摘要：選取城市污泥和電鍍污泥，研究其成分、組成、熱特性以及不同重金屬在焚燒產(chǎn)物中的遷移規(guī)律。研究表明：城市污泥成分較接近粘土，熱值也較高，可替代黏土或燃料入水泥窯；低溫時(shí)污泥失重較大，高溫時(shí)失重趨于平緩；在焚燒灰渣中Zn和Ni屬于容易富集的元素；Cr也容易殘留在底灰中；Cu、As和Hg不易富集，易生成氣態(tài)產(chǎn)物揮發(fā)到煙氣中。
關(guān)鍵詞： 城市污泥 電鍍污泥 熱分析 重金屬
0 前言
污泥是污水處理過(guò)程的副產(chǎn)物,2005年全國(guó)廢水排放總量為524.5億t,若進(jìn)行完全處理將產(chǎn)生約2600萬(wàn)t的脫水污泥(按含水率80%計(jì),下同);隨著污水處理設(shè)施的普及,處理率的提高和處理程度的深化,污泥的產(chǎn)生量以每年約10%的速度增長(zhǎng)。為了更合理地進(jìn)行污泥無(wú)害化處置和資源化利用,必須對(duì)污泥進(jìn)行特性分析，從而為污泥再利用奠定充分的理論基礎(chǔ)。
1.原材料來(lái)源及實(shí)驗(yàn)方法
本文選取的城市污泥來(lái)源于北京某污水處理廠，所取的電鍍污泥來(lái)自于本市汽車制造及電子器件等行業(yè)。
本文采用工業(yè)分析、元素分析、XRD分析和熱失重分析，對(duì)這兩類污泥特性進(jìn)行了研究。另外還對(duì)污泥在不同焚燒溫度下焚燒底灰中重金屬的殘留特性進(jìn)行了分析研究，實(shí)驗(yàn)方法是將污泥樣品充分脫水，再將其碾碎，經(jīng)80目篩子(孔徑0.198mm )篩分，放入箱式電阻爐加熱，試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為500℃、700℃、和900℃，分別灼燒1小時(shí)。
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 污泥的工業(yè)分析
污泥的工業(yè)分析包括水分、灰分、揮發(fā)份、固定碳、彈筒發(fā)熱量、全硫和氫含量等，分析結(jié)果如表1所示（其中原泥水分指收到基樣品所含的水分，其余均為空氣干燥基樣品的分析結(jié)果）。
從表1可以看出，城市污泥中的水分含量比電鍍污泥高很多，從水分和其它物質(zhì)的結(jié)合狀況來(lái)看，可以把污泥中的水大致分為自由水和吸附水組成的物理水，以及分子間和大分子鏈上的化合水。由于城市污泥中大量的有機(jī)物及其腐殖質(zhì)的存在，對(duì)于污泥中水分的影響是十分顯著的，這主要是由城市污泥的來(lái)源所決定的。城市污泥的發(fā)熱量比電鍍污泥高很多，這可能是因?yàn)槌鞘形勰嘀杏袡C(jī)質(zhì)的含量比電鍍污泥多，這點(diǎn)從城市污泥的揮發(fā)份比較高也能看出來(lái)。
由于城市污泥中含有的熱值比較多，在水泥窯中處置時(shí)可以替代部分燃料。同時(shí)利用水泥窯處置城市污泥時(shí)，還要考慮其熱值對(duì)煤灰摻入量的影響。由此可見(jiàn)，用水泥窯系統(tǒng)處理城市污泥既使污水處理產(chǎn)生的污泥得到充分利用，還可以利用其中所含的熱值減少水泥中煤的消耗量，達(dá)到節(jié)能和無(wú)害化的目的。
2.2 污泥的化學(xué)組成
污泥樣品的化學(xué)組成十分復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)采用荷蘭PANalytical公司Magix（PW2403）X射線熒光光譜儀對(duì)污泥進(jìn)行化學(xué)組成分析，所測(cè)樣品均為空氣干燥基樣品，測(cè)試結(jié)果示于表2—表5。
由表2—表5可以看出，污泥的類型不同，其化學(xué)成分的差別很大。如城市污泥樣品主要含有SiO2、P2O5、Al2O3、Fe2O3和CaO；電鍍污泥1號(hào)樣品主要含有CuO、SO3和CaO。即使是同一種類型的污泥其化學(xué)組成也可能會(huì)有很大的區(qū)別。如表4中的電鍍污泥2號(hào)和表5中的電鍍污泥3號(hào)。電鍍污泥2號(hào)樣品主要含有SO3和CaO，而電鍍污泥3號(hào)樣品中大部分都是CuO，這兩種污泥樣品雖然來(lái)源于同一電子公司，但由于產(chǎn)生于同一工藝的不同處理階段或者是來(lái)自于不同的處理工藝，所以化學(xué)組成差別很大。從城市污泥化學(xué)成分的分析可知，城市污泥的成分和粘土比較相近，所以可以考慮替代水泥生產(chǎn)的硅質(zhì)原料。
2.3 污泥的礦物組成
本實(shí)驗(yàn)采用X射線衍射分析方法對(duì)污泥空氣干燥基樣品的礦物組成進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1—圖4所示。
由圖1— 圖4可以看出，大部分的污泥中都含有一些碳酸鹽，硫酸鹽或者復(fù)式鹽，如：SiO2、CaSO4·2H2O和Na2Ca(CO3)2等。城市污泥相對(duì)于其他幾個(gè)泥樣成分要復(fù)雜的多，可能主要是因?yàn)槌鞘形鬯旧沓煞州^復(fù)雜所致。
2.4 污泥的熱分析
本實(shí)驗(yàn)采用熱分析方法中的熱重法(TG)和差熱分析法(DSC)兩種方法進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)所用的樣品為空氣干燥基樣品。污泥樣品的熱分析結(jié)果見(jiàn)圖5至圖8所示：
