污泥焚燒底灰的理化性質(zhì)及再利用技術(shù)

王少波，賈廷綱，繆幸福，米 瓊，劉大江，趙由才

(1.上海環(huán)保工程成套有限公司，上海 200070;2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市污水排放量和處理率逐年提高，污泥產(chǎn)量亦急劇增加，2011年我國城市污水廠產(chǎn)生的污泥達(dá)791萬t(干重計)，且每年還以超過10%的增長率持續(xù)增加［1，2］。目前，污泥的處理處置方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用［3，4］等。其中，焚燒法是世界上廣泛采用的一種城市污泥處理技術(shù)。近年來，焚燒法由于采用合適的預(yù)處理工藝和焚燒手段，能夠達(dá)到污泥熱能的自持，滿足環(huán)境排放要求。相比于其他各法而言，焚燒法具有良好的減容效果［5］，且處理效率高，消毒徹底、不需長期儲存，并且可回收能量用于發(fā)電和供熱實現(xiàn)污泥的資源化利用［6］，但是也會帶來二次污染問題，其中污泥焚燒產(chǎn)生的灰渣因含較高含量的重金屬而易對環(huán)境造成污染，對它的處理處置成為污泥焚燒過程中必須解決的難題。

目前，對于污泥焚燒灰渣的研究，主要集中于對其中重金屬的含量［7］、吸附特性［8，9］及其無害化處理［10］的研究，而對于其與制磚或做路基等資源化利用緊密相關(guān)的抗剪、壓縮固結(jié)性及滲透性等物理性質(zhì)的研究較少。因此，本文對兩種不同的污泥焚燒底灰的粒徑、抗剪、壓縮固結(jié)性、滲透性以及重金屬含量等理化性質(zhì)，原生污泥的性質(zhì)進(jìn)行研究，分析污泥焚燒處理前后理化性質(zhì)的變化，并根據(jù)其理化性質(zhì)進(jìn)一步探索其可能的再利用途徑，為污泥焚燒底灰的處理處置與資源化提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及來源

本研究中所用的原生污泥、污泥加煤焚燒底灰、污泥不加煤焚燒底灰的樣品來源如下。

(1)原生污泥，為上海某污水處理廠污泥經(jīng)105℃烘干后的產(chǎn)物;

(2)污泥加煤焚燒底灰(以下簡稱為加煤底灰)，為未烘干的原生污泥與礦化垃圾篩上物、木屑、M1 脫水劑、煤粉以 100∶10∶5∶5∶20(w/w)混合后在20℃下自然風(fēng)干5 d，然后制成的污泥燃料經(jīng)900℃焚燒1 h后產(chǎn)生的殘余物;

(3)污泥不加煤底灰(以下簡稱為不加煤底灰)，同(2)，只是在污泥燃料配比中取消了煤粉的添加。

其中，原生污泥稍有氣味，顏色近似于土黃色;而加煤底灰和不加煤底灰則均由粉狀物和燒結(jié)物組成，無明顯氣味，底灰中燒結(jié)物質(zhì)地堅硬，并呈疏松多孔的狀態(tài);粉狀物則較為疏松，滲透性好，類似于砂土。加煤底灰顏色較黑，而不加煤底灰顏色偏黃。

1.2 試驗方法

本文通過對加煤底灰和不加煤底灰粒徑分布、抗壓強度、抗剪強度、滲透性、壓縮固結(jié)性質(zhì)、重金屬含量等理化性質(zhì)進(jìn)行分析，并將其與原生污泥進(jìn)行對比，研究焚燒處理對污泥理化性質(zhì)的影響，并進(jìn)一步根據(jù)污泥底灰性質(zhì)，探索其可能的資源化利用途徑。具體的測試方法如下。

(1)粒徑分布、抗剪強度、滲透性、壓縮固結(jié)性質(zhì)等參數(shù)的測定參考標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)中的相應(yīng)方法進(jìn)行;

