南通市鋼絲繩行業(yè)污泥處置與利用技術(shù)方案研究

吳 為，武攀峰，吳玉軍，嚴(yán)宇澄，陸 榮，

(1.南通市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南通 226000;2.南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通226002;3.南通市鋼絲繩行業(yè)污泥廢酸資源化中心，江蘇 南通 226006)

·控制技術(shù)·

南通市鋼絲繩行業(yè)污泥處置與利用技術(shù)方案研究

吳 為1，武攀峰2，吳玉軍3，嚴(yán)宇澄2，陸 榮2，3

(1.南通市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，江蘇 南通 226000;2.南通市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江蘇 南通226002;3.南通市鋼絲繩行業(yè)污泥廢酸資源化中心，江蘇 南通 226006)

通過(guò)對(duì)南通市鋼絲繩行業(yè)產(chǎn)生污泥的特征進(jìn)行分析，在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外重金屬污泥控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合南通市實(shí)際情況，提出了鋼絲繩污泥處置方案，并進(jìn)行了可行性分析。

鋼絲繩污泥;處置與利用;重金屬控制;揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯

含重金屬污泥處置困難，現(xiàn)已成為每個(gè)城市面臨的重大環(huán)境問(wèn)題，這些污泥侵占了大量土地，制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，含金屬污泥是一種潛在資源，因而合理地回收利用才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。南通市位于江蘇省東南部，是全國(guó)聞名的鋼絲繩之鄉(xiāng)，鋼絲繩年產(chǎn)量約占全國(guó)總量的1/3。鋼絲繩行業(yè)在促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)就業(yè)中，發(fā)揮了積極作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)就有鋼絲繩企業(yè)290多家，年產(chǎn)量120萬(wàn)t，年銷售收入近60億元，稅收1.2億元，從業(yè)人員1.2萬(wàn)人。然而，行業(yè)的快速發(fā)展也使得周邊環(huán)境迅速惡化，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活。鋼絲繩行業(yè)廢水處理產(chǎn)生的污泥(以下簡(jiǎn)稱“鋼絲繩污泥”)中重金屬含量較高，處理難度大，一直以來(lái)未找到合適的處置方法，造成了嚴(yán)重的區(qū)域特征性環(huán)境污染，一定程度上也制約了該行業(yè)的發(fā)展。

1 鋼絲繩污泥產(chǎn)生量及特征分析

1.1 來(lái)源與產(chǎn)生量

鋼絲繩廢水主要來(lái)自酸洗和磷化生產(chǎn)工序，為酸性廢水，內(nèi)含大量重金屬元素，如鐵、鉛和鋅等，廢水處理方法主要采用氫氧化物沉淀法，工藝流程見(jiàn)圖1。該方法以石灰乳作為堿性沉淀劑，加入廢水，通過(guò)中和作用使重金屬生成不溶于水的氫氧化物沉淀而分離，形成的這些沉淀物即為鋼絲繩污泥，污泥經(jīng)板框壓濾后進(jìn)行處置。

圖1 廢水處理工藝流程

這一方法投資少，見(jiàn)效快，操作簡(jiǎn)便，但是，由于廢水pH極低，石灰乳的中和能力弱，致使其消耗量大，產(chǎn)泥量也非常大。據(jù)調(diào)查，1 t廢水的污泥產(chǎn)生量約在0.02 t左右，含水率80%以上。按照鋼絲繩企業(yè)年排放廢水總量100萬(wàn)t計(jì)，區(qū)內(nèi)每年產(chǎn)生的污泥量達(dá)2萬(wàn)t。

1.2 組成及成分分析

南通市鋼絲繩污泥主要化學(xué)組成及含量見(jiàn)表1所示。

表1 鋼絲繩污泥中主要化學(xué)組分分析結(jié)果表

由表1可以看出，鋼絲繩污泥中鉛、鋅和鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為0.53%，2.89%和25.6%，它們主要來(lái)源于熱處理、鍍鋅、酸洗和磷化等工藝。同時(shí)，污泥中還含有較多的Na、Ca等元素，這些元素則是在廢水處理時(shí)，由加入的氫氧化鈣等化學(xué)藥劑產(chǎn)生。其余各類重金屬含量均較低。另外，由于酸洗工藝中采用鹽酸，使得污泥中氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)4.09%。因此，對(duì)于鋼絲繩污泥而言，如何降低鉛、鋅、鐵3種重金屬含量，是其能否安全處置的關(guān)鍵。

1.3 處置現(xiàn)狀及成因分析

根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)污泥處置方式主要有以下幾種:①由專人收集，送東方紅農(nóng)場(chǎng)露天垃圾場(chǎng)堆放(占60%);②送磚瓦廠制磚(農(nóng)場(chǎng)部分企業(yè));③與煤渣等物料混合鋪路;④隨意堆放或傾倒;⑤由于部分鋼絲繩企業(yè)廢水處理設(shè)施存在設(shè)計(jì)缺陷，污泥沉淀時(shí)間不夠，因此存在污泥隨廢水直排的現(xiàn)象。

