污泥焚烧中重金属离子迁移规律研究
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摘要：城市污水经过污水处理厂处理后，必然要产生大量的污泥。为避免城市污水污泥产生二次污染，必须对其进行妥善处理与处置。文章简单介绍了城市污水污泥的性质及组成，介绍了污泥中重金属的形态，着重介绍了对污泥进行焚烧处置方法前后重金属的变迁情况以及影响重金属变迁的一些因素。
关键词：城市污泥；重金属；焚烧；迁移
文章编号：1008-0546（2013）06-0095-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
一、前言
随着城市化进程的不断推进，城市污水处理厂的污泥处理任务也愈益加重。目前污泥处理与处置主要有三种方法，即农业利用、填埋以及焚烧[4-6]。由于污泥中含有丰富的营养元素，能改良土壤结构，增加土壤肥力，因此，农业利用方法很早就被人们所采用。但由于污泥中同时含有大量病原菌、寄生虫卵以及重金属和难降解的有机化合物，在利用时必须采取相应的措施以减少可能存在的危害[1-2]。污泥填埋操作简单且成本低，但需要大面积的场地，同时污泥中有毒有害物质会渗透到附近土壤及河流中。采用焚烧法处理污泥可以大大减小污泥的体积和质量，还具有处理速度快，焚烧过程中可回收能量及处理对象多样性等优点[3]。因而越来越受到人们的关注。近年来，在欧洲国家中采用焚烧法处理污泥的比例逐年增加，到2005年已占总污泥处理方法的40%[4]。
虽然污泥焚烧具有许多优点，但由于焚烧的设备复杂，资金投入大，同时，污泥中富集的多种重金属在焚烧过程中一方面被固定在残渣中，另一方面随着飞灰扩散到大气中[5]。因此，污泥焚烧过程中重金属的迁移规律成为环境研究学者的“热点”研究课题 [6-8]。
二、污泥的组成及其性质
1. 焚烧温度对污泥中重金属迁移的影响
污泥焚烧灰渣和飞灰中重金属的含量一方面取决于污泥燃烬程度和重金属的挥发程度。燃烬程度越高，灰渣中重金属的含量越高；重金属自身熔点、沸点低，则越易挥发，底灰中重金属的含量越低。污泥焚烧后，对于熔沸点比较高的重金属元素如Zn、Cu、Cr主要残留在灰渣中，Pb、Cd、Ni则部分残留在灰渣中；而对于熔沸点较低的重金属元素如As、Hg等由于则大量富集在飞灰中，对大气造成的危害也最重[9]。另外，随着焚烧温度的升高，重金属在飞灰中的含量都随之增加，易挥发重金属含量更加显著。
另一方面，温度对重金属在灰渣和飞灰中的分布也取决于重金属在污泥中的存在形态。污泥中的重金属主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐、不可溶盐或有机络合物的形式存在，其次为硫化物，很少以自由离子的形式存在[6]。如果污泥中Cr和Pb主要以硫酸盐存在，在加热过程中硫酸盐首先会发生分解生成氧化物。当焚烧过程中处于还原性气氛时，这些氧化物便会被还原生成易挥发的次氧化物。然而，在污泥焚烧时，重金属元素的氯化物和硫化物首先开始气化，接着氧化物才开始气化。所以，Pb的挥发性就要大于Cr 的挥发性[11]。
2. 添加剂对污泥中重金属迁移的影响
在污泥焚烧过程中加入添加剂能够有效降低烟气中重金属的含量，其作用机理主要是在金属蒸气还未结核前，添加剂便与重金属离子发生反应或吸附，从而降低飞灰中重金属的含量[12，13]。
3. 焚烧气氛对污泥中重金属迁移的影响
重金属在燃烧过程中的挥发性跟焚烧气氛有关，当焚烧炉内为氧化性气氛时，重金属容易生成氧化物。而金属氧化物的熔沸点一般情况下都较高，不容易挥发，重金属大部分集中在焚烧灰渣中；当焚烧过程处于还原气氛时，大多数重金属容易生成单质和次氧化物等化合物，因此，比较容易挥发，焚烧烟气中重金属含量显著增加。
硫元素对重金属的分布有一定的影响。有研究表明，污泥焚烧过程中，对于Zn、Cd、Ni等重金属元素，硫易与其发生反应生成更加稳定的硫酸盐或硫化物，从而抑制了重金属的挥发。对于重金属Pb而言，其挥发程度随着硫元素的增加而变大。另外，重金属的分布规律还受到氯元素含量的影响，且它的影响比硫元素的影响大。在焚烧中，氯元素易与重金属元素形成易挥发的氯化物，从而促进重金属的挥发，如Cd和Pb等元素。而对于重金属Ni和Cr元素，因其不与氯元素形成氯化物而能富集在灰渣中[17]。
4. 焚烧时间对污泥中重金属迁移的影响
增加污泥的焚烧时间意味着污泥挥发分析出率和固定碳的燃烬率高。研究表明[9]，污泥焚烧后底灰中Cu、Cr、Zn和Ni的含量随停留时间的增长呈上升趋势，Pb呈下降趋势。Cd的变化趋势与污泥的含水率及焚烧温度有关，当污泥含水率为78.6%、焚烧温度为700℃时，其含量随停留时间的增长呈下降的趋势，当污泥含水率为69%、焚烧温度为600℃时，其含量随停留时间的增长呈增加的趋势。
5. 升温速率对污泥中重金属迁移规律的影响
李爱民[9]等在污泥焚烧底灰中重金属残留特性的实验研究中已经得出：升温速率对Cu的影响不大，Cu在底灰中的含量比较稳定；Cd 呈现下降的趋势，而且趋势较明显；而Cr、Cu、Pb和Ni在终温600℃与700℃升温速率的影响则区别很大，Pb在600℃随着升温速率的提高呈现下降的趋势，而在700℃则呈现相反的趋势；Cu、Cr和Ni虽然在600℃与700℃呈现的变化趋势相反，但它们的变化趋势与Pb恰好相反。就相对含量来说Zn含量随升温速率的变化也不大，变化趋势不明朗。
6. 污泥含水率对污泥中重金属迁移的影响
当污泥中含水率增加时，由于污泥中本身含有氯元素，因此，在焚烧时更易产生氯和氯化氢。这些物质会与焚烧产生的重金属氧化物反应生成重金属氯化物。因为氯化物比氧化物更易挥发，所以，致使重金属在灰渣中的含量降低，飞灰中重金属的含量增加。另一方面，由于水汽的大量存在，会使炉内的焚烧温度降低，产生的氯及氯化物与炉内重金属及其氧化物接触的时间更长，更易生成易挥发的重金属氯化物，这也是导致重金属在飞灰中含量增高的原因[18]。
四、结论
污泥中重金属的源头主要来自生活垃圾、工业生产等，因此，可以通过垃圾分类、清洁生产和产业优化来消减。此外，污泥可以通过水解手段去掉部分重金属。不同重金属受焚烧温度的影响较大，对于熔沸点较高的金属，受温度影响较小，而易挥发的金属，焚烧温度升高，其挥发程度显著增加。添加剂的加入可以抑制重金属的挥发，但不同金属挥发程度不一样。在氧化性气氛中，重金属易生成不易挥发的氧化物，而在还原性气氛中，因生成金属单质或次氧化物等化合物而变得易挥发。此外，焚烧时间、升温速率及污泥含水率对重金属在灰渣和飞灰中的分布也有较大的影响。
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