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污泥焚烧底灰中重金属残留特性的实验研究

来源：尚佳旅游分享网

第3卷第11期2002年11月环境污染治理技术与设备

TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl

Vol.3,No.11Nov.2002

污泥焚烧底灰中重金属残留

特性的实验研究

李爱民　曲艳丽　姚　伟　王　志　魏砾宏

(沈阳航空工业学院安全工程系,沈阳110034)

摘　要　利用原子吸收分光光度计和程序控制温升炉研究了沈阳市污水处理厂污泥在不同焚烧工况下重金属Cu、Cr、

Cd、Zn、Ni和Pb在焚烧底灰中的残留特性。考察了升温速率、焚烧温度、含水率以及停留时间等因素对重金属在污泥底灰中的残留特性的影响。实验表明,Pb、Cd和Cu在灰渣中的残留率随着温度和停留时间的增加而降低。大部分的重金属元素Zn、Cu和Cr残留在灰渣中,Cd、Pb和Ni部分残留在灰渣中。

关键词　污泥焚烧　重金属　底灰　残留特性

AnexperimentalstudyonremainspropertyofheavymetalsinthebottomashLiAimin　QuYanli　YaoWei　WangZhi　WeiLihong

(DepartmentofSafetyEngineering,ShenyangInstituteofAeronauticalEngineering,Shenyang110034)

Abstract　Inthedifferentcombustionconditions,theatomicabsorptionspectrophotometryandthepro2

ceduretemperature2increasingstoveareusedtomeasuretheremainspropertyofheavymetalelementsinthebottomashofsludge,suchasCu、Cr、Cd、Zn、NiandPb.Itisreviewedthatsomefactorsliketemperament2increasingspeed,combustiontemperature,moistureratioandretardtimeaffecttheremainspropertyofheavymetalelementsinthebottomashofsludge.TheexperimentindicatesthatthesidualratiosofPb、CrandCuinthebottomashdecreasewiththeincreaseoftemperatureandretentiontime,andthemostofZn、CuandCr,andapartofCd、PbandNiremaininthebottomash.

Keywords　sludgecombustion;heavymetal;bottomash;residualproperty

处置方式[3]。1　引　言

工业废水中的重金属含量较高,其中约50%以

1934年,美国密歇根州安装的第一台多膛炉最上的重金属离子转移到污泥中。污泥中的重金属主早用于污泥焚烧。焚烧炉是污泥热处理必不可少要有Cu、Ni、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等[4—6]。采的,现在欧洲、美国和日本等发达国家已安装100多用合适的焚烧方式和恰当的焚烧条件,将有助于减台这种炉子。污泥焚烧主要是燃烧污泥中的可挥发少重金属在污泥焚烧过程中向环境中排放。如果能性部分,这主要是固体中的有机物。污泥焚烧的优在污泥焚烧过程中使大部分重金属尽可能多地保留点是,可实现最大限度减量化;病原物均被灭杀;有在焚烧底灰中,而尽可能少地随飞灰排放到环境中,毒污染物被氧化;污泥灰烬中的重金属活性较污泥将会十分有利于污泥焚烧技术的应用[2,4—6]。中要低得多;可使空气净化设备排放气体达标;污泥燃烧产生热能可发电[1]。其缺陷是焚烧成本太高,从澳大利亚的使用状况来看,投资成本1500—2500澳元(合7500—12000人民币)/a・t干污泥,运转与维护费每吨干污泥从120—250澳元不等[2]。由于经济和技术水平的影响,我国目前还很少采用这一

由于污泥焚烧灰中重金属的含量受焚烧温度、

停留时间、含水率和升温速率等工况的影响,本研究主要考虑以下几种工况,即焚烧温度(500℃、600

)、℃、700℃和800℃停留时间(1min、2min、3min

和4min)、升温速率(10℃/min、15℃/min、20℃/min和25℃/min)、含水率(78.6%、69%和55%),

Ξ辽宁省博士启动基金项目(001003);辽宁省教育厅高等学校科学研究项目(20182242);沈阳市科委计划项目(SK0105)

