污泥焚燒中重金屬離子遷移規(guī)律研究

楊倩 徐江鋒

（南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院江蘇南京210046）

污泥焚燒中重金屬離子遷移規(guī)律研究

楊倩 徐江鋒

（南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院江蘇南京210046）

城市污水經(jīng)過污水處理廠處理后，必然要產(chǎn)生大量的污泥。為避免城市污水污泥產(chǎn)生二次污染，必須對其進行妥善處理與處置。文章簡單介紹了城市污水污泥的性質(zhì)及組成，介紹了污泥中重金屬的形態(tài)，著重介紹了對污泥進行焚燒處置方法前后重金屬的變遷情況以及影響重金屬變遷的一些因素。

城市污泥；重金屬；焚燒；遷移

一、前言

隨著城市化進程的不斷推進，城市污水處理廠的污泥處理任務(wù)也愈益加重。目前污泥處理與處置主要有三種方法，即農(nóng)業(yè)利用、填埋以及焚燒［4-6］。由于污泥中含有豐富的營養(yǎng)元素，能改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，因此，農(nóng)業(yè)利用方法很早就被人們所采用。但由于污泥中同時含有大量病原菌、寄生蟲卵以及重金屬和難降解的有機化合物，在利用時必須采取相應(yīng)的措施以減少可能存在的危害［1-2］。污泥填埋操作簡單且成本低，但需要大面積的場地，同時污泥中有毒有害物質(zhì)會滲透到附近土壤及河流中。采用焚燒法處理污泥可以大大減小污泥的體積和質(zhì)量，還具有處理速度快，焚燒過程中可回收能量及處理對象多樣性等優(yōu)點［3］。因而越來越受到人們的關(guān)注。近年來，在歐洲國家中采用焚燒法處理污泥的比例逐年增加，到2005年已占總污泥處理方法的40%［4］。

雖然污泥焚燒具有許多優(yōu)點，但由于焚燒的設(shè)備復(fù)雜，資金投入大，同時，污泥中富集的多種重金屬在焚燒過程中一方面被固定在殘渣中，另一方面隨著飛灰擴散到大氣中［5］。因此，污泥焚燒過程中重金屬的遷移規(guī)律成為環(huán)境研究學(xué)者的“熱點”研究課題［6-8］。

二、污泥的組成及其性質(zhì)

城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥一般含有植物營養(yǎng)物質(zhì)、金屬元素和有機物，其中的有用物質(zhì)為植物營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷和鉀）、有機物以及水等，有害物質(zhì)則包括寄生蟲卵、致病微生物、合成有機物以及重金屬等。城市污水污泥中的有機成分與一個城市的工業(yè)性質(zhì)有關(guān)，而化學(xué)污泥的組成主要取決于工業(yè)生產(chǎn)的類型。污泥中的重金屬主要有：Cu、Ni、Cd、Cr、Mn、Pb、Zn、Hg等。其中80%以上的Cu、Pb和60%以上的Cd、 Cr是以有機態(tài)和硫化物的形式存在。

污水污泥的生物及化學(xué)特性隨著污水種類的不同而不同，其中有機物及營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)適宜處理后可重新利用。不同行業(yè)污水污泥中重金屬的含量相差很大，化學(xué)污水污泥重金屬含量遠遠高于其他行業(yè)。不同重金屬在同一污水污泥中的含量區(qū)別也很大，一般都是Zn、Cu、Pb含量較高，而Cd的含量較低。

三、污泥焚燒中重金屬離子的遷移及其影響因素

污泥中的重金屬主要有Cu、Ni、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等。如果采用合適的焚燒方式，就能在污泥焚燒過程中使大部分重金屬盡可能多地保留在焚燒底灰中，而盡可能少地隨飛灰排放到環(huán)境中，有利于污泥焚燒技術(shù)的應(yīng)用［9］。污泥焚燒后重金屬在灰渣和飛灰中的分布情況受焚燒溫度、添加劑、焚燒氣氛、焚燒時間、升溫速率和原污泥的含水率等因素的影響較大［7，9，10］。

