尿素诱导的富氮热解技术用于污泥衍生生物炭和生物油的协同升级

《Fuel》：Urea-induced nitrogen-rich pyrolysis for co-upgrading of sludge-derived biochar and bio-oil

污泥氮富集共热解提升生物炭及生物油品质研究

　　

王瑞志|陈俊宏|李金泽|杨毅|顾莉|史德志|程红|潘伟良|陈永东

教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学环境与生态研究所，中国重庆市沙坪坝路174号，400045

摘要

传统的热解方法常常存在碳含量低和产物性能不佳的缺点，这限制了它们的实际应用。本研究探讨了尿素热解产生的富氮气氛对污泥（SS）热解产物（生物炭和生物油）性质的影响，并研究了生物炭在土壤中的应用效果。结果表明，富氮气氛显著提高了生物炭的碳和氮含量，促进了有机物的释放和脱氧作用，并改变了其官能团的演变路径；而尿素热解释放的含氮自由基促进了生物油中短链化合物和含氮杂环化合物的形成。盆栽实验表明，共热解得到的生物炭在促进植物生长和增加土壤有机碳和氮含量方面优于传统热解得到的生物炭。本研究为污泥的资源化利用提供了新的见解。具体而言，富氮热解制备的生物炭和生物油质量更高，不仅提高了生物炭在土壤中的应用效果，还揭示了富氮热解在提升污泥热解产物质量方面的潜力。

引言

随着快速的城市化和工业化，污水处理基础设施的扩张导致了大量污泥（SS）的产生。作为主要副产品，污泥富含营养物质和有机物[1]。到2025年，中国的年污泥产量已达到5600万吨，这凸显了有效稳定污泥和资源化利用的迫切需求[2][3]。目前的污泥处理方法主要分为两类：生物处理和热化学处理[4][5]。生物处理方法包括厌氧消化和好氧堆肥，而热化学方法包括焚烧和热解[6]。与生物处理方法相比，热化学处理具有更快的处理速度和显著减少的最终产物体积，特别适用于大城市的污泥管理[7]。

热解是一种有前景的污泥处理技术，具有高转化效率、低环境影响和有价值的副产品[8]。然而，污泥本身的复杂性，尤其是其有机物中含氧官能团的丰富性，限制了热解的效果[9][10]，导致制备的生物炭碳含量低、比表面积小、热值低且性质不稳定，从而限制了其直接应用[11][12]。因此，通过提高生物炭的碳含量和促进氧的去除来提升污泥衍生生物炭的质量对于推进污泥的资源化利用至关重要。

富氮共热解作为一种提高生物炭和生物油价值的方法，在生物质热解中得到了应用。常见的氮载体包括NH₃（气体）、三聚氰胺（固体）等[13][14]。NH₃作为富氮气氛，在生物质的热解转化中表现出独特的优势。李等人发现，在富氮热解环境中，微藻通过美拉德反应实现了更有效的脱氧和氮富集。与传统热解相比，该过程减少了含氧化合物的含量，并增加了生物油中的含氮化合物[15]。郑等人的进一步研究证实，NH₃增强了生物炭的固氮能力并降低了氧含量[16]。Mainali等人发现，在与纤维素共热解过程中，三聚氰胺促进了氮向生物炭的转移，并在生物油中引入了新的含氮成分[17]。

尿素作为一种常见的氮载体，在农业和催化领域得到广泛应用[18][19]。当温度超过200°C时，尿素逐渐分解，产生NH₃、异氰酸（HNCO）和其他含氮副产物[20]。值得注意的是，这些含氮产物可以产生与上述富氮热解类似的效果。此外，生成的NH₃和HNCO与污泥中的有机成分反应，从而影响生物炭的官能团组成和生物油的成分分布[21]。尽管尿素已被用作木质纤维素生物质热解掺氮的氮源，但关于尿素热解产生的富氮气氛下污泥处理的研究仍然有限，尤其是对生物炭和生物油的全面分析不足[22]。

因此，本研究探讨了污泥与尿素之间的共热解作用，系统分析了富氮热解对生物炭性质和生物油组成的影响，比较了共热解生物炭与传统热解生物炭在土壤改良效率上的差异，并深入揭示了污泥与尿素共热解过程的协同机制。这项研究不仅为制备高质量生物炭和更稳定的生物油提供了理论和实验依据，还为阐明生物炭在土壤改良应用中的效果差异提供了基础，从而为污泥热解产品在资源回收和环境修复领域的优化利用奠定了基础。

污泥的来源和性质

污泥取自位于重庆南部的洛宇环保科技有限公司。该公司拥有一条日处理能力为1200吨（含水量80%）的污泥干燥线，用于处理重庆市区的污泥，将污泥的含水量从80%降低到约35%。在105°C下干燥24小时后，污泥被粉碎并通过100目筛网筛选。处理后的材料储存在暗处干燥器中以备后续使用。

热分解行为

污泥的复杂成分导致其热解过程分为多个阶段[24]，如图1a中的TG-DTG曲线所示（10°C/min）。该过程大致可分为三个主要阶段[25][26]：第一阶段（<150°C）主要是去除吸附水和游离水[27]；第二阶段（150–500°C）是有机物质（如碳水化合物和蛋白质）的分解[28]，释放出挥发性有机化合物[29][30]；第三阶段（>550°C）是碳化阶段。

结论

本研究展示了一种利用尿素介导的共热解策略，实现了污泥中生物炭和生物油的同步升级。尿素分解过程中释放的反应性氮物种（NH₃、HNCO、NH₂、NH）在产物改良中起核心作用。这些氮物种增加了生物炭的碳和氮含量，促进了孔隙的形成、脱氧和石墨化，制备出适合土壤改良和潜在电化学应用的富氮生物炭。盆栽试验证实，NBC（氮、生物炭和水的共热解）的应用增强了...

作者贡献声明

王瑞志：撰写——初稿编写、验证、方法学设计、数据整理。陈俊宏：验证、方法学设计。李金泽：验证、方法学设计。杨毅：验证、方法学设计。顾莉：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。史德志：资源协调、项目管理。程红：资源协调、项目管理。潘伟良：项目管理。陈永东：验证、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢重庆市自然科学基金项目（cstc2022NSCQ-MSX0567）和重庆大学科学技术计划（2022CDJYGRH-008）对本研究的财政支持。