造成鋼絲繩污泥處理困難的原因主要有兩個(gè):一是處置成本太高。鋼絲繩污泥中含高濃度鉛、鋅等重金屬，按環(huán)保要求，必須作為危險(xiǎn)廢物固化填埋處置，每噸污泥的處理費(fèi)用高達(dá)2 000元(不含運(yùn)輸費(fèi))，企業(yè)難以承受;二是目前鋼絲繩污泥處理除固化填埋外，無(wú)其他經(jīng)濟(jì)可行的處理處置方法。

2 污泥中重金屬的控制方法

2.1 鈍化

該方法是根據(jù)重金屬不同形態(tài)的生物有效性原理，通過(guò)各種鈍化技術(shù)，改變污泥中重金屬形態(tài)，減少重金屬遷移［1］。常用的鈍化方法有污泥堆肥法、鈍化劑法等。污泥堆肥法是在一定的水分、C/N比［ρ(C)/ρ(N)］等條件下，污泥單獨(dú)或者與其他物料混合，通過(guò)微生物發(fā)酵作用，將有機(jī)物高溫分解轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿系倪^(guò)程。堆肥過(guò)程使得重金屬含量減低，而且使其形態(tài)發(fā)生變化，水溶態(tài)、交換態(tài)含量減少，有機(jī)結(jié)合態(tài)含量增加。該方法處理后的污泥，可以作為肥料進(jìn)行土地利用，但是對(duì)原料中有機(jī)質(zhì)含量要求較高。鈍化劑法是通過(guò)添加鈍化劑的方式，將重金屬鈍化，使之不再溶出。常用的鈍化劑有磷酸肥料、硅鋁酸鹽、石灰等。

2.2 提取

該方法是通過(guò)回收污泥中的重金屬，使其含量降低。國(guó)內(nèi)外污泥中重金屬的回收通常采用浸提回收法。該方法分兩步，首先采用選擇性浸出方法(如酸浸、氨浸、生物淋濾等)將污泥中的重金屬以離子態(tài)或絡(luò)合離子態(tài)浸出［2］，然后將浸出液中的重金屬元素采用液液萃取、分步沉淀和離子交換等方法進(jìn)行分離和選擇性回收，回收的最終產(chǎn)物為高品位金屬單質(zhì)或相應(yīng)的高純度金屬鹽。但是該方法投資大、操作復(fù)雜，需大量強(qiáng)酸堿，在實(shí)際工程中難以應(yīng)用。鋼絲繩污泥含水率高，重金屬含量相對(duì)較低，如果直接采用此法，則浸出劑用量大、效率低，生產(chǎn)成本也偏高。

2.3 熱處理

近年來(lái)，以熱處理方法為代表的重金屬回收技術(shù)，以大規(guī)模處理優(yōu)勢(shì)成為了新焦點(diǎn)。熱處理不僅可以使污泥減容減重，同時(shí)也可使金屬元素在飛灰或灰渣中富集，從而實(shí)現(xiàn)有價(jià)重金屬的回收［3］。目前，工業(yè)化應(yīng)用的有水泥回轉(zhuǎn)窯、燒結(jié)制磚、低溫?zé)峤獾?。熱處理技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠及時(shí)消納污泥，在減量化和無(wú)害化的同時(shí)，使污泥變廢為寶以獲取一定的經(jīng)濟(jì)利益，具有其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。但它同時(shí)也有一次性建設(shè)成本高等劣勢(shì)存在。為此，熱處理技術(shù)的選用必須遵循因地制宜的原則，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

3 鋼絲繩污泥處置方案分析

鋼絲繩污泥產(chǎn)生量大，Zn、Pb和Fe含量較高。根據(jù)目前污泥中重金屬的常用控制技術(shù)，結(jié)合南通市實(shí)際情況，筆者認(rèn)為以熱處理為代表的回收重金屬的資源化技術(shù)，是南通市鋼絲繩污泥處置的理想方法。其主要優(yōu)勢(shì)有兩個(gè)。