1.焚燒溫度對污泥中重金屬遷移的影響

污泥焚燒灰渣和飛灰中重金屬的含量一方面取決于污泥燃燼程度和重金屬的揮發(fā)程度。燃燼程度越高，灰渣中重金屬的含量越高；重金屬自身熔點、沸點低，則越易揮發(fā)，底灰中重金屬的含量越低。污泥焚燒后，對于熔沸點比較高的重金屬元素如Zn、Cu、Cr主要殘留在灰渣中，Pb、Cd、Ni則部分殘留在灰渣中；而對于熔沸點較低的重金屬元素如As、Hg等由于則大量富集在飛灰中，對大氣造成的危害也最重［9］。另外，隨著焚燒溫度的升高，重金屬在飛灰中的含量都隨之增加，易揮發(fā)重金屬含量更加顯著。

另一方面，溫度對重金屬在灰渣和飛灰中的分布也取決于重金屬在污泥中的存在形態(tài)。污泥中的重金屬主要以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽、不可溶鹽或有機絡(luò)合物的形式存在，其次為硫化物，很少以自由離子的形式存在［6］。如果污泥中Cr和Pb主要以硫酸鹽存在，在加熱過程中硫酸鹽首先會發(fā)生分解生成氧化物。當焚燒過程中處于還原性氣氛時，這些氧化物便會被還原生成易揮發(fā)的次氧化物。然而，在污泥焚燒時，重金屬元素的氯化物和硫化物首先開始氣化，接著氧化物才開始氣化。所以，Pb的揮發(fā)性就要大于Cr的揮發(fā)性［11］。

2.添加劑對污泥中重金屬遷移的影響

在污泥焚燒過程中加入添加劑能夠有效降低煙氣中重金屬的含量，其作用機理主要是在金屬蒸氣還未結(jié)核前，添加劑便與重金屬離子發(fā)生反應(yīng)或吸附，從而降低飛灰中重金屬的含量［12，13］。

目前，研究人員使用的添加劑主要有氧化鈣（CaO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、高嶺土及粉煤灰等。然而，不同添加劑對不同重金屬排放特性的影響不同。張衍國等研究了焚燒過程中SiO2、Al2O3、CaO等吸附劑對重金屬Cd、Pb遷移分布的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，當反應(yīng)爐溫度為850℃時，三種吸附劑對于Cd的固定率順序為CaO＞Al2O3＞SiO2，對Pb的固定率順序為Al2O3＞SiO2＞CaO［14］。王琪等采用SiO2作為添加劑研究焚燒中重金屬的遷移規(guī)律，研究表明氧化硅的加入使熔渣中重金屬的含量有所增加；另外，重金屬Cu和Zn的固定率有顯著提高，但對Pb，Cd和Cr的固定率影響不明顯［15］。Yao等在焚燒過程中添加高嶺土后產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射發(fā)現(xiàn)Pb和Cd與高嶺土發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)并生成PbO·Al2O3·2SiO2和CdO· Al2O3·2SiO2，從而導(dǎo)致Pb和Cd在焚燒殘渣中富集［16］。劉敬勇等研究了粉煤灰對污泥焚燒時飛灰中重金屬含量的影響，結(jié)果表明粉煤灰使Zn的揮發(fā)率降低，而對Cu的揮發(fā)率沒有抑制作用［12］。

3.焚燒氣氛對污泥中重金屬遷移的影響

重金屬在燃燒過程中的揮發(fā)性跟焚燒氣氛有關(guān)，當焚燒爐內(nèi)為氧化性氣氛時，重金屬容易生成氧化物。而金屬氧化物的熔沸點一般情況下都較高，不容易揮發(fā)，重金屬大部分集中在焚燒灰渣中；當焚燒過程處于還原氣氛時，大多數(shù)重金屬容易生成單質(zhì)和次氧化物等化合物，因此，比較容易揮發(fā)，焚燒煙氣中重金屬含量顯著增加。