(2)重金屬含量的測定則參考《城市污水處理廠污泥檢驗方法》(CJ/T 221—2005)中的微波高壓消解后電感耦合等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行。具體的方法為向TFM消解罐中加入0.25 g試樣，然后加入7 mL 65%HNO3和1 mL 30%H2O2的消解液，擰緊消解罐口，搖勻，并將消解罐放置于微波消解儀內(nèi)，以20℃/min的升溫速度上升至200℃，在200℃條件下保持20 min。然后自然冷卻至室溫，將消解罐中的消解液在電熱板上蒸干至＜1 mL，并用4%的HNO3溶液沖洗過濾定容至100 mL，進(jìn)行 ICP測定。

(3)重金屬浸出試驗則依據(jù)固體廢物浸出毒性浸出方法—醋酸緩沖溶液法(HJ/T 300—2007)進(jìn)行測定。具體方法為將試樣在105℃下烘干6 h后稱重測定含水率，準(zhǔn)確稱取一定量烘干前的試樣(對應(yīng)的干基質(zhì)量為50 g)，放置于容積為2.5 L的具蓋廣口聚乙烯瓶中，根據(jù)試樣的性質(zhì)加入不同的浸提液1 L，以180 r/min的轉(zhuǎn)速浸提24 h。浸提液的選擇方法參考文獻(xiàn)［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑分布

加煤底灰和不加煤底灰的粒徑分布如表1所示。由表1可知，加煤底灰粒徑大于2 mm的顆粒比率為36.5%，而不加煤底灰的為25%，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—94)和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 024—85)關(guān)于土的分類規(guī)定可知，兩種底灰均屬于砂土中的礫砂。

表1 加煤底灰和不加煤底灰的粒徑分布Tab.1 Particle Size Distribution of Bottom Ash of Sludge Incineration with Coal and without Coal

2.2 抗剪強度

試驗測得的加煤底灰、不加煤底灰及原生污泥在不同垂直壓力下的抗剪強度如圖1所示，相應(yīng)抗剪性質(zhì)如表2所示。由圖1可知加煤底灰和不加煤底灰的抗剪強度明顯高于原生污泥，在垂直壓力為50 kPa的情況下，原生污泥的抗剪強度僅為39.24，而加煤底灰和不加煤底灰的抗剪強度則分別達(dá)80.03和76.23 kPa。由表2可知在相似的含水率條件下，原生污泥的凝聚力和內(nèi)摩擦角分別僅為17.19 kPa和24°，而加煤底灰和不加煤底灰的凝聚力和內(nèi)摩擦角則比原生污泥有明顯增大，分別達(dá)到43.93 kPa、35.97°和 42.98 kPa、33.76°，因此相應(yīng)的施工允許坡度也分別提高到了29.17°和 27.21°，由此可知污泥經(jīng)焚燒處理后，抗剪性質(zhì)較原生污泥能有明顯增強。

圖1 不同垂直壓力下不同土樣的抗剪強度的對比Fig.1 Comparison of Shear Strength at Different Vertical Pressure of Soil Samples

表2 不同土樣抗剪性質(zhì)對比Tab.2 Shear Properties of Different Soil Samples

2.3 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是根據(jù)100 kPa固結(jié)壓力下的滲透時間而得到。所得試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知滲透系數(shù)由大到小的順序為不加煤底灰＞原生污泥＞加煤底灰。由此可知不加煤底灰最為疏松，透水效果較高;而加煤底灰的顆粒更為致密，顆粒間的空隙更小，從而透水性較差。

表3 不同土樣的滲透系數(shù)的對比Tab.3 Permeability Coefficients of Different Soil Samples

2.4 壓縮固結(jié)性質(zhì)

壓縮系數(shù)、壓縮模量Es及壓縮指數(shù)Cc可作為反映試樣的壓縮性大小的指標(biāo)，本試驗中利用這3種指標(biāo)表征土樣的可壓縮性。在100～200 kPa壓力變化下，不加煤底灰、加煤底灰、原生污泥的壓縮性指標(biāo)值及土樣壓縮性評價指標(biāo)如表4所示。由表4可知不加煤底灰和加煤底灰近似于中壓縮土，而原生污泥則趨近于高壓縮土。即污泥經(jīng)焚燒處理后，壓縮固結(jié)性質(zhì)會較原生污泥有所降低。

