含鎳污泥的處理技術研究

周盛兵　蘆　昱

（1.金湖縣環境監測站，江蘇　淮安　211600；2.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇　南京　210093）

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含鎳污泥的處理技術研究

周盛兵1蘆昱2

（1.金湖縣環境監測站，江蘇淮安211600；2.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇南京210093）

摘要：本文介紹了目前主要的含鎳污泥處理處置方法，并分析了各自的優缺點以及應用情況。

關鍵詞：含鎳污泥；處理技術；固化；回收

1　含鎳污泥簡介

1.1含鎳污泥來源

含鎳污泥主要來自于金屬冶煉、電鍍和化工生產等過程。電鍍、皮革行業在生產運行過程中會產生大量含有Cu、Ni、Cr等重金屬元素的污泥，若不妥善處置，將會對環境造成嚴重污染，甚至危及人類生命安全。

1.2含鎳污泥性質

一般來說，電鍍、化工生產過程產生的含鎳污泥中的鎳，以水化物的形式存在，鎳污泥中鎳含量一般在10%左右［1］。另外，還含有鐵、銅、鋅等其他重金屬。含鎳污泥通常具有易積累、不穩定、易溶出等特點。由于含鎳廢水通常不僅僅只含有鎳離子，還含有其他的金屬離子，組分復雜，在中和沉淀過程中加入的次氯酸鈉、硫化鈉、硫酸亞鐵或石灰等化學藥劑，進一步增加了含鎳污泥的組分復雜性。

1.3含鎳污泥危害

含鎳污泥是一種不穩定的危險廢物，如果不對其進行處理、隨意堆放，將對土壤和地下水造成嚴重污染［2，3］，進而對人體和環境造成損害，其直接后果是污泥中的鎳及其他重金屬在雨水淋溶作用下進入地表水、土壤、地下水，并通過生物鏈富集作用對人類的健康產生危害，可能引起皮膚炎癥、神經衰弱和系統紊亂，而且鎳是一種致癌物質，可以導致肺癌［4，5］。此外，過量的鎳對植物也會造成危害，典型的就是鎳會導致植物葉片壞死［6，7］。

2　含鎳污泥的處理

目前含鎳污泥的處置措施主要包括污泥中重金屬的分離回收和固化/穩定化（Solidification/Stabilization）處理［8］。

2.1分離回收

含鎳污泥為一種廉價的二次資源［9，10］，其中某些污泥中的鎳含量甚至高于礦石中鎳的品位。我國作為一個“貧鎳”國家，人均鎳資源量遠遠低于世界平均水平，而對鎳資源的需求與日俱增。因此，回收含鎳污泥中的鎳具有十分重大的意義。

從污泥中回收鎳，通常要先對污泥中的鎳進行浸出，將污泥中的鎳浸出后，采用不同的方法將浸出液中的鎳進行分離和提純，以下分別介紹各種方法。

2.1.1溶劑萃取法。溶劑萃取法通過加入有機萃取劑或含有萃取劑的有機溶劑，經過傳質過程，浸出液中某些重金屬進入萃取劑中，從而實現鎳離子與回收液分離。通過控制萃取劑的種類和萃取條件等，可以實現不同金屬離子在水相和有機相中不同的分配比例，繼而實現重金屬的分離與提純。20世紀70年代，瑞典科學家提出了H-MAR與Am-MAR“浸出-溶劑萃取”工藝，使浸出液中Cu、Zn、Ni的回收率均達70%。20世紀90年代，美國科學家通過改進，使Cu、Ni的回收率提高到90%以上［11，12］。溶劑萃取法能夠達到較高的回收率，而且不產生二次污染物，但是對操作過程和設備的要求較高，工藝過程有待優化，成本也較高。而且由于污泥成分復雜，浸出液中的一些有機物會造成萃取劑乳化現象，對萃取過程會產生一定影響，從而影響萃取效率。

2.1.2濕法加壓氫還原法。濕法加壓氫還原法是一種回收金屬單質的方法。該方法是直接用氫氣從浸出液中還原出金屬單質，通過控制反應條件，便能選擇性地獲得不同的金屬單質，從而實現金屬的回收。程潔紅［13］等人通過研究發現，當pH在5.4～5.6，溫度為160℃，氫分壓為2MPa時，用氫氣氫還原銅和鎳離子能夠達到最佳回收率，分別為71%和64%。

濕法加壓氫還原法雖然能得到產值較高的金屬單質產品，但是回收率較低，而且對反應條件要求較高，運行費用較高。

2.1.3電解法。電解法是在外加電源的推動下，實現重金屬的還原，將金屬離子還原為金屬單質，并在陰極析出。李盼盼［14］等人用多孔鈦涂釕銥作為陽極，不銹鋼作為陰極，硼酸為緩沖劑，結果發現，電壓越大，pH越高，硼酸的量越多，鎳的回收率越高。

電解法是金屬冶煉常用的方法，但是由于含鎳污泥浸出液中的Ni2+/N氧化還原電位較氫低，易受其他雜質的影響，因此電流效率較低且能耗較高。

2.1.4離子交換法。離子交換法是廢水處理中利用離子交換劑去除水中有害物質的一種方法，常用的離子交換劑有沸石、分子篩、離子交換樹脂等。通過控制交換劑的種類和反應條件，可以定向吸附目標離子，實現目標產物的分離和提純。鄭宏［15］等人提出了一種新型的離子交換系統，該系統以南京大學開發的SI系列離子交換樹脂為交換劑，用于富集和分離廢水中的重金屬離子。廢水經該系統處理后，可穩定達標排放，還可實現Cu、Zn、Ni的回收，回收產品的純度達99.9%。

