污泥焚烧过程中重金属迁移转化规律及灰渣中重金属浸出特性研究

作     者：张世早 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡春华;方平

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：污泥焚烧 钙基添加剂 重金属 形态分布 迁移转化 浸出特性 

摘      要：市政污泥的经济、高效、安全处置是目前我国面临的重要环境问题。在众多的处置工艺中,减重减容效率高、处理速度快的污泥焚烧技术日渐受到关注,但焚烧产生的重金属等有毒污染物的排放一直受到担忧,这是制约污泥焚烧技术推广应用的瓶颈问题。本文以广州市市政污泥为研究对象,通过管式炉开展污泥焚烧实验,利用ICP-OES、SEM-EDS、XRD、XPS等设备,研究了污泥焚烧过程中重金属迁移转化规律以及灰渣中重金属浸出特性。焚烧条件对重金属迁移转化影响的实验结果表明:焚烧温度升高(750-950℃),Pb的挥发率先增大后减小,850℃时达到47%的最大挥发率,焚烧后Pb的残渣态、有机结合态占比增多。Pb的潜在迁移性减小,低温有利于熔沸点较低的含Pb氯化物挥发,而高温易导致Pb与硅铝酸盐反应,生成Pb AlSi O,对Pb起固定作用;对于As、Cd、Zn、Cr、Ni,温度升高挥发率均增大,且残渣态占比增多。Pb的挥发率随含水率增加而减小,由47%减少至7%,Pb的形态分布变化较小,而As的挥发率先减小后增大,Cr、Ni增大,Zn先略微升高后减小,Cd减小,水分使焚烧体系中游离氯离子含量减小,抑制了含Pb、Cd、Zn氧化物与HCl的反应,减少了挥发,而对于Zn、Cd,水与有机碳生成CO等还原性气体,将金属氧化物还原成挥发性较高的金属单质或次氧化物。Pb、As、Cd的挥发率随氧浓度增加而增大,Pb的残渣态占比增多,Zn、Cr、Ni的挥发率先增大后减小,氧浓度的增加促进了污泥和含Pb、As、Cd有机物的氧化分解,缺少氧元素使氯离子的活性降低,导致氯化物生成量减少,增大了挥发率,而Zn、Cr、Ni在氧浓度高时生成它们的含氧化合物的反应占主导地位,含氧化合物稳定,致使挥发率下降。掺烧钙基(CaO、Ca(OH))对重金属迁移转化影响的实验结果表明:钙基促进Pb的挥发,且随添加量增加挥发率增大,分别由47%-83%、47%-67%,残渣态占比都随着添加量的增加而减少(CaO:12-29%、Ca(OH):17-32%),有机结合态比例略有增多,有效态、铁锰氧化态比例变化不大,Pb的稳定性基本上保持不变。结合SEM-EDS、XRD和形态分析,得出Ca与Pb在反应体系中为“竞争关系,钙的加入降低了硅铝酸盐对Pb的固留作用,导致Pb残渣态占比显著减少、挥发率增大。掺烧钙基后As、Zn挥发率先减小后增大,Cd、Cr、Ni挥发率减小,As、Zn残渣态占比先增多后减少,Cd残渣态占比持续下降,Cr、Ni水溶态、残渣态均变大。因此在实际的控制重金属排放过程中,要根据重金属特性添加适当的添加钙基添加剂。重金属浸出特性的实验结果表明:As、Cd、Pb、Zn、Cr浸出浓度随浸出时间增加而增高,Ni则在16 h时达到最大值。As、Cd、Pb、Zn、Ni浸出浓度随液固比增大而增高,Cr先升高后降低再升高。对于浸取液p H,六种重金属在酸性下的浸出浓度均较高,As、Cd、Cr随p H值变大而降低,Pb、Zn、Ni则先升高后降低。灰渣粒径越小,六种重金属的浸出浓度越高。此外,污泥焚烧温度越高,其灰渣中重金属浸出浓度越低;掺烧钙基后的灰渣,Cd、Cr、Ni的浸出浓度随添加量的增加而降低,As、Zn先升高后降低,而Pb持续增高,浸出率由53.2%增加到83.9%。六种条件下重金属的浸出浓度最大值均低于《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16889-2008)规定值,焚烧灰渣的RI计算值为5964.51,远高于《潜在生态风险指数法》划定的RI1200(E级)标准,重金属的潜在污染危害程度为CdAsNiZnPbCr。首先建议将灰渣用于水泥、陶瓷砖等建筑材料的生产,其次是对其进行填埋场填埋处理,严禁将灰渣随意丢弃、简单用于填坑、铺路。