含鎳污泥的處理技術(shù)研究

周盛兵　蘆　昱

（1.金湖縣環(huán)境監(jiān)測站，江蘇　淮安　211600；2.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇　南京　210093）

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含鎳污泥的處理技術(shù)研究

周盛兵1蘆昱2

（1.金湖縣環(huán)境監(jiān)測站，江蘇淮安211600；2.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京210093）

摘要：本文介紹了目前主要的含鎳污泥處理處置方法，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：含鎳污泥；處理技術(shù)；固化；回收

1　含鎳污泥簡介

1.1含鎳污泥來源

含鎳污泥主要來自于金屬冶煉、電鍍和化工生產(chǎn)等過程。電鍍、皮革行業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量含有Cu、Ni、Cr等重金屬元素的污泥，若不妥善處置，將會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至危及人類生命安全。

1.2含鎳污泥性質(zhì)

一般來說，電鍍、化工生產(chǎn)過程產(chǎn)生的含鎳污泥中的鎳，以水化物的形式存在，鎳污泥中鎳含量一般在10%左右［1］。另外，還含有鐵、銅、鋅等其他重金屬。含鎳污泥通常具有易積累、不穩(wěn)定、易溶出等特點(diǎn)。由于含鎳廢水通常不僅僅只含有鎳離子，還含有其他的金屬離子，組分復(fù)雜，在中和沉淀過程中加入的次氯酸鈉、硫化鈉、硫酸亞鐵或石灰等化學(xué)藥劑，進(jìn)一步增加了含鎳污泥的組分復(fù)雜性。

1.3含鎳污泥危害

含鎳污泥是一種不穩(wěn)定的危險(xiǎn)廢物，如果不對其進(jìn)行處理、隨意堆放，將對土壤和地下水造成嚴(yán)重污染［2，3］，進(jìn)而對人體和環(huán)境造成損害，其直接后果是污泥中的鎳及其他重金屬在雨水淋溶作用下進(jìn)入地表水、土壤、地下水，并通過生物鏈富集作用對人類的健康產(chǎn)生危害，可能引起皮膚炎癥、神經(jīng)衰弱和系統(tǒng)紊亂，而且鎳是一種致癌物質(zhì)，可以導(dǎo)致肺癌［4，5］。此外，過量的鎳對植物也會(huì)造成危害，典型的就是鎳會(huì)導(dǎo)致植物葉片壞死［6，7］。

2　含鎳污泥的處理

目前含鎳污泥的處置措施主要包括污泥中重金屬的分離回收和固化/穩(wěn)定化（Solidification/Stabilization）處理［8］。

2.1分離回收

含鎳污泥為一種廉價(jià)的二次資源［9，10］，其中某些污泥中的鎳含量甚至高于礦石中鎳的品位。我國作為一個(gè)“貧鎳”國家，人均鎳資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，而對鎳資源的需求與日俱增。因此，回收含鎳污泥中的鎳具有十分重大的意義。

從污泥中回收鎳，通常要先對污泥中的鎳進(jìn)行浸出，將污泥中的鎳浸出后，采用不同的方法將浸出液中的鎳進(jìn)行分離和提純，以下分別介紹各種方法。

2.1.1溶劑萃取法。溶劑萃取法通過加入有機(jī)萃取劑或含有萃取劑的有機(jī)溶劑，經(jīng)過傳質(zhì)過程，浸出液中某些重金屬進(jìn)入萃取劑中，從而實(shí)現(xiàn)鎳離子與回收液分離。通過控制萃取劑的種類和萃取條件等，可以實(shí)現(xiàn)不同金屬離子在水相和有機(jī)相中不同的分配比例，繼而實(shí)現(xiàn)重金屬的分離與提純。20世紀(jì)70年代，瑞典科學(xué)家提出了H-MAR與Am-MAR“浸出-溶劑萃取”工藝，使浸出液中Cu、Zn、Ni的回收率均達(dá)70%。20世紀(jì)90年代，美國科學(xué)家通過改進(jìn)，使Cu、Ni的回收率提高到90%以上［11，12］。溶劑萃取法能夠達(dá)到較高的回收率，而且不產(chǎn)生二次污染物，但是對操作過程和設(shè)備的要求較高，工藝過程有待優(yōu)化，成本也較高。而且由于污泥成分復(fù)雜，浸出液中的一些有機(jī)物會(huì)造成萃取劑乳化現(xiàn)象，對萃取過程會(huì)產(chǎn)生一定影響，從而影響萃取效率。

