污泥中磷的热力富集行为与典型重金属迁移的关联机制

Sewage sludge is the biggest secondary resource of phosphate, which is polluted by heavy metals and organic compounds. A two-step thermal treatment can enrich the phosphorus resource while harmless disposal of sludge, but the behavior of heavy metals transfer restrict its application. In this project, the coupling mechanism on phosphorus enrichment behavior and heavy metals'(Pb, As, Zn, Cu and Cr) transfer during sewage sludge thermal process was researched by the method combining theory and experimental study. Experimental study of the strengthening mechanism on co-deposition of heavy metals and phosphorus and its speciation in slag were investigated by small-scale fluidized bed incineration, XRD, FESEM-EDX and EXAFS. Theoretical prediction of the transformation and reaction mechanism on phosphorus and heavy metals was studied by the method, which combined the thermodynamic analysis software, crystal binding energy check (MS-CASTEP software) and heavy metals' element activity. Kinetics study of heavy metals' volatilization during the calcination process of high phosphorus slag was researched by kinetic simulation software (CHEMKIN) and tube furnace batch calcination experiments. Finally, the synthetic efficiency evaluation model of multimetal pollution control was established, then this model was used to optimized heavy metals' cooperative control based on enriching phosphorus. This research can propose new insight on the translocation regularity of heavy metals and provide scientific information for the pollution control during the phosphorus recovery from sludge.

污泥是富含有机污染和重金属成分的固体废物，同时又可作为最大的磷酸盐二次资源。两步热处理过程可使污泥在无害化处理同时实现磷的资源化，但重金属的迁移行为成为关键制约因素。本项目采用理论与实验相结合方法，深入研究污泥中典型重金属（Pb、As、Zn、Cu和Cr）高温迁移转化规律与磷富集行为的交互作用机理。采用小型流化床焚烧实验结合XRD、FESEM-EDX、EXAFS分析手段，研究重金属与磷共沉积强化机理及其在灰渣中的赋存形态分布；基于元素活度开展热力学分析预测及MS-CASTEP计算晶体结合能校核相结合方法，分析磷与重金属转化规律与反应机理；采用Chemkin模拟与管式炉序批实验相结合，研究高磷灰渣重金属挥发动力学；建立多重金属污染控制综合效率评价模型及协同控制优化方法。通过本项目研究，可以获取污泥热处理过程重金属与磷迁移与控制方面的新知识，形成新研究方法，为固体废物无害化与资源化提供理论支持。

污泥作为污水处理的副产物富含大量的磷，可作为最大的磷酸盐二次资源。两步热处理过程可使污泥在无害化处理同时实现磷的资源化，但重金属的迁移行为成为关键制约因素。本项目研究基于磷富集的污泥焚烧-煅烧两步热处理过程典型重金属和磷固相沉积规律与交互作用机理，同时考虑多种重金属之间的综合影响与协同控制优化。.焚烧温度升高不利于重金属在焚烧底渣中的固定。加入CaO后Zn的固定率增加。污泥热处理全过程中Pb、Zn主要存在于烟气中、而Cu在用于回收P的最后底渣中有一定的量。随着温度的升高，总磷和磷灰石磷的含量增加，850℃时总磷含量达到最大92.94mg/g，950℃时，添加剂CaO使总磷含量增大，灰渣中的磷绝大多数以磷灰石磷存在；通过模型化合物分析，磷酸铝和磷酸铁在600-1000℃之间与CaO反应，生成焦磷酸钙和磷酸钙等磷灰石磷。热力学计算表明，高温时磷与钙镁的结合能力要大于与铁铝的结合能力。另外，温度和 CaO可以实现磷的富集同时有利于非磷灰石磷向磷灰石磷转化。总磷随着温度的升高先升高随后降低，在850℃ 时达到最大值61.31mg/g。在950℃以 CaO为添加剂时，磷灰石磷占总磷比例达到 92.23%。焚烧过程中磷与金属离子的结合顺序是Ca2+>Mg2+>Al3+>Fe3+，同时 950℃磷酸铁的挥发导致了总磷的降低。.在未添加氯化剂的情况下，污泥灰渣中除As、Pb外各种金属的挥发率均在10%以下。Cl氯化剂的加入可使重金属挥发效率显著增加。以MgCl2作为氯化剂，少量添加时1000℃脱除效果更佳，Cu、Zn脱除率主要受动力学影响，超过一定比例时1100℃更佳，其脱除率主要受热力学影响，Cr、Ni在1000℃的脱除率普遍高于1100℃；Cu、Ni在氮气气氛下的脱除效率高于空气气氛，Zn、Cr则相反。增加Ca的添加量可以提高污泥灰渣的四个熔融特征温度且对重金属的脱除具有促进作用。增加K的添加量可以降低污泥灰渣的四个熔融特征温度且对重金属的脱除具有抑制作用。氯化剂的添加有利于污泥灰渣中磷的固定。1100℃添加 15%MgCl2 煅烧后剩余灰渣中的总磷固定率高达为 98.33%。.通过本项目研究，获取了污泥热处理过程重金属与磷迁移与控制方面的新知识，形成新研究方法，为固体废物无害化与资源化提供理论支持。