污泥資源化處理新工藝Novosol技術及其應用

施曉霖，陶桂蘭

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

污泥資源化處理新工藝Novosol技術及其應用

施曉霖1，陶桂蘭2

（河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

工程污泥作為海洋湖泊及河流水利水電工程后的固體沉積物，是目前水電建設及維護工程產生的主要固體廢棄物，在法國Dunkerque港口壩區每年產生的疏浚泥達350萬m3，歐洲淤泥研究中心（Sednet）統計得出全歐洲每年疏浚淤泥達到2億m3［1］。同樣的，在中國珠江三角洲地帶每年產生的水利工程疏浚泥量達8 000萬m3左右［2］；在內陸河道、湖區以及海洋中每年也會產生大量的疏浚污泥，上海僅蘇州河水利工程治理就需疏浚底泥數十萬m3，太湖綜合治理及滇池治理中均需疏浚底泥數百萬m3［3］。對于如何處理這些水利水電工程污泥，避免其污染環境，是當今世界所面對的重要環保問題。在大多數發展中國家，土地利用和填埋仍是水利水電工程污泥處置的主要途徑。污泥填埋需要占用大量土地資源、填埋費用較高且不能根治污染，自從20世紀80年代，傳統的向海洋傾倒污泥方法被禁止后，污泥棄置比例正在逐步減少，據美國環保局估計，今后幾十年內美國6 500個污泥填埋場中將有5 000個被關閉，作為最早應用填埋技術的歐盟也做出了污泥填埋必須和焚燒相結合成為焚燒灰填埋的規定［4］。污泥通過減量化、穩定化、無害化、資源化處理后作為資源再利用已經成為主流方式。目前，在我國具體方法包括堆肥、堿性穩定化、熱干化、焚燒等，其中堆肥法工業成本較低，但生產周期長、占用的土地多，同時需要對堆肥質量、場所加強管理；堿性穩定化方法由于其過程可逆性需要較嚴格的工藝過程；熱干化方法效率較高，殺菌徹底但費用較高；焚燒法運用較廣，但其成本高，飛灰易造成環境污染并含有重金屬等［5］。高效及低費用技術始終是我國水利水電工程污泥處理處置所追尋的目標，因此，本文將介紹法國所采用的一種新型水利水電工程污泥處理技術，由Solvay公司研發的Novosol技術及其在工業中的運用。

1 Novosol技術原理

Novosol技術是Solvay公司開發的一種采取工業生態學的水利水電工程污泥處理方法，通過固化污泥中的Pb、As、Cr、Zn等重金屬并分解其中有機物后，將無害化的污泥重新運用在土木工程中。本技術主要原理是利用磷酸與污泥混合后產生的磷酸鈣鹽（磷灰石）處理污泥中重金屬，再通過熱處理分解有機物。最常見的天然磷酸鹽為磷酸鈣鹽：Ca10（PO4）6（OH，F，Cl）2，這其中利用率較高的是Ca10（PO4）6F2，當氟離子被交換為OH-離子，得到羥基磷灰石為Ca10（PO4）6（OH）2。因為礦物質磷酸鹽溶解度低，且其化學性質穩定，從而截留在晶體結構中的金屬只能通過破壞晶格被釋放［6］。

磷酸鹽和重金屬之間的相互作用已被廣泛研究。例如重金屬鉛，Nriagu在1973年就開始研究這一金屬元素與磷酸鹽的特殊親和性［7］。通過該反應得到Pb5（PO4）3Cl，其化學性質穩定易于從土壤中分離出來。利用磷酸鹽處理污泥已經開始被各個國家研究并運用到實際工程中。

固化土壤鉛元素的化學方程式如下［8］：

如果沒有其他金屬元素，上述反應將一直進行至完全轉化。一些研究表明某些離子將對該反應造成影響，這種固化方法已經被運用到了對其他金屬元素的處理，如鋅，鎘，銅等［9］。實驗的設備條件，要處理的污泥所含金屬元素種類和密集程度以及磷酸鹽的自身性質都將影響到固化金屬流程的效率。Wang在2011年研究得出磷酸鹽固化金屬率對鉛，銅，鎘可達95%，對鋅可達99%，但只能固化65%的鎳［10］。綜上所述，利用磷酸鈣鹽處理疏浚污泥具有廣泛的應用前景。

2 工藝流程

2.1 處理步驟

Novosol技術分為2個相互獨立工作設備單元（A單元圖1、B單元圖2），進行3個主要處理步驟。此項污泥處理技術的特點是工作設備單元的可移動性。所用設備均為易于組裝運輸，可將工作單元移至離污泥挖掘地（航道、港口、護岸等）較近處，從而減少了運輸污泥所帶來的費用。此技術中，處理步驟1，2在A設備單元進行，處理步驟3在B單元中進行。

處理步驟1：化學處理。通過管狀的反應器，抽取疏浚產生的含水量接近50%的污泥，并與2.0%～3.5%的磷酸H3PO4充分混合。該步驟可固化污泥中的重金屬元素，事實上由于污泥中存在鈣元素，通過與磷酸混合產生出H2S和CO2氣體以及金屬磷酸鹽和吸收重金屬的重要物質羥基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2。此過程的目的不在于消除重金屬，而是通過浸析作用隔離出污泥中的重金屬，阻礙其對環境的污染。

處理步驟2：干化處理。將經過磷酸處理的污泥儲存在易于排出水分的土工編織物中進行瀝干處理，24 h后將其堆積均勻便于干燥的耙狀結構。該步驟使污泥磷酸鹽的含水量得到減少（35%～40%干燥）同時加快了磷灰石的生成和重金屬的浸析。