但是，由于樹脂的價格昂貴，運行費用較高，而且產生的濃縮液需要進一步處理，因此在工業上限制了其廣泛應用。

2.1.5膜分離法。一般采用液膜來分離提取污泥浸出液中的Cu、Ni等重金屬離子。使用液膜進行分離時，污泥浸出液中的重金屬離子通過在膜外與流動載體選擇性絡合，向膜內擴散和在膜內解絡3個過程，實現從膜外到膜內的富集，從而使重金屬得到回收。

膜分離法具有較高的能量轉化效率，裝置簡單，占地面積小，易于操作和控制。但是，由于液膜壽命短，穩定性低，易產生二次污染，而且投資大運行管理費用高，目前難以推廣應用。

2.1.6化學沉淀法。化學沉淀法是目前實際應用中最廣泛的分離提純工藝，主要分為氫氧化物沉淀法、碳酸鹽沉淀法、硫化物沉淀法和金屬置換沉淀法。化學沉淀法具有工藝簡單、易于操作、能耗低等優點。

2.2固化/穩定化

固化/穩定化過程，雖不能回收利用污泥中的鎳資源，但可以使含鎳污泥無害化的目的，包括水泥固化［16］、熱塑性固化、熔融固化等。具體指采用適當的固化劑，如水泥、瀝青、水玻璃等，將污泥中的有害物質固定在固化體中大幅度降低污泥中的重金屬的浸出量，從而解除污染。熱處理［17］也可以達到穩定化的目的，包括焚燒法、低溫熱解和玻璃化等方式，通過熱處理過程，可以使污泥中的有毒有害成分的毒性降低，并且還可以大幅度降低污泥體積，實現減量化、無害化的目的。

2.2.1焚燒法。新興的電鍍污泥焚燒技術具有大幅度減容和回收其中有機質的突出優點，逐漸成為污泥處置的主要手段。有報道指出，將污泥中的重金屬經熱處理后轉移到穩定的礦相結構[如尖晶石（Mg、Cu、Ni、Pb）（Fe、Cr、Al）O4]，不僅能達到將重金屬固化/穩定化目的目的，還能大幅度減容和回收污泥中有機質中的能量。該方法克服了重金屬污泥焚燒后底灰中易浸出重金屬的缺點，具有重大的現實意義和實用價值。

Kaimin通過加入富鋁材料（高嶺土、莫來石）或赤鐵礦完成了對模擬含銅污泥、含鎳污泥和含鉛污泥的固化/穩定化，浸出試驗結果表明，通過將重金屬轉移到穩定的晶格結構中能安全有效地固化重金屬元素［18］。采用該方法對于多種性質相近的重金屬元素（如Cu、Ni）同樣能夠起到較好的固化效果［19］，甚至對無機元素（如F）也能起到固定作用［20］。

2.2.2固化劑法。到目前為止，大多數研究是通過加入富鋁材料［21，22］（高嶺土、莫來石）或高純度的氧化鋁與重金屬元素合成尖晶石結構完成固化，由于加入的固化介質的經濟性問題，一定程度上限制了礦化晶格固定法這項技術的發展。因此，尋找廉價的替代材料或固體廢棄物成為推動這項技術發展的重點。

粉煤灰作為大宗工業固體廢棄物，其每年的產生量非常巨大，在我國每年的粉煤灰產生量大約有0.8億～1.0億t［23］，粉煤灰作為一種與高嶺土性質相似的富鋁材料，同樣具有作為固化介質的潛力，若能將粉煤灰用于重金屬污泥的固化，不僅拓寬了粉煤灰的應用途徑，更重要的是能夠降低重金屬污泥的處置成本，提高該項技術的經濟性。

富鐵材料同樣可以與重金屬元素（如Cu、Ni、Zn等）合成尖晶石，因此工業生產過程中產生的含鐵污泥（鋼鐵廠酸洗過程中產生的大量含鐵污泥）也具有作為固化介質的潛力。此外，Fenton試劑法處理廢水時產生的含鐵污泥含鐵量高達50%，傳統的處置措施燒制磚瓦不能夠有效地利用其中的鐵資源，而利用Fenton試劑法產生的含鐵污泥作為固化介質，不僅能夠達到固化重金屬污泥的目的，還能夠大量消耗含鐵污泥，為解決Fenton試劑法含鐵污泥難處理的問題提供一條新的途徑［23-26］。除多數研究中的尖晶石結構之外，一些研究中發現某些重金屬元素的其他結構也較穩定如鉛長石。因此，根據污泥中重金屬的種類尋找相應的簡單、易合成的穩定結構，對推動這項技術的進一步發展具有重要的意義。

3　結語

含鎳污泥的處置與利用，應當兼顧到環境效益、社會效益和經濟效益，應遵循穩定化、無害化、減量化和資源化的原則，通過資源化解決日益增多的污泥數量和有限的可供填埋的空間的矛盾，實現經濟的可持續發展。隨著科學技術和實踐水平的發展，新的污泥處理技術也漸漸地投入實際應用，但仍然處于摸索階段，需要進一步深入研究。

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中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0137-03

收稿日期：2016-01-28

作者簡介：周盛兵（1972-），男，工程師，研究方向：環境保護、自然生態建設、污染防治以及環境監測。

Research on Nickel Sludge Treatment Technology

Zhou ChengbingLu Yu
（1.Jinhu County Environmental Monitoring Station，Huai′an Jiangsu 211600；2.Nanjing Uiversity Environment Planning and Design Institute Co.Ltd.，Nanjing Jiangsu 210093）

Abstract:The purpose of this paper is to introduce the main nickel sludge disposal method,and analyze their advantages and disadvantages and application.

Keywords:nickel containing sludge；treatment technology；solidification；recovery