活性污泥焚燒過程中鎳的遷移分布特性

方 平，唐子君，岑超平，梁陽明

（1. 中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640；2. 環境保護部 華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655）

活性污泥（以下簡稱污泥）的焚燒處理法具有減容率高、處理速度快、可殺死一切病原體、能源可再利用等優點，是最徹底的污泥處理方法之一［1］。但污泥焚燒會產生諸如重金屬、二噁英、NOx、酸性氣體等有害污染物，處理不當容易產生二次污染，對環境和人體健康造成嚴重威脅，其中重金屬的污染尤其值得關注。國內外學者研究表明［2-7］，焚燒過程中重金屬的遷移分布不僅受到焚燒條件（焚燒溫度和焚燒停留時間）的影響，還與污泥的成分和含量有關。

本工作在管式爐中進行污泥焚燒，比較了向污泥中添加煤、硫化物、氯化物后焚燒時Ni的遷移分布特性的變化情況，以期為污泥焚燒煙氣中重金屬的控制提供參考數據。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

污泥取自廣州市某污水處理廠，將污泥在自然條件下干燥7 d后，在20 ℃、相對濕度為60%的恒溫箱中放置48 h備用。

NiSO4，HNO3，H2SO4，KMnO4，H2O2，S，Na2S，Na2SO3，Na2SO4，NaCl：分析純；去離子水；聚氯乙烯（PVC）；無煙煤。

AA-7000型火焰原子吸收分光光度計：島津公司；7700x 型電感耦合等離子質譜儀（ICP-MS）：Agilent公司；TB-214型分析天平：DENVER公司；DB-4A 型數顯恒溫電熱板：金壇市美特儀器制造公司。

1.2 實驗裝置

管式爐污泥焚燒實驗裝置見圖1。該裝置主要包括配氣系統、焚燒系統和煙氣采樣系統。污泥焚燒后煙氣中的Ni主要以顆粒態和氣態形式存在，顆粒態的Ni主要聚集在飛灰中，由玻璃纖維過濾器捕集，過濾器外裝有保溫裝置，防止煙氣冷凝；氣態的Ni通過氣體吸收瓶進行吸收，氣體首先通過一個緩沖瓶后，進入兩個分別裝有10 mL HNO3溶液（質量分數為5%）和H2O2溶液（質量分數為10%）的體積比為1∶1的混合液吸收瓶，再通過一個緩沖瓶后，進入兩個分別裝有10 mL KMnO4溶液（質量分數為4%）和H2SO4（質量分數為10%）的體積比為1∶1的混合液吸收瓶，最后經過硅膠干燥瓶后排放。

圖1 管式爐污泥焚燒實驗裝置

1.3 實驗方法

由于實驗所選污泥中Ni的含量較低，僅為5.6 mg/kg（以每千克污泥計），為了突出研究目標物Ni的遷移轉化特性，同時考慮到分析的方便和準確，向污泥中添加一定量的NiSO4［8］。

將管式爐升溫至850 ℃［9］，將裝有5 g污泥（或摻入一定量煤、硫化物、氯化物的污泥）的石英舟推至管式爐中部恒溫區焚燒8 min，然后將石英舟拉出。將爐渣和玻璃纖維過濾器捕集的飛灰經消解處理后定容成液體試樣，同時將氣體吸收瓶中的液體也定容成試樣，用原子吸收分光光度計測定上述液體試樣的吸光度，計算試樣中Ni的質量濃度［10］。

殘留率為爐渣中Ni質量與污泥中Ni質量的比；揮發率為飛灰與氣體中Ni的總質量與污泥中Ni質量的比；污泥摻燒量為污泥質量與煤和污泥總質量的比；硫化物加入量分別為S、Na2S、Na2SO3和Na2SO4中S的質量與污泥質量的比；氯化物加入量分別為NaCl和PVC中Cl的質量與污泥質量的比。

1.4 分析方法

采用原子吸收分光光度計測定試樣的吸光度，計算試樣中Ni的質量濃度。

2 結果與討論

2.1 Ni加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響

Ni加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響見圖2。

圖2 Ni加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響

由圖2可見，隨污泥中Ni加入量的增加，Ni的殘留率和揮發率變化幅度不大，且煙氣中的Ni均以顆粒物的形式存在于飛灰中，氣相中沒有檢出。研究發現，污泥中Ni加入量的增加雖然沒有使Ni的揮發率提高，但增加了煙氣中Ni的總質量，因而增加了污泥焚燒后飛灰的處理難度。綜合考慮，本實驗適宜的Ni加入量為200 mg/kg。