11期李爱民等:污泥焚烧底灰中重金属残留特性的实验研究

研究焚烧底灰中Cu、Ni、Cd、Cr、Pb和Zn等6种金化曲线。随着焚烧温度的提高(从500℃升高到800

),底灰中Zn、属元素残留情况。℃Cu和Ni的含量增加,Zn的含量从

2　实验装置与分析方法

1380.2mg/kg增加到1841.8mg/kg;Cu的含量从351.9mg/kg增加到448.9mg/kg;Ni的含量从1.1

焚烧装置如图1所示,温度控制系统由程序信mg/kg增加到3.6mg/kg。它们分别为原干燥污泥中

号发生器、微伏放大器、PID调节器、可控硅执行元含量的1.5—2倍、1.3—1.6倍和0.4—1.4倍。件4部分组成。程序信号发生器按照给定的程序方式(升温、恒温、降温或循环)给出毫伏信号。如温控热电耦的热电势与程序发生器给出的毫伏值有偏差时,说明炉温偏离给定值,此偏差经微伏放大器放大,送入PID调节器,再经可控硅执行元件,调整电阻炉的加热电流从而使偏差消除,达到使炉温按一定的速度上升、下降或恒定的目的。在本实验中Cu、Cr、Cd、Zn、Ni和Pb等元素的测定采用直接吸入火焰原子吸收法。

图1　程序温升控制电炉

1.温度控制系统;2.热电偶;3.试样台;4.电炉

图2　焚烧温度对焚烧底灰中重金属含量的影响

3　实验结果与分析

与Zn、Cu和Ni的变化趋势相反,底灰中Cr、Pb

和Cd的含量随焚烧温度的升高而降低,Cr的含量257.1mg/kg降低到115.7mg/kg;Pb的含量从

表1为试验用含水率为78.6%的原污泥中重601.8mg/kg降到559.3mg/kg;Cd的含量从9.1金属的含量,可以看出Zn的含量最高,达到了mg/kg降到3.8mg/kg。它们分别为原干燥污泥中191.85mg/kg,Ni的含量最低,仅为0.57mg/kg。的含量的0.8—1.7倍、1.8—2.0倍和0.3—0.8表中所列6种重金属的含量均低于中国农用污泥中倍。焚烧底灰中重金属的含量主要受两方面影响,一方面随着水分的析出和挥发分的燃烬使得底灰中重金属的含量升高;另一方面重金属在高温下的挥

(mg/kg)　　表1　原污泥中重金属的含量

发和随飞灰飞出床外又会使底灰中重金属的含量降

金属种类ZnCrPbCdCuNi

低。最终底灰中重金属的含量取决于这两方面的

含水率竞争。

191.8531.6365.662.5358.750.57

(78.6%)图3为焚烧底灰中重金属残留率随焚烧温度的

变化曲线。在焚烧温度为500—800℃之间时,随着干燥污泥

6.50147.80306.8211.82274.532.66

(含水率为0%)焚烧温度的升高,几种重金属的残留率都有下降趋

势。Cu的残留率最高,均在90%以上,焚烧温度为

3.1　焚烧温度对焚烧底灰中重金属含量及残留率500℃时残留率为98.5%,焚烧温度为800℃时降

的影响为91%。Cd的残留率最小,焚烧温度为500℃时　　图2为焚烧底灰中重金属含量随焚烧温度的变残留率为66.7%,焚烧温度为800℃时降至38%。污染物控制标准GB4284-84。

环境污染治理技术与设备3卷

Pb的残留率随焚烧温度的变化最小,焚烧温度从3.2　升温速率对焚烧底灰中重金属含量及残留率

的影响仅降低3.3%。Ni的残留率随焚烧温度的变化最　　图4为升温速率对焚烧底灰中重金属含量的影大,当焚烧温度从500℃升至800℃时,残留率从响曲线。Cu在底灰中的含量比较稳定,稍有升降但92.3%降至50.3%,降低了42%。并不大;Cd呈现下降的趋势,而且趋势较明显;而

Cr、Cu、Pb和Ni在终温600℃与700℃升温速率的500℃升至800℃时,残留率从72.6%降至69.3%,

影响则区别很大,Pb在600℃随着升温速率的提高呈现下降的趋势,而在700℃则呈现相反的趋势;Cu、Cr和Ni虽然在600℃与700℃呈现的变化趋势相反,但它们的变化趋势与Pb恰好相反。就相对含量来说Zn含量随升温速率的变化也不大,变化趋势不明朗。

