活性污泥焚烧过程中镍的迁移分布特性

方 平，唐子君，岑超平，梁阳明

（1. 中国科学院 广州地球化学研究所，广东 广州 510640；2. 环境保护部 华南环境科学研究所，广东 广州 510655）

活性污泥（以下简称污泥）的焚烧处理法具有减容率高、处理速度快、可杀死一切病原体、能源可再利用等优点，是最彻底的污泥处理方法之一［1］。但污泥焚烧会产生诸如重金属、二噁英、NOx、酸性气体等有害污染物，处理不当容易产生二次污染，对环境和人体健康造成严重威胁，其中重金属的污染尤其值得关注。国内外学者研究表明［2-7］，焚烧过程中重金属的迁移分布不仅受到焚烧条件（焚烧温度和焚烧停留时间）的影响，还与污泥的成分和含量有关。

本工作在管式炉中进行污泥焚烧，比较了向污泥中添加煤、硫化物、氯化物后焚烧时Ni的迁移分布特性的变化情况，以期为污泥焚烧烟气中重金属的控制提供参考数据。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

污泥取自广州市某污水处理厂，将污泥在自然条件下干燥7 d后，在20 ℃、相对湿度为60%的恒温箱中放置48 h备用。

NiSO4，HNO3，H2SO4，KMnO4，H2O2，S，Na2S，Na2SO3，Na2SO4，NaCl：分析纯；去离子水；聚氯乙烯（PVC）；无烟煤。

AA-7000型火焰原子吸收分光光度计：岛津公司；7700x 型电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）：Agilent公司；TB-214型分析天平：DENVER公司；DB-4A 型数显恒温电热板：金坛市美特仪器制造公司。

1.2 实验装置

管式炉污泥焚烧实验装置见图1。该装置主要包括配气系统、焚烧系统和烟气采样系统。污泥焚烧后烟气中的Ni主要以颗粒态和气态形式存在，颗粒态的Ni主要聚集在飞灰中，由玻璃纤维过滤器捕集，过滤器外装有保温装置，防止烟气冷凝；气态的Ni通过气体吸收瓶进行吸收，气体首先通过一个缓冲瓶后，进入两个分别装有10 mL HNO3溶液（质量分数为5%）和H2O2溶液（质量分数为10%）的体积比为1∶1的混合液吸收瓶，再通过一个缓冲瓶后，进入两个分别装有10 mL KMnO4溶液（质量分数为4%）和H2SO4（质量分数为10%）的体积比为1∶1的混合液吸收瓶，最后经过硅胶干燥瓶后排放。

图1 管式炉污泥焚烧实验装置

1.3 实验方法

由于实验所选污泥中Ni的含量较低，仅为5.6 mg/kg（以每千克污泥计），为了突出研究目标物Ni的迁移转化特性，同时考虑到分析的方便和准确，向污泥中添加一定量的NiSO4［8］。

将管式炉升温至850 ℃［9］，将装有5 g污泥（或掺入一定量煤、硫化物、氯化物的污泥）的石英舟推至管式炉中部恒温区焚烧8 min，然后将石英舟拉出。将炉渣和玻璃纤维过滤器捕集的飞灰经消解处理后定容成液体试样，同时将气体吸收瓶中的液体也定容成试样，用原子吸收分光光度计测定上述液体试样的吸光度，计算试样中Ni的质量浓度［10］。

残留率为炉渣中Ni质量与污泥中Ni质量的比；挥发率为飞灰与气体中Ni的总质量与污泥中Ni质量的比；污泥掺烧量为污泥质量与煤和污泥总质量的比；硫化物加入量分别为S、Na2S、Na2SO3和Na2SO4中S的质量与污泥质量的比；氯化物加入量分别为NaCl和PVC中Cl的质量与污泥质量的比。

1.4 分析方法

采用原子吸收分光光度计测定试样的吸光度，计算试样中Ni的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 Ni加入量对Ni的残留率和挥发率的影响

Ni加入量对Ni的残留率和挥发率的影响见图2。

图2 Ni加入量对Ni的残留率和挥发率的影响

由图2可见，随污泥中Ni加入量的增加，Ni的残留率和挥发率变化幅度不大，且烟气中的Ni均以颗粒物的形式存在于飞灰中，气相中没有检出。研究发现，污泥中Ni加入量的增加虽然没有使Ni的挥发率提高，但增加了烟气中Ni的总质量，因而增加了污泥焚烧后飞灰的处理难度。综合考虑，本实验适宜的Ni加入量为200 mg/kg。