由圖5可以看出，從150℃到300℃左右，是城市污泥的第一個(gè)質(zhì)量損失階段，峰值出現(xiàn)在103.4℃，質(zhì)量損失大概為試樣總重量的20%左右，吸收的熱量為427.6J/g；從325℃到430℃左右，是污泥的第二個(gè)失重階段，質(zhì)量損失大概也是試樣總重量的15%，吸收的熱量為30.3J/g；第三個(gè)失重階段是在660℃到800℃之間，此階段的失重較少，大概只有8%左右。
前兩個(gè)失重階段出現(xiàn)在低溫區(qū)，說(shuō)明這兩個(gè)階段是揮發(fā)分的析出區(qū)，揮發(fā)分析出區(qū)集中在較低溫度區(qū)的主要原因是因?yàn)槲勰嘀杏袡C(jī)物含量較高，各成份的化學(xué)鍵比較弱，強(qiáng)弱差別也不大，因此溫度達(dá)到一定水平，就開(kāi)始大量析出。存在兩個(gè)顯著的揮發(fā)分析出區(qū)，表明揮發(fā)分中存在兩類化學(xué)鍵能相接近的成分[1]。城市污泥103.4℃出現(xiàn)了一個(gè)很強(qiáng)的吸熱峰，吸收的熱量為427.6J/g，這可能是城市污泥中的水分和極易揮發(fā)的有機(jī)質(zhì)吸熱揮發(fā)造成的；第三個(gè)失重區(qū)出現(xiàn)在溫度較高的階段，而且失重率小，說(shuō)明第三個(gè)階段是固定碳的燃燒階段。因?yàn)楣潭ㄌ嫉娜紵郎囟容^高，而且含量較少，所以對(duì)應(yīng)的失重率小，而且失重溫度高。
由圖6可以看出,從100℃到380℃，是電鍍污泥1號(hào)樣品的第一個(gè)質(zhì)量損失峰，質(zhì)量損失大概是18.34%；從400℃到720℃，是第二個(gè)質(zhì)量損失峰，損失比較少，為3.69%；從840℃到1000℃度是第三個(gè)損失峰，損失了2.13%左右。
在低溫處有兩個(gè)吸熱峰，考慮可能是樣品中殘留的水分蒸發(fā)和電鍍污泥中含有的氫氧化銅分解造成的，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在94.1℃和130℃左右。
由圖7可以看出,在電鍍污泥2號(hào)的熱分析圖中，從100℃到150℃，是第一個(gè)失重階段，失重13%左右，考慮可能是水分的蒸發(fā)和一些鹽類所含的結(jié)晶水失去造成的；對(duì)應(yīng)著在低溫區(qū)82.9℃、148℃出現(xiàn)了兩個(gè)吸熱峰；從600℃到820℃，是第二個(gè)失重階段，失重10.34%左右；從900℃到950℃是失重第三個(gè)階段，失重比較少，為7.54%，結(jié)合污泥焚燒灰的衍射分析考慮可能是某些復(fù)雜的鐵鹽發(fā)生了分解。
由圖8可以看出,電鍍污泥3號(hào)樣品第一個(gè)失重峰是100℃到200℃，質(zhì)量損失9.31%，可能是水分的損失造成的，相應(yīng)的在95.6℃出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰，吸收的熱量是61.21J/g；從200℃到700℃，是第二個(gè)損失峰，質(zhì)量損失35%，可能是些復(fù)雜的含銅、含鐵的鹽類等發(fā)生了分解，分解成氧化銅、銅、氧化鐵等氧化物，還也一些難分解的硫酸鹽如：硫酸鈣也發(fā)生了分解,相應(yīng)的在273.2℃，698.4℃出現(xiàn)了兩個(gè)吸熱峰，吸收的熱量分別是39.23 J/g，9.449 J/g。
2.5 重金屬在污泥焚燒過(guò)程中的遷移規(guī)律
本實(shí)驗(yàn)采用原子發(fā)射光譜法對(duì)污泥中的重金屬含量進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)方法為取樣品0.5克左右，加少許1：1的鹽酸潤(rùn)濕，再加10ml王水，加熱熔解約1h ，蒸發(fā)至溶液1ml 左右，取下加水浸取，過(guò)濾，定容至50ml容量瓶中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9-圖12所示：
焚燒灰（不同溫度下焚燒后的殘?jiān)┲兄亟饘俚暮恐饕軆煞矫嬗绊懀阂环矫骐S著水分的析出和揮發(fā)分的燃燼使得底灰中重金屬的含量升高；另一方面重金屬在高溫下的揮發(fā)和隨飛灰飛出又會(huì)使底灰中重金屬的含量降低。最終底灰中重金屬的含量取決于這兩方面的競(jìng)爭(zhēng)。下面對(duì)各種重金屬在不同污泥焚燒過(guò)程中的遷移規(guī)律進(jìn)行闡述。
（1）Cr
Cr在城市污泥焚燒灰中先增加后減少，在三種電鍍污泥中含量一直增加，這可能是因?yàn)镃r容易與空氣或者污泥樣品中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)雜的鉻化物殘留在灰渣中；
（2）Ni
Ni在電鍍污泥1號(hào)焚燒灰中含量一直增加，在電鍍污泥3號(hào)焚燒灰中先減少后增加，而在另外兩個(gè)樣品焚燒灰中含量先增加后減少，但總體來(lái)講將900℃時(shí)Ni的含量都比相應(yīng)的原泥含量高，這說(shuō)明Ni是不易揮發(fā)性重金屬，Ni全部都?xì)埩粼诨以小?