硫元素對重金屬的分布有一定的影響。有研究表明，污泥焚燒過程中，對于Zn、Cd、Ni等重金屬元素，硫易與其發(fā)生反應(yīng)生成更加穩(wěn)定的硫酸鹽或硫化物，從而抑制了重金屬的揮發(fā)。對于重金屬Pb而言，其揮發(fā)程度隨著硫元素的增加而變大。另外，重金屬的分布規(guī)律還受到氯元素含量的影響，且它的影響比硫元素的影響大。在焚燒中，氯元素易與重金屬元素形成易揮發(fā)的氯化物，從而促進重金屬的揮發(fā)，如Cd和Pb等元素。而對于重金屬Ni和Cr元素，因其不與氯元素形成氯化物而能富集在灰渣中［17］。

4.焚燒時間對污泥中重金屬遷移的影響

增加污泥的焚燒時間意味著污泥揮發(fā)分析出率和固定碳的燃燼率高。研究表明［9］，污泥焚燒后底灰中Cu、Cr、Zn和Ni的含量隨停留時間的增長呈上升趨勢，Pb呈下降趨勢。Cd的變化趨勢與污泥的含水率及焚燒溫度有關(guān)，當污泥含水率為78.6%、焚燒溫度為700℃時，其含量隨停留時間的增長呈下降的趨勢，當污泥含水率為69%、焚燒溫度為600℃時，其含量隨停留時間的增長呈增加的趨勢。

5.升溫速率對污泥中重金屬遷移規(guī)律的影響

李愛民［9］等在污泥焚燒底灰中重金屬殘留特性的實驗研究中已經(jīng)得出：升溫速率對Cu的影響不大，Cu在底灰中的含量比較穩(wěn)定；Cd呈現(xiàn)下降的趨勢，而且趨勢較明顯；而Cr、Cu、Pb和Ni在終溫600℃與700℃升溫速率的影響則區(qū)別很大，Pb在600℃隨著升溫速率的提高呈現(xiàn)下降的趨勢，而在700℃則呈現(xiàn)相反的趨勢；Cu、Cr和Ni雖然在600℃與700℃呈現(xiàn)的變化趨勢相反，但它們的變化趨勢與Pb恰好相反。就相對含量來說Zn含量隨升溫速率的變化也不大，變化趨勢不明朗。

6.污泥含水率對污泥中重金屬遷移的影響

當污泥中含水率增加時，由于污泥中本身含有氯元素，因此，在焚燒時更易產(chǎn)生氯和氯化氫。這些物質(zhì)會與焚燒產(chǎn)生的重金屬氧化物反應(yīng)生成重金屬氯化物。因為氯化物比氧化物更易揮發(fā)，所以，致使重金屬在灰渣中的含量降低，飛灰中重金屬的含量增加。另一方面，由于水汽的大量存在，會使爐內(nèi)的焚燒溫度降低，產(chǎn)生的氯及氯化物與爐內(nèi)重金屬及其氧化物接觸的時間更長，更易生成易揮發(fā)的重金屬氯化物，這也是導(dǎo)致重金屬在飛灰中含量增高的原因［18］。

四、結(jié)論

污泥中重金屬的源頭主要來自生活垃圾、工業(yè)生產(chǎn)等，因此，可以通過垃圾分類、清潔生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化來消減。此外，污泥可以通過水解手段去掉部分重金屬。不同重金屬受焚燒溫度的影響較大，對于熔沸點較高的金屬，受溫度影響較小，而易揮發(fā)的金屬，焚燒溫度升高，其揮發(fā)程度顯著增加。添加劑的加入可以抑制重金屬的揮發(fā)，但不同金屬揮發(fā)程度不一樣。在氧化性氣氛中，重金屬易生成不易揮發(fā)的氧化物，而在還原性氣氛中，因生成金屬單質(zhì)或次氧化物等化合物而變得易揮發(fā)。此外，焚燒時間、升溫速率及污泥含水率對重金屬在灰渣和飛灰中的分布也有較大的影響。

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10.3969/j.issn.1008-0546.2013.06.044