處理步驟3：熱處理。將經過干化處理的污泥裝包并運送至B單元，在焚燒爐中進行高溫煅燒（溫度650℃～900℃），金屬磷酸鹽轉化成結晶混合物，有機物被分解。并且燃燒中所產生的氣體被收集起來通過該公司的NEUTREC?空氣凈化技術進行處理，該技術利用碳酸氫鈉鹽對氣體進行凈化（酸性氣體與碳酸氫鈉鹽發生中和反應）。該步驟能有效中和酸性氣體（鹽酸、二氧化硫、氫氟酸等），吸附重金屬以及二惡英和呋喃等有害物質，能滿足嚴格的TCLP［11］（toxicity characteristic leaching procedure毒性特征淋濾過程）排放標準。

2.2 技術流程

在主要處理步驟1，2中，對于排放出的氣體（基本上為H2S和CO2）與瀝干產生的水都進行了處理。其中瀝水被重新導入下一批待處理的污泥，而廢氣則通過活性炭來進行吸附處理。活性炭是通過熱解和溫和氧化作用所得到的多孔結構材料，多孔結構大幅增加了吸附效率。因此，該過程可固定一些常規污泥處理方法下不能消除的物質（有機物和重金屬），排出不含有灰塵的氣體。

熱處理步驟一方面能進一步對污泥進行干燥，使其達到95%的干燥度。另一方面使化學處理后產生的金屬磷酸鹽更為穩定，更容易固化。圖3為Novosol技術過程概要。

經過處理后的污泥已經處于穩定狀態，可被再利用。Novosol技術中固化金屬的效率取決于磷灰石的性質，所以加強對磷灰石的研究是該技術今后發展的重要部分。

圖1 Novosol技術A單元Fig.1 Unit A of Novosol

圖2 Novosol技術B單元Fig.2 Unit B of Novosol

圖3 Novosol過程概要Fig.3 Process summary of Novosol

3 技術應用與效果

表1為研究機構《Consortium Venise Recherche》［12］通過TCLP試驗分析所測得比利時運河的河底污泥經過Novosol技術處理后的各項污染物的土質結果。該污泥包含有Pb、As、Cr、Zn等重金屬污染物，同時也含有一些有機物，如碳酸鹽、硫化物、腐植酸。TCLP分析法的原理是使金屬元素形成穩定的化合物從土壤中分離出來，通過測量每種元素的含量隨著處理過程的變化，可得知該種污染物能否被浸析分離。通過研究的3種處理階段的污泥，我們會發現其重金屬成分含量一項數值略有增加。這是由于在處理過程中原料體積的減少導致污染物單位體積含量的增加。只有汞除外，因為其易揮發，在處理過程中被煅燒消除并由設備收集的。有機污染物的總含量在煅燒后大大減少。

表1 Novosol污泥處理技術的TCLP試驗結果Tab.1 TCLP Result of Novosol

其中析出率試驗是按照美國TCLP試驗標準，將一平均粒徑小于2 mm的固體試樣置于摩爾濃度為0.5的乙酸中測試試樣析出率，其中乙酸與固體試樣比例為20∶1。通過表1中的結果我們可以看出通過處理，顯著減少了污染物的釋放。同時我們也發現熱化處理的重要性，例如經過磷酸處理后，鎘（Cd）的析出率變高，這是由于磷酸的使用促進了污染物的轉移，但再經過熱化處理后就變得微不足道了。鑒于經過處理后的污泥的低污染物含量，處理土將被重新應用于土木工程，主要是建材回用，如鋪路、制磚等［13］。

4 結語

綜上所述，Novosol污泥處理技術能有效通過固化水利水電工程污泥中重金屬并分解其中有機物，將無害化的污泥重新運用在土木工程中。加入磷酸后產生氣體的揮發導致微觀孔隙的形成，這也加快了污泥的干化（達到50%），減少了大量能源及時間的投入。這種優勢也使得Novosol技術領先于其他的競爭對手。這使我國水利水電工程污泥處理處置有了新的研究方向，可同時我們也要進一步深入研究如何提高其固化金屬效率，降低技術成本，同時分析經過處理后的污泥在水利水電工程建設中的性質表現，加強其再利用。

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（編輯 徐花榮）

Novosol，a New Valorization Technique for Dredged Sediment and Its Application

SHI Xiaolin1，TAO Guilan2
（College of Harbor，Coastal and Offshore，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

如何處理水利水電工程污泥是全球性的環保問題，資源化處理處置技術是解決該問題的最好出路。文章詳細介紹了法國Novosol新型污泥處理技術先通過化學處理方法，在污泥中加入磷酸，將其中的重金屬轉變成難溶的金屬磷酸鹽固化在處理產物中；再通過熱處理方法降低其有機物的含量，從而使固體殘留物無害化的工藝流程，并簡述了其技術原理和實際應用效果。

污泥；資源化；重金屬固化；無害化

Treatment of dredged sediment is one of the main environmental problems，and the valorization technique is the best way.By means of the new valorization technique Novosol in France，heavy metals existing in dredged sediments can be chemically stabilized to insoluble metallic phosphates by adding H3PO4 while the organic content is reduced by thermal treatment.The article introduces the technical process，the principle and the test result of this new technique.This technique will provide new research direction and instructions to the valorization work of dredged sediment in China.

dredged sediment；valorization；stabilization of heavy metals；innocuity

1674-3814（2015）04-0132-05

TV42+2

A

2014-12-07。

施曉霖（1989—），男，碩士研究生，主要從事港口航道工程棄土處理研究。