（3）Pb
Pb在城市污泥和電鍍污泥1號(hào)焚燒灰中含量先增加后減少，在電鍍污泥1號(hào)中含量變化更為明顯，在電鍍污泥2號(hào)和電鍍污泥3號(hào)兩種樣品焚燒灰中含量有很小程度的增加。
（4）Zn
Zn在城市污泥和電鍍污泥3號(hào)焚燒灰中含量先增加后減少，在電鍍污泥3#焚燒灰中的升幅較大降幅較小，而在其他兩種樣品中含量均一直增加，雖然含量有所增加，但是只在電鍍污泥1號(hào)中增幅并不明顯，這說(shuō)明在大部分污泥樣品中Zn比較容易在700℃以下富集，而在電鍍污泥2號(hào)中900℃Zn含量仍然增加很多，這說(shuō)明Zn的含量變化不僅與溫度有關(guān)還與Zn的存在形式有關(guān)；
（5）Cd
Cd只在城市污泥原泥、500℃和700℃焚燒灰樣品中能夠檢測(cè)到，而在900℃的焚燒灰中卻沒(méi)有檢測(cè)到，這可能是因?yàn)镃d屬于半揮發(fā)性元素，在高溫時(shí)更容易和污泥樣品中的某些元素如Cl、S等發(fā)生反應(yīng)生成新的物質(zhì)，反而更容易殘留在灰渣中[2]
（6）Cu、As、Co、Hg
Cu在四種污泥樣品焚燒灰中含量一直在減少；As只在城市污泥原泥和500℃中能夠檢測(cè)到，Co在電鍍污泥2號(hào)樣品中沒(méi)有檢測(cè)到，在其他三種樣品中含量也比較低；Hg只在城市污泥原泥、500℃焚燒灰和電鍍污泥3號(hào)樣品原泥中能檢測(cè)到，含量分別是6.81mg/g，1.23mg/g和0.04mg/g，這說(shuō)明Hg更容易揮發(fā)。
總體來(lái)講，在灰渣中Zn和Ni屬于容易富集的元素；Cr也容易殘留在底灰中。Cu、As和Hg不易富集，易生成氣態(tài)產(chǎn)物揮發(fā)到煙氣中。
3 結(jié)論
?。?）通過(guò)從化學(xué)組成、礦物組成和熱分析等角度分別對(duì)各種污泥原泥進(jìn)行分析，結(jié)果表明城市污泥與生產(chǎn)水泥所用的粘土質(zhì)原料十分接近，并且城市污泥中也有一定含量的熱值，初步認(rèn)為利用水泥窯系統(tǒng)無(wú)害化處置城市污泥方案是可行的。
?。?）本文所研究的三種電鍍污泥中，電鍍污泥1號(hào)和電鍍污泥3號(hào)的銅含量均比較高，因此可以考慮對(duì)其中的銅進(jìn)行回收，再利用水泥窯系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處置或者作為原料制成水泥制品。
?。?）電鍍污泥2號(hào)樣品中含有大量的SO3，若用水泥窯處理有可能會(huì)導(dǎo)致水泥窯結(jié)皮堵塞，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致水泥性能的不穩(wěn)定，因此電鍍污泥2號(hào)樣品不適宜用水泥窯系統(tǒng)進(jìn)行處置，即使入窯處置入窯量也受到了很大的限制。因其礦物組成為CaSO4·2H2O，可以考慮替代生產(chǎn)水泥的緩凝劑。
參考文獻(xiàn)：
[1]王霜. 城市污水污泥的熱解特性與低溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)研究.昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004,12
[2]劉剛，蔣旭光等. 危險(xiǎn)廢物電鍍污泥熱處置特性研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005,l0(l0):1356-1360