表4 不同土樣壓縮性指標(biāo)及土樣壓縮性評價指標(biāo)的對比Tab.4 Compressibility Parameters and Evaluation Index of Different Samples

2.5 重金屬含量

試驗所得的加煤底灰、不加煤底灰和原生污泥的各項重金屬指標(biāo)如圖2所示。由圖2可知原生污泥的重金屬含量明顯高于加煤底灰和不加煤底灰，且相對于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)的三級標(biāo)準(zhǔn)，即能夠保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值，原生污泥的重金屬濃度除As外，Zn、Cd、Ni、Cr、Cu 均嚴(yán)重超標(biāo)，其中 Zn、Cd 超標(biāo)最為嚴(yán)重，超標(biāo)率分別為392.6%和300%，而Ni、Cr、Cu則分別超標(biāo)9%、62.7%和47.3%。

圖2 不同土樣中重金屬含量的對比Fig.2 Contrast of Heavy Metal Contents of Different Samples

由圖2可知底灰物質(zhì)中重金屬含量有所下降，這是由于原生污泥在燃燒過程中，底灰和煙氣間發(fā)生了重金屬的分配，部分重金屬轉(zhuǎn)移至煙氣中，但由于原生污泥重金屬本底值較高，故底灰類物質(zhì)中的重金屬含量普遍未達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)的要求。Zn、Cd、Cr、Cu均超標(biāo)，其中加煤底灰和不加煤底灰的Zn分別超標(biāo)270.2%和284.4%、Cd均超標(biāo)200%。Cr和Cu則較為接近標(biāo)準(zhǔn)值，其中加煤底灰Cr超標(biāo)8.33%，而Cu未超標(biāo)，不加煤底灰的Cr和Cu則分別超標(biāo)20.7%和9.5%。

此外，對比加煤底灰與不加煤底灰中重金屬含量可知，大部分重金屬含量均為不加煤底灰＞加煤底灰。根據(jù)Wang等［12］的研究可知，這是由于煤炭和污泥共燃燒過程更傾向于生成Ca-Fe-Al-Si或Ca-Fe-P-Al-Si組分的煙氣顆粒物，這種顆粒物粒徑通常大于10 μm，而且表面具有一定的黏性。因此相比不加煤污泥的燃燒，加煤燃燒產(chǎn)生的顆粒物能夠捕獲更多重金屬離子，使得重金屬離子由底灰向煙氣中轉(zhuǎn)移，因此，殘留在加煤底灰中的重金屬含量會較不加煤底灰中的含量低。

2.6 重金屬浸出量

由于在資源化利用中，主要考慮底灰中重金屬是否會轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，因此在實際應(yīng)用中底灰中重金屬浸出量更能表征底灰對環(huán)境的影響。試驗所得的各個不同土樣的重金屬浸出量的結(jié)果如圖3所示。根據(jù)《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)方法測定的各試樣重金屬浸出濃度均小于鑒別標(biāo)準(zhǔn)值(如表5)。因此僅就重金屬浸出毒性來講，不加煤底灰、加煤底灰、原生污泥均不屬于危險廢物。

圖3 不同土樣的重金屬浸出量對比Fig.3 Contrast of Heavy Metal Leaching Amounts of Different Samples

表5 重金屬毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值Tab.5 Standard Values of Identifying Heavy Metal Toxicity

此外，與原生污泥重金屬浸出量相比，底灰中重金屬浸出濃度明顯降低。這是由于原生污泥中重金屬含量本身就較底灰中的高。另一方面是由于重金屬在原生污泥和底灰中的賦存形態(tài)不同，原生污泥中重金屬多以有機物螯合、吸附等方式存在，分子間力較弱，容易浸提;而底灰中重金屬則因為高溫下固體發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使重金屬與礦物融合，從而多以與礦物共存的方式存在，在這種情況下，部分重金屬被包裹在固體結(jié)構(gòu)中，難以溶出從而導(dǎo)致重金屬浸出量減少。