2.2 污泥掺烧量对Ni的残留率和挥发率的影响

在污泥中Ni加入量为200 mg/kg的条件下，污泥掺烧量对Ni的残留率和挥发率的影响见图3。由图3可见：随污泥掺烧量的增加，Ni的挥发率缓慢上升，但均小于10%； Ni的残留率变化不大。虽然增加污泥掺烧量会导致Ni在烟气中的总量增加，但由于Ni的挥发率很低，且Ni均以易控制的颗粒物形式存在，因此，提高污泥掺烧量并不会加大Ni的控制难度；相反，根据污泥与煤的热重实验研究，污泥的着火点低于煤的着火点，提高污泥的掺烧量在一定程度上有利于污泥与煤混合物的燃烧［11］。研究发现，当污泥掺烧量小于25%时，Ni的挥发率几乎为零，结合前期研究结果即当污泥掺烧量为25%时污泥与煤混合试样的综合燃烧效果最好［11］，得出当实际应用工业锅炉焚烧处置污泥时，最佳污泥掺烧量为25%。

图3 污泥掺烧量对Ni的残留率和挥发率的影响

2.3 硫化物种类和加入量对Ni的残留率和挥发率的影响

在污泥中Ni加入量为200 mg/kg的条件下，硫化物种类和加入量对Ni的残留率和挥发率的影响见图4。未加入硫化物时，Ni的残留率为89.82%，Ni的挥发率为4.14%，由图4可见：当加入S、Na2SO3或Na2SO4时，Ni的残留率比未加入硫化物时均有所下降，挥发率均有所提高；当加入Na2S时，Ni的残留率比未加入硫化物时有所提高；当Na2S加入量为1.0%时，Ni的挥发率为3.16%，残留率为91.00%。各种硫化物对Ni的残留率提高能力大小顺序为Na2S＞S＞Na2SO3＞Na2SO4。因此，在实际的污泥焚烧过程中，为减少Ni的挥发，可加入1.0%（以S与活性污泥的质量比计）的Na2S，以促使Ni在炉渣中富集，提高Ni的残留率。

2.4 氯化物加入量对Ni的残留率和挥发率的影响

在污泥中Ni加入量为200 mg/kg的条件下，氯化物种类和加入量对Ni的残留率和挥发率的影响见图5。

图4 硫化物种类和加入量对Ni的残留率（a）和挥发率（b）的影响

图5 氯化物种类和加入量对Ni的残留率（a）和挥发率（b）的影响

由图5可见：随污泥中NaCl和PVC加入量的增大，Ni的挥发率提高，残留率下降；当NaCl和PVC加入量分别为1.0%时，Ni的挥发率分别为22.88%和19.21%，残留率分别为78.59%和77.63%。可见，不同类型的氯化物对Ni的挥发影响规律基本相同，均促使Ni向烟气中迁移。

由图5还可见，在NaCl和PVC加入量相同的条件下，加入NaCl后Ni的挥发率比加入PVC后更高，即加入无机氯更易使Ni向烟气中迁移；比较图4a和图5a可以发现，在加入量相同的条件下，加入氯化物比加入硫化物Ni的挥发率高。实际应用时，当污泥中氯含量较高时易导致污泥焚烧烟气中Ni的含量较高，必须加强烟气中Ni的控制。由于烟气中Ni主要以颗粒物的形态存在于飞灰中，因此需要安装高效除尘装置来控制飞灰和Ni的污染。

3 结论

a）在管式炉中对污泥进行焚烧，污泥掺烧量为25%时，Ni的挥发率几乎为零，且污泥与煤混合试样的综合燃烧效果最好。

b）污泥焚烧时加入的各种硫化物对Ni残留率的提高效果大小顺序为Na2S＞S＞Na2SO3＞Na2SO4。在实际的污泥焚烧过程中，可加入1.0%的Na2S，以促使Ni在炉渣中富集，提高残留率。

c）污泥焚烧时加入氯化物均可促使Ni向烟气中迁移，且加入无机氯更易使Ni向烟气中迁移。实际应用时，当污泥中氯含量较高时易导致污泥焚烧烟气中Ni的含量较高，必须加强烟气中Ni的控制。

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