2.1.2濕法加壓氫還原法。濕法加壓氫還原法是一種回收金屬單質(zhì)的方法。該方法是直接用氫氣從浸出液中還原出金屬單質(zhì)，通過控制反應(yīng)條件，便能選擇性地獲得不同的金屬單質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)金屬的回收。程潔紅［13］等人通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH在5.4～5.6，溫度為160℃，氫分壓為2MPa時(shí)，用氫氣氫還原銅和鎳離子能夠達(dá)到最佳回收率，分別為71%和64%。

濕法加壓氫還原法雖然能得到產(chǎn)值較高的金屬單質(zhì)產(chǎn)品，但是回收率較低，而且對反應(yīng)條件要求較高，運(yùn)行費(fèi)用較高。

2.1.3電解法。電解法是在外加電源的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)重金屬的還原，將金屬離子還原為金屬單質(zhì)，并在陰極析出。李盼盼［14］等人用多孔鈦涂釕銥作為陽極，不銹鋼作為陰極，硼酸為緩沖劑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電壓越大，pH越高，硼酸的量越多，鎳的回收率越高。

電解法是金屬冶煉常用的方法，但是由于含鎳污泥浸出液中的Ni2+/N氧化還原電位較氫低，易受其他雜質(zhì)的影響，因此電流效率較低且能耗較高。

2.1.4離子交換法。離子交換法是廢水處理中利用離子交換劑去除水中有害物質(zhì)的一種方法，常用的離子交換劑有沸石、分子篩、離子交換樹脂等。通過控制交換劑的種類和反應(yīng)條件，可以定向吸附目標(biāo)離子，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的分離和提純。鄭宏［15］等人提出了一種新型的離子交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)以南京大學(xué)開發(fā)的SI系列離子交換樹脂為交換劑，用于富集和分離廢水中的重金屬離子。廢水經(jīng)該系統(tǒng)處理后，可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，還可實(shí)現(xiàn)Cu、Zn、Ni的回收，回收產(chǎn)品的純度達(dá)99.9%。

但是，由于樹脂的價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用較高，而且產(chǎn)生的濃縮液需要進(jìn)一步處理，因此在工業(yè)上限制了其廣泛應(yīng)用。

2.1.5膜分離法。一般采用液膜來分離提取污泥浸出液中的Cu、Ni等重金屬離子。使用液膜進(jìn)行分離時(shí)，污泥浸出液中的重金屬離子通過在膜外與流動(dòng)載體選擇性絡(luò)合，向膜內(nèi)擴(kuò)散和在膜內(nèi)解絡(luò)3個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)從膜外到膜內(nèi)的富集，從而使重金屬得到回收。

膜分離法具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，裝置簡單，占地面積小，易于操作和控制。但是，由于液膜壽命短，穩(wěn)定性低，易產(chǎn)生二次污染，而且投資大運(yùn)行管理費(fèi)用高，目前難以推廣應(yīng)用。

2.1.6化學(xué)沉淀法。化學(xué)沉淀法是目前實(shí)際應(yīng)用中最廣泛的分離提純工藝，主要分為氫氧化物沉淀法、碳酸鹽沉淀法、硫化物沉淀法和金屬置換沉淀法。化學(xué)沉淀法具有工藝簡單、易于操作、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2固化/穩(wěn)定化

固化/穩(wěn)定化過程，雖不能回收利用污泥中的鎳資源，但可以使含鎳污泥無害化的目的，包括水泥固化［16］、熱塑性固化、熔融固化等。具體指采用適當(dāng)?shù)墓袒瘎?，如水泥、瀝青、水玻璃等，將污泥中的有害物質(zhì)固定在固化體中大幅度降低污泥中的重金屬的浸出量，從而解除污染。熱處理［17］也可以達(dá)到穩(wěn)定化的目的，包括焚燒法、低溫?zé)峤夂筒ＡЩ确绞?，通過熱處理過程，可以使污泥中的有毒有害成分的毒性降低，并且還可以大幅度降低污泥體積，實(shí)現(xiàn)減量化、無害化的目的。

