3.14-2016.3.25）外出实习；第五周开始（2016.3.28），进行实验的准备，配合老师和学长进行实验，收集分析数据，利用HSC Chemistry模拟软件模拟理论数据，进行相关实验验证工作；之后进行数据处理和实验补充阶段，撰写论文。4.3预期达到的目标预计在五月中旬之前完成实验和数据收集工作，把不同因素（主要是温度、不同添加剂的量和不同磷的量）对生成物的影响的结果汇集整理，撰写论文。5、 研究内容利用HSC Chemistry模拟软件，通过输入原始污泥的

13、数据，即化学成分：氧化物的形式、化学元素的形式。通过改变原始数据中Ca的含量、Mg的含量、P的含量，模拟在不同的压力、气氛、温度下，计算生成物的组成。6、 研究目的通过热力学计算，理论模拟验证磷在高温时与重金属的反应情况。模拟不同温度和不同添加剂下磷与重金属的反映情况，验证生成物的组成。7、主要参考文献1中国国土资源部信息中心世界矿产资源年评M北京：地质出版社，20092刘树臣中国矿产资源年报R北京：北京国土资源部，20083鄢正华我国磷矿资源开发利用综述J矿冶，2011，20(3)：21254Lester J N，Sterrit R M，Kirk PW WSignificance and b

14、ehavior of heavy metals in wastewater treatment process.Sludge treatment and disposalJScience of the Total Environment，1983，30:45-835王新，周启星，陈涛等污泥土地利用对草坪草及土壤的影响J环境科学，2003，24(2):50-536侯海盟城市下水污泥循环流化床焚烧及排放特性试验研究J中国科学院研究生院，20137赵英杰生物质固定床热解过程中不同赋存状态钾的迁移转化J华东理工大学，20148辛雪倩CaO-SiO2-Al2O3-FeOx四元氧化物体系热力学性质研究J东

15、北大学，20119田洪鹏，朱学栋，朱子彬应用FactSage预测CaO助熔剂对模拟灰熔融特性的影响J上海市化学化工学会2008年度学术年会论文集，2008：1210C. Adam, B. Peplinski, M. Michaelis, G. Kley, F.-G. Simon，Thermochemical treatment of sewage sludge ashes for phosphorus recoveryJ，Waste Management 29 (2009) 1122112811刘光灿物理化学中化学热力学的教与学J中国校外教育，2011(6)：174175，17912张光明，冯

16、可芹，邓伟林，等钒钛磁铁矿碳热合成铁基复合材料的热力学分析J四川大学学报:工程科学版，2012，44(4):19119613王艳坤HSC Chemistry软件在高校化学科研中的应用J河南教育学学报2012（02）14Huacheng Xu, Pinjing He. Recovery of phosphorus as struvite from sewage sludge ashJ.Journal of Environmental Sciences, 2012, 24(8): 1533-153815Chunsheng Xie，Jie ZhaoJie Tang，et alThe phosphorus fractions and alkaline phosphatase activitiesin sludge. Bioresource Technology, 2011,102(3):2455-2461 16Pardo，P，López-Sánchez，JF，Rauret，GRelationships between phosphorus fractionation and major components in sediments using the SMT harmonised ex