2.2 污泥摻燒量對Ni的殘留率和揮發率的影響

在污泥中Ni加入量為200 mg/kg的條件下，污泥摻燒量對Ni的殘留率和揮發率的影響見圖3。由圖3可見：隨污泥摻燒量的增加，Ni的揮發率緩慢上升，但均小于10%； Ni的殘留率變化不大。雖然增加污泥摻燒量會導致Ni在煙氣中的總量增加，但由于Ni的揮發率很低，且Ni均以易控制的顆粒物形式存在，因此，提高污泥摻燒量并不會加大Ni的控制難度；相反，根據污泥與煤的熱重實驗研究，污泥的著火點低于煤的著火點，提高污泥的摻燒量在一定程度上有利于污泥與煤混合物的燃燒［11］。研究發現，當污泥摻燒量小于25%時，Ni的揮發率幾乎為零，結合前期研究結果即當污泥摻燒量為25%時污泥與煤混合試樣的綜合燃燒效果最好［11］，得出當實際應用工業鍋爐焚燒處置污泥時，最佳污泥摻燒量為25%。

圖3 污泥摻燒量對Ni的殘留率和揮發率的影響

2.3 硫化物種類和加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響

在污泥中Ni加入量為200 mg/kg的條件下，硫化物種類和加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響見圖4。未加入硫化物時，Ni的殘留率為89.82%，Ni的揮發率為4.14%，由圖4可見：當加入S、Na2SO3或Na2SO4時，Ni的殘留率比未加入硫化物時均有所下降，揮發率均有所提高；當加入Na2S時，Ni的殘留率比未加入硫化物時有所提高；當Na2S加入量為1.0%時，Ni的揮發率為3.16%，殘留率為91.00%。各種硫化物對Ni的殘留率提高能力大小順序為Na2S＞S＞Na2SO3＞Na2SO4。因此，在實際的污泥焚燒過程中，為減少Ni的揮發，可加入1.0%（以S與活性污泥的質量比計）的Na2S，以促使Ni在爐渣中富集，提高Ni的殘留率。

2.4 氯化物加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響

在污泥中Ni加入量為200 mg/kg的條件下，氯化物種類和加入量對Ni的殘留率和揮發率的影響見圖5。

圖4 硫化物種類和加入量對Ni的殘留率（a）和揮發率（b）的影響

圖5 氯化物種類和加入量對Ni的殘留率（a）和揮發率（b）的影響

由圖5可見：隨污泥中NaCl和PVC加入量的增大，Ni的揮發率提高，殘留率下降；當NaCl和PVC加入量分別為1.0%時，Ni的揮發率分別為22.88%和19.21%，殘留率分別為78.59%和77.63%。可見，不同類型的氯化物對Ni的揮發影響規律基本相同，均促使Ni向煙氣中遷移。

由圖5還可見，在NaCl和PVC加入量相同的條件下，加入NaCl后Ni的揮發率比加入PVC后更高，即加入無機氯更易使Ni向煙氣中遷移；比較圖4a和圖5a可以發現，在加入量相同的條件下，加入氯化物比加入硫化物Ni的揮發率高。實際應用時，當污泥中氯含量較高時易導致污泥焚燒煙氣中Ni的含量較高，必須加強煙氣中Ni的控制。由于煙氣中Ni主要以顆粒物的形態存在于飛灰中，因此需要安裝高效除塵裝置來控制飛灰和Ni的污染。

3 結論

a）在管式爐中對污泥進行焚燒，污泥摻燒量為25%時，Ni的揮發率幾乎為零，且污泥與煤混合試樣的綜合燃燒效果最好。

b）污泥焚燒時加入的各種硫化物對Ni殘留率的提高效果大小順序為Na2S＞S＞Na2SO3＞Na2SO4。在實際的污泥焚燒過程中，可加入1.0%的Na2S，以促使Ni在爐渣中富集，提高殘留率。

c）污泥焚燒時加入氯化物均可促使Ni向煙氣中遷移，且加入無機氯更易使Ni向煙氣中遷移。實際應用時，當污泥中氯含量較高時易導致污泥焚燒煙氣中Ni的含量較高，必須加強煙氣中Ni的控制。

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