污泥液化過程中重金屬的遷移和轉化行為比較研究

【摘要】：本文通過研究總結了不同來源的污泥通過水熱液化方式處理得到的生物炭中各重金屬的遷移和轉化行為，從而總結各污泥通過水熱液化處理對其生物炭中重金屬的生態風險的影響。結果表明，各類污泥通過水熱液化處理后，其原污泥中的各重金屬含量絕大部分轉移至水熱炭中，而且各重金屬的形態基本上大部分從生物有效性形態向潛在生物有效性形態和無生物有效性形態遷移和轉變，從而顯著地降低了各污泥通過水熱液化處理得到的生物炭的重金屬的生態風險。

【關鍵詞】：污泥;水熱液化;重金屬;生態環境風險

1.引言

近年來，隨著我國城市化進程的加快，人民生活水平的提高，各城市污水處理廠的建設加速，而且各種化工企業的大量生產產生龐大的污水污泥量，如造紙企業的生產產生大量的污泥，急需對其進行妥善的處理，否則會對引起嚴重地環境污染。據統計報道，我國市政污水污泥量（含水率在80%左右）在2012年為3000萬噸，而到2015年時，市政污水污泥的產量會增加至3400萬噸[1]，而且據估算，全球的造紙廢物處理廠數量將會增加60%在2012年到2020年間[2]。同時，這些污泥體積巨大且含有高濃度的有機復合物及有機微污染物，尤其是重金屬因其自身毒性及累積特性而對環境造成嚴重地污染，因此，如果不對其進行妥善處理，會不斷的帶來環境問題并會引起二次環境污染[3]。相對于傳統的污泥處理方式，如污泥填埋、污泥焚燒、污泥堆肥以及污泥海洋傾倒等都純在各種弊端[4]，水熱液化技術因其相對來講更加環境友好型，成本較低同時處理效果明顯而受到廣泛的關注。因此，本文通過研究總結了不同來源的污泥通過水熱液化處理得到的各類污泥水熱炭中重金屬的遷移與轉化規律，從而總結各污泥通過水熱液化處理對各類污泥水熱炭的重金屬的生態風險的影響，以為未來污泥水熱炭的應用提供一定的理論參考和科學依據。

2.水熱液化處理對各污泥水熱炭中重金屬形態的影響

2.1. 來源于市政污水污泥的水熱炭

通過研究總結了來源于長沙市政污水處理廠的市政污水污泥分別在280℃、320℃和360℃下進行水熱液化處理得到市政污水污泥BC280、BC320和BC360。原市政污水污泥的理化性質，如pH值、灰分含量、元素C、H、O、N和S的含量的值分別為5.9、39.2%、31.29%、3.63%、17.41%、4.84%和3.43%。而且原市政污水污泥中重金屬Pb、Zn、Cu、Ni、Cr和Cd的濃度（mg kg-1）分別為61.0、780.0、150.0、46.0、87.0、和2.1。當原市政污水污泥經過水熱液化處理后，其原污泥中各重金屬的含量絕大多數轉移至污泥水熱炭中，而且原污泥中基本上各重金屬生物有效性形態的含量明顯的降低，而重金屬的潛在生物有效性形態和無生物有效性形態的含量顯著升高，使得原污泥中各重金屬的生態風險顯著降低。此外，隨著水熱液化溫度的提升，原污泥中基本上各重金屬的生物有效性形態含量都顯著降低，而其潛在生物有效性形態的含量和無生物有效性形態的含量升高，暗示著水熱液化溫度是影響市政污水污泥水熱炭中各重金屬生態風險的主要因素。

2.2. 來源于造紙廠污泥的水熱炭

通過研究總結了來源于長沙造紙廠的污泥在300℃下進行水熱液化處理得到污泥水熱炭BC300[7]。原造紙廠污泥的理化性質，如pH值、揮發分含量、灰分含量、固定碳含量、元素C、H、O、N和S的含量的值分別為7.97、31.61%、67.00%、1.39%、38.76%、5.20%、47.85%、6.69%和1.50%。原污泥中重金屬Cu、Cr和Zn的濃度（mg kg-1）分別為85.4、61.3和160.8。原污泥經過水熱液化處理后，其水熱炭的產率為77.68，這么高的產率歸因于原污泥中較高的灰分含量。此外，原污泥通過水熱液化處理后，其所含各重金屬的含量較原污泥有所上升，這是因為在原污泥水熱液化的過程中，重金屬損失量小于原污泥中因有機組分分解而造成的揮發性物質損失的量，使得污泥水熱炭中重金屬的濃度被提升。雖然原污泥通過水熱液化得到的水熱炭重金屬的濃度較原污泥有所上升，但原污泥中基本上各重金屬的生物有效態的含量顯著下降，而各重金屬的潛在生物有效態和無生物有效態的含量顯著增加，這是因為原污泥通過水熱液化處理改變了自身的理化性質，從而使其所含重金屬進行各態之間的遷移和轉化，暗示著原污泥通過水熱液化處理得到的污泥水熱炭，其所含的重金屬的生態風險被顯著降低。

3.污泥水熱炭中重金屬遷移轉化的原因分析

通過研究總結不同來源的污泥通過水熱液化處理后得到的污泥水熱炭的理化性質變化和其所含各重金屬遷移和轉化行為的變化，從而得到污泥通過水熱液化處理顯著的改變了污泥的理化性質，從而影響了污泥中重金屬的各種形態的遷移和轉變，進而起到了改變污泥中重金屬的生態風險。具體表現為，原污泥通過水熱液化處理，污泥水熱炭的灰分明顯增加，元素H、O和N的含量顯著下降，C的含量有所上升，這使得污泥水熱炭的無機礦物質含量增加，而無機礦物質能很好的和重金屬發生沉淀反應，從而使得大多數生物有效態的重金屬的含量明顯降低并轉化為潛在生物有效態和無生物有效態中去，以降低了污泥水熱炭中重金屬的生態風險。此外，通過對原污泥進行水熱碳化處理，使得污泥熱解炭的H/C和O/C原子比的值大幅降低，從而使得污泥水熱炭的芳香化程度增強，使得污泥水熱炭的結構更加穩定，從而使污泥炭所含重金屬的潛在生物有效態和無生物有效態的含量大幅降低。

4.結論

通過研究總結不同來源的污泥通過水熱液化處理后得到的污泥水熱炭的理化性質變化和其所含重金屬的遷移和轉化行為的變化，結果證明，污泥通過水熱液化處理后，相關的理化性質得到改善，并使污泥水熱炭所含重金屬有效態的含量顯著降低，從而降低了其所含重金屬的生態風險。

參考文獻：

[1] Feng， L.， Luo， J.， Chen， Y.， 2015. Dilemma of sewage sludge treatment and disposal in China. Environ. Sci. Technol. 8， 4781–4782.

[2] Meyer， T.， Edwards， E.A.， 2014. Anaerobic digestion of pulp and paper mill wastewater and sludge. Water Res. 65， 321–349.

[3] Liu， Y.， Kang， X.， Li， X.， Yuan， Y.， 2015. Performance of aerobic granular sludge in a sequencing batch bioreactor for slaughterhouse wastewater treatmen .Bioresour. Technol. 190， 487–491.

[4] Inguanzo， M.， Pis， J.J.， Men， J.A.， 2002. Microwave-induced pyrolysis of sewage sludge. Water Res. 36， 3261–3264.