2.2.1焚燒法。新興的電鍍污泥焚燒技術(shù)具有大幅度減容和回收其中有機(jī)質(zhì)的突出優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為污泥處置的主要手段。有報(bào)道指出，將污泥中的重金屬經(jīng)熱處理后轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定的礦相結(jié)構(gòu)[如尖晶石（Mg、Cu、Ni、Pb）（Fe、Cr、Al）O4]，不僅能達(dá)到將重金屬固化/穩(wěn)定化目的目的，還能大幅度減容和回收污泥中有機(jī)質(zhì)中的能量。該方法克服了重金屬污泥焚燒后底灰中易浸出重金屬的缺點(diǎn)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

Kaimin通過加入富鋁材料（高嶺土、莫來石）或赤鐵礦完成了對模擬含銅污泥、含鎳污泥和含鉛污泥的固化/穩(wěn)定化，浸出試驗(yàn)結(jié)果表明，通過將重金屬轉(zhuǎn)移到穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)中能安全有效地固化重金屬元素［18］。采用該方法對于多種性質(zhì)相近的重金屬元素（如Cu、Ni）同樣能夠起到較好的固化效果［19］，甚至對無機(jī)元素（如F）也能起到固定作用［20］。

2.2.2固化劑法。到目前為止，大多數(shù)研究是通過加入富鋁材料［21，22］（高嶺土、莫來石）或高純度的氧化鋁與重金屬元素合成尖晶石結(jié)構(gòu)完成固化，由于加入的固化介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性問題，一定程度上限制了礦化晶格固定法這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。因此，尋找廉價(jià)的替代材料或固體廢棄物成為推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

粉煤灰作為大宗工業(yè)固體廢棄物，其每年的產(chǎn)生量非常巨大，在我國每年的粉煤灰產(chǎn)生量大約有0.8億～1.0億t［23］，粉煤灰作為一種與高嶺土性質(zhì)相似的富鋁材料，同樣具有作為固化介質(zhì)的潛力，若能將粉煤灰用于重金屬污泥的固化，不僅拓寬了粉煤灰的應(yīng)用途徑，更重要的是能夠降低重金屬污泥的處置成本，提高該項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

富鐵材料同樣可以與重金屬元素（如Cu、Ni、Zn等）合成尖晶石，因此工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鐵污泥（鋼鐵廠酸洗過程中產(chǎn)生的大量含鐵污泥）也具有作為固化介質(zhì)的潛力。此外，F(xiàn)enton試劑法處理廢水時(shí)產(chǎn)生的含鐵污泥含鐵量高達(dá)50%，傳統(tǒng)的處置措施燒制磚瓦不能夠有效地利用其中的鐵資源，而利用Fenton試劑法產(chǎn)生的含鐵污泥作為固化介質(zhì)，不僅能夠達(dá)到固化重金屬污泥的目的，還能夠大量消耗含鐵污泥，為解決Fenton試劑法含鐵污泥難處理的問題提供一條新的途徑［23-26］。除多數(shù)研究中的尖晶石結(jié)構(gòu)之外，一些研究中發(fā)現(xiàn)某些重金屬元素的其他結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定如鉛長石。因此，根據(jù)污泥中重金屬的種類尋找相應(yīng)的簡單、易合成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義。

3　結(jié)語

含鎳污泥的處置與利用，應(yīng)當(dāng)兼顧到環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)遵循穩(wěn)定化、無害化、減量化和資源化的原則，通過資源化解決日益增多的污泥數(shù)量和有限的可供填埋的空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)和實(shí)踐水平的發(fā)展，新的污泥處理技術(shù)也漸漸地投入實(shí)際應(yīng)用，但仍然處于摸索階段，需要進(jìn)一步深入研究。

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中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）02-0137-03

收稿日期：2016-01-28

作者簡介：周盛兵（1972-），男，工程師，研究方向：環(huán)境保護(hù)、自然生態(tài)建設(shè)、污染防治以及環(huán)境監(jiān)測。

Research on Nickel Sludge Treatment Technology

Zhou ChengbingLu Yu
（1.Jinhu County Environmental Monitoring Station，Huai′an Jiangsu 211600；2.Nanjing Uiversity Environment Planning and Design Institute Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu 210093）

Abstract:The purpose of this paper is to introduce the main nickel sludge disposal method,and analyze their advantages and disadvantages and application.

Keywords:nickel containing sludge；treatment technology；solidification；recovery