(1)Zn、Pb、Fe是鋼絲繩污泥無(wú)害化利用或處置的關(guān)鍵限制因素。根據(jù)對(duì)這3種重金屬物理性質(zhì)的分析可知，Zn的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為442.4℃和906.5℃，ZnO的熔沸點(diǎn)非常高，分別為1 975℃和1 800℃。Pb的熔點(diǎn)為327.5℃，PbO的熔點(diǎn)為886℃。Fe的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)都很高，分別為1 539℃和2 740℃，高溫下不易揮發(fā)。郭興忠的綜合熱分析測(cè)試結(jié)果及TG曲線顯示，4種物質(zhì)的失重率由大到小為:Zn＞PbO＞Pb＞ZnO［4］。他認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)Zn與體系分離，必須將ZnO還原為Zn，讓Zn揮發(fā)，再加以收集或再氧化成ZnO收集;而Pb元素以PbO的形式揮發(fā)。另外，平衡蒸汽壓與物質(zhì)的揮發(fā)性有直接關(guān)系。Zn的蒸汽壓最大，在一定溫度下遠(yuǎn)大于其他兩種重金屬，說(shuō)明Zn極易揮發(fā)，并以氣態(tài)形式存在。在溫度900℃的條件下，Zn的平衡蒸汽壓為0.932×105Pa，很容易揮發(fā)。因此，利用各金屬間熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和平衡蒸汽壓的不同，采用Zn、Pb高溫還原可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩污泥中Zn、Pb與Fe的分離和回收。

(2)南通市有一家在運(yùn)行的鋅冶煉企業(yè)，位于下轄的啟東市，離南通市區(qū)100多km，利用揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯工藝從鋼廠爐灰(煉鐵瓦斯灰和電爐灰)中提煉出ZnO，實(shí)現(xiàn)廢物資源化?，F(xiàn)有廠房1 000 m2，直徑2.4 m×40 m揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯爐生產(chǎn)線2條，年處理能力10萬(wàn)t，實(shí)際年處理鋼廠爐灰5萬(wàn)t，年提煉出氧化鋅產(chǎn)品約5 000 t，副產(chǎn)品窯渣燒結(jié)4.5萬(wàn)t。工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝流程示意

鋼廠爐灰的主要化學(xué)組分見(jiàn)表2。

表2 鋼廠爐灰的主要化學(xué)組分 %

通過(guò)對(duì)表1和表2的比較分析可知，鋼絲繩污泥與鋼廠爐灰的重金屬組成均以Fe、Zn和Pb為主，其中，F(xiàn)e和 Pb含量相當(dāng)，Zn含量差異較大。與鋼廠爐灰相比，鋼絲繩污泥中鋅含量相對(duì)較低，約為鋼廠爐灰的23%。

綜上所述，根據(jù)鋼絲繩污泥的特性，結(jié)合南通市境內(nèi)鋅冶煉企業(yè)存在的優(yōu)勢(shì)，采用揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯的熱處理技術(shù)進(jìn)行鋼絲繩污泥的資源化處置與利用是完全可行的。但是與鋼廠爐灰原料相比，鋼絲繩污泥中重金屬含量偏低，不適合單獨(dú)進(jìn)行重金屬回收，必須加入混合配料后方可進(jìn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

資源化是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩污泥有效處置的關(guān)鍵，體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的理念，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯處理量大、技術(shù)成熟，是目前實(shí)現(xiàn)對(duì)南通市鋼絲繩污泥資源化處置的理想方法。在工業(yè)化應(yīng)用中，鋼絲繩污泥與鋼廠爐灰的配料比，以及運(yùn)行參數(shù)還需要通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

［1］CALVET R，BOURGEOIS S，MSAKY J J.Some experiments on extraction of heavy metals present in soil［J］.International Journal of Environmental Analytical Chemistry，1990，39(1):31-45.

［2］周立祥，王艮梅.污水污泥中重金屬的細(xì)菌淋濾效果研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(4):504-506.

［3］張衍國(guó)，奉華，鄧高峰，等.城市污水污泥焚燒過(guò)程中的重金屬遷移特性［J］.環(huán)境保護(hù)，2000(12):35-36.

［4］郭興忠.鉛鋅分離的理論與應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2002.

Study on Disposal and Utilization of the Sludge from Steel Wire Rope Enterprises in Nantong City

WU Wei1，WU Pan-feng2，WU Yu-jun3，YAN Yu-cheng2，LU Rong2，3
(1.Nantong Inspection and Testing Center for Quality of Agricultural Products，Nantong，Jiangsu 226000，China;2.Nantong Environmental Monitoring Central Station，Nantong，Jiangsu 226002，China;3.The Central Resource Recovery for Sludge and Waste Acid of Wire Rope Industry of Nantong City，Nantong，Jiangsu 226006，China)

The technical tactic for the sludge disposal was brought forward according to the characteristic of the sludge discharged from steel wire rope enterprises in Nantong City.First of all，the status quo of the sludge disposal as well as the basic properties was analyzed.Combined with the present conditions in Nantong and the advances in the control of heavy metal pollution in the disposal of sludge，the reasonable sludge disposal scheme was presented.

sludge from steel wire rope;disposal and utilization technology;the control of heavy metal pollution;volatile revolving kiln

X506

A

1674-6732(2011)-06-0046-03

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.06.013

2010-08-11;

2010-09-06

江蘇省環(huán)?？蒲许?xiàng)目(2009010)，南通市市級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(K2009019)。

武攀峰(1979—)，男，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染防治工作。

(本欄目編輯 周立平)