升温速率对焚烧底灰中重金属残留率的影响如图5所示。随着升温速率的提高(从10℃/min升至25℃/min)图中几种重金属的残留率都有所升高。其中Ni的残留率增加得最多,从36.5%增至92.3%。Zn的残留率增加得最少,从80%增至92%。

图3　焚烧底灰中重金属残留率

随焚烧温度的变化

图5　升温速率对焚烧底灰中重金属

)残留率的影响(焚烧温度为700℃

3.3　焚烧时间对焚烧底灰中重金属含量及残留率

的影响

　　增加污泥的焚烧时间意味着污泥挥发分析出率

和固定碳的燃烬率高。含水率为69%和78.6%的污泥焚烧后底灰中的重金属含量随停留时间的变化如图6所示,Cu、Cr、Zn和Ni的含量随停留时间的增长呈上升趋势,Pb呈下降趋势,Cd在污泥含水率为78.6%、焚烧温度为700℃时其,含量随停留时间的增长呈下降的趋势,在污泥含水率为69%、焚烧温度为600℃时,其含量随停留时间的增长呈增加的趋势。

焚烧温度为700℃时,停留时间对焚烧底灰中

图4　升温速率对焚烧底灰中重金属含量的影响

重金属残留率的影响如图7所示。在实验焚烧温度下,停留时间从1min增加到4min时,6种重金属

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3.4　污泥含水率对焚烧底灰中重金属含量的影响

图8为焚烧温度为700℃,停留时间为4min时,污泥焚烧底灰中重金属含量随含水率的变化情况。Zn、Pb和Cu的含量均随含水率的增加而降低;Cr、Ni的含量随含水率的增加而增加;当污泥的含水率从55%增加到69%时,Cd的含量从5.5%增加至7.1%,当污泥的含水率进一步增加至78.6%时,又降为4.3%。

图8　含水率对焚烧底灰中重金属含量的影响

图6　停留时间对焚烧底灰中重金属含量的影响

在污泥焚烧底灰中的残留率均随停留时间的增加而下降。其中Pb、Zn和Cd的残留率下降不明显,分

别从80.7%下降到77.3%、从%下降到85.9%、从23.7%下降到18.8%;相比之下,Ni、Cr和Cu的残留率下降较多,分别从80.9%下降到52.4%、从65.6%下降到47.8%、从.1%下降到69.0%。

4　结　论

污泥焚烧底灰中重金属的含量大大超过原污泥

中的含量,表明污泥经焚烧处理后,可有效分解污泥中有毒有害物质,使重金属富集于底灰中,因此,污泥焚烧产生的灰渣不能随便堆放,应进行稳定化处理;也可采用卫生填埋方法予以妥善处置,以免污染土壤和地下水,产生对环境的二次污染。另外,采用高温熔融技术,将污泥制成玻璃和陶瓷块,可使重金属的熔出率几乎为零;浙大热能工程研究所葛俊等人提出了控制焚烧后重金属污染物排放的吸附技术;清华大学环境科学与工程系对利用重金属螯合剂处理城市垃圾焚烧飞灰的药剂稳定化工艺及处理效果进行了实验研究,该螯合剂投加量0.6%时,捕集飞灰中重金属的效率高达97%以上。焚烧温度、升温速率、停留时间和原污泥的含水率等因素的变化均影响灰渣中重金属元素的含量。污泥焚烧底灰中重金属的含量将取决于污泥燃烬程度和重金属的

图7　停留时间对焚烧底灰中重金属

残留率的影响

环境污染治理技术与设备3卷

挥发程度,燃烬程度越高,底灰中重金属的含量越高,重金属越易挥发,底灰中重金属的含量越低。重金属的最终含量取决于二者的竞争。

实验表明,Pb、Cd和Cu3种亲硫元素在灰渣中的残留率会随着温度的升高而降低,会随着终温保持时间的增加而降低。3种元素在灰渣中残留率大小关系为Cu>Pb>Cd,其沸点顺序为:Cu>Pb>Cd,这与清华大学热能系张衍国、奉华等人在城市污水污泥焚烧过程中的重金属迁移特性研究中发现的,亲硫元素在飞灰中的富集程度随元素的沸点升高而逐渐减小,具有明显的负相关性相一致。污泥焚烧灰渣中重金属元素Zn、Cu和Cr主要残留在灰渣中,Cd、Pb和Ni部分残留在灰渣中,其中Cd大部分在飞灰及烟气中。

参考文献

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(责任编辑:刘　颖)

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