3 底灰再利用途徑探索

對于污泥焚燒底灰的再利用途徑傳統(tǒng)的方法主要是用作建材，如制磚［13］、作為水泥原料和路基等［14］。近年來，亦有報道利用垃圾焚燒底灰捕集酸性氣體，如Eva Rendek等［15］利用垃圾焚燒底灰作為填料吸收CO2氣體，吸收量可達(dá)到12.5 L/kg(干基底灰)，且達(dá)到吸附平衡后，底灰 pH可由11.8 降至8.2，Pb、Cr、Cd 的浸出濃度明顯降低。因此，本研究中根據(jù)對污泥焚燒底灰的理化性質(zhì)的研究結(jié)果，分析其用作路基土以及CO2捕集材料的可行性。

根據(jù)污泥焚燒底灰的理化性質(zhì)及《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD 30—2004)中對于路基土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知:(1)加煤底灰粒徑大于2 mm的顆粒比率為36.5%，而不加煤底灰的為25%，屬于砂土中的礫砂，為理想的路基材料;(2)不加煤底灰的滲透性較好，達(dá)到2.7×10－5cm/s，十分適用于冰凍地區(qū)的路基和浸水部分的路堤等，加煤底灰的滲透性雖差，排水性能不好，但亦可用于干旱地區(qū)的路基及路堤等;(3)不加煤底灰及加煤底灰的凝聚力及內(nèi)摩擦角均較大，允許坡度分別達(dá)到了 29.7°和 27.12°，遠(yuǎn)大于泥土的允許坡度，符合標(biāo)準(zhǔn)中最大邊坡傾角的要求。因此，加煤和不加煤底灰理論上可以用作路床土和邊坡等路基材料。然而，對于確定底灰適用的具體路基類型，則需對污泥焚燒底灰進(jìn)行進(jìn)一步的填料最小強度CBR的測試。

污泥焚燒底灰與垃圾焚燒底灰具有類似的性質(zhì)，如呈堿性，pH接近11，有利于CO2等酸性氣體的吸收;結(jié)構(gòu)疏松，具備多孔性，有助于CO2的吸收轉(zhuǎn)化。因此，利用污泥焚燒底灰吸收CO2等酸性氣體可能與利用垃圾焚燒底灰具有類似結(jié)果。而且與垃圾焚燒底灰相比，污泥焚燒底灰的重金屬含量較少，這使得經(jīng)過吸收CO2后，污泥底灰重金屬的浸出性可能會更低，從而有利于擴大污泥焚燒底灰的利用范圍，達(dá)到以廢治廢的目的。

4 結(jié)論

(1)兩種不同的污泥焚燒底灰從顆粒粒徑分布上看，屬于砂土中的礫砂，從壓縮固結(jié)性質(zhì)上來看，則近似于中壓縮土。與原生污泥相比可知，污泥經(jīng)焚燒后得到的底灰結(jié)構(gòu)變得疏松，壓縮性能則有所下降。

(2)加煤底灰和不加煤底灰的抗剪強度在50 kPa的垂直壓力下時，可分別達(dá) 80.03和76.23 kPa，相應(yīng)的施工允許坡度也分別高達(dá)29.17°和27.21°，相比于原生污泥，抗剪強度明顯增強。

(3)污泥焚燒底灰中的重金屬含量和浸出量均較原生污泥的有所降低，但由于原生污泥重金屬本底值較高，故底灰類物質(zhì)中的重金屬含量普遍未達(dá)到土壤環(huán)境質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中Zn、Cd、Cr、Cu均超標(biāo);而重金屬浸出量方面，各試樣重金屬浸出濃度均未超標(biāo)。

(4)根據(jù)污泥焚燒底灰的理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)加煤底灰和不加煤底灰理論上均可用作路基材料和CO2等酸性氣體的捕集，而不加煤底灰由于具有良好的滲透性，還可以用于填海造陸。

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