CN110683728A - 一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法 - Google Patents

一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市污泥与填埋垃圾水热‑热解协同固化重金属的方法，将城市污泥放入水热反应釜中进行水热反应，水热反应结束后冷却抽滤得到水热固体产物，将该固体产物与填埋垃圾均匀混合放入管式炉中进行热解反应，热解反应结束后冷却得到固体产物并保存，重金属则固化于该固体产物中。该处理方法在对两种固体废物减量化处理的同时，对其最大化的无害化和资源化处理，将原料的重金属稳定固化，以更为稳定的残渣态存在，降低了其中重金属的浸出毒性和生态毒性，使该水热‑热解产物可以作为吸附剂和土壤修复剂使用。

Description

一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法
技术领域
本发明涉及废物处理与资源化利用方法，特别涉及一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法。
背景技术
目前污水及污泥固体废弃物处理的主流方法为焚烧、填埋、堆肥。焚烧产生的二噁英会对环境造成直接危害，填埋和堆肥会占用大量土地资源，并且填埋产生的渗滤液会污染当地土壤环境及地下水；污泥热解技术经过多年发展，逐渐变成实用技术。现有污泥处理方法中的热解技术主要用来单一的处理污泥,从而实现污泥的减量化和无害化，并且热解残焦可作为燃料或土壤改良剂使用。已有的研究表明污泥热解残焦中重金属残留约90％以上，且浸出量很小，甚至不浸出；但是现有的污泥处理技术，并未完全发挥污泥热解炭的稳定重金属的作用。此外，城市生活垃圾，尤其是含重金属的危险废物，通常采用特定填埋厂填埋或特定焚烧工艺及装置处理；该方法花费较大，且容易产生二次污染。
由于机械脱水后的城市污泥含水率仍高达80％以上，热解前若采用烘干研磨处理经济和能耗较大，且单独热解处理时污泥中的个别金属浸出量虽有所降低但未能达到排放标准。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种固化体稳定安全，浸出毒性低，在较低的经济和能源消耗的前提下，污泥和填埋垃圾得到了最大限度的无害化和资源化处理的污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，包括以下步骤：
(1)将城市生活污水处理厂排放的原生污泥置于水热反应釜中，密闭水热反应釜后用氮气反复吹扫反应釜确保反应釜内空气排尽，然后以50-200r/min的转速进行搅拌，在一个标准大气压和150-250℃下进行水热反应直至反应结束，待水热产物自然冷却到23-26℃后，抽滤得到水热固体残渣，并在0-4℃下用保鲜膜密封保存；
(2)将城市生活垃圾填埋场内的填埋垃圾剪碎成0.5cm以下的碎片和步骤(1)中制备的水热固体残渣混合，混合物中填埋垃圾的质量比例在0-50％之间；将所述混合物放入管式炉中，在400-900℃之间进行热解反应直至反应结束，整个反应过程中向管式炉中通入氮气，待固体产物自然冷却到23-26℃后密封保存，重金属则固化于该固体产物中。
本发明的本发明的有益效果为：
1.通过水热直接处理含水率高的城市污泥，在缩减污泥体积和降低污泥含水率的同时，初步固化污泥中的重金属，为协同处理填埋垃圾提供了载体；
2.通过水热固体残渣和填埋垃圾的协同热解，将其中含有的重金属稳定固化，固化体稳定安全，浸出毒性低；
3.充分发挥了热解对重金属的固化作用，在处理污泥的同时，协同处理了填埋垃圾，缓解了填埋垃圾造成的环境污染和土地资源紧张的问题，并且毒性检测合格后的热解产物可以作为吸附剂、土壤修复剂以及能源使用，在较低的经济和能源消耗的前提下，污泥和填埋垃圾得到了最大限度的无害化和资源化处理；
4.不仅限于污泥和填埋垃圾的协同处理，也可以用来污泥和其他工业固废或生物固废的协同处理，使其得到无害化和资源化处理。
具体实施方式
以下将通过具体的实施案例对本发明做进一步阐述。
本发明的一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，包括以下步骤：
(1)将城市生活污水处理厂排放的原生污泥置于水热反应釜中，密闭水热反应釜后用0.5Mpa的氮气反复吹扫反应釜(通常3次即可)确保反应釜内空气排尽，然后以50-200r/min的转速进行搅拌，在一个标准大气压和150-250℃的条件下进行水热反应直至反应结束，待水热产物自然冷却到23-26℃后，抽滤得到水热固体残渣，并在0-4℃下用保鲜膜密封保存，这样可以减少污泥中水分及其他易挥发组分的流失；
考虑到不同地区城市生活污水处理厂排放的污泥成分(尤其是有机物含量)不同，水热反应所需时间也不相同，因此水热停留时间设定了范围，方便根据不同污泥设定不同的停留时间，直到反应进行完全。优选的到达水热反应终温时停留10-60min为宜。
优选的水热反应温度为200℃，优点为：(1)200℃下固体残渣量较多，且含水率降低较多；(2)200℃下绝大部分重金属分布在固体残渣中，有利于重金属的固化；
(2)将城市生活垃圾填埋场内的填埋垃圾剪碎成0.5cm以下的碎片和步骤(1)中制备的水热固体残渣混合，混合物中填埋垃圾的质量比例在0-50％之间；将所述混合物放入管式炉中，在400-900℃之间进行热解反应直至反应结束，为了保证热解反应过程中的氮气氛围，整个反应过程中以150ml/s的速率向管式炉中通入氮气，待固体产物自然冷却到23-26℃后密封保存，重金属则固化于该固体产物中。
所述混合物中填埋垃圾的质量比优选的为25％。优点为：(1)由于填埋垃圾中重金属含量与污泥相比相对较少，因此在25％的混合质量比下，由于一定的稀释作用混合物中的重金属含量有所降低；(2)在25％的混合质量比条件下，在热解过后绝大部分重金属分布在固体残渣中，有利于重金属的固化；
热解温度优选的为700℃，升温速率为15℃/min，优点为：(1)700℃下污泥体积进一步减小，固体残渣量相对较高；(2)700℃下绝大部分重金属分布在固体残渣中，有利于重金属的固化；(3)700℃的热解条件下重金属的形态由生物可利用态和相对活泼态转化为稳定态，生态毒性和风险性明显降低；
考虑到不同比例及不同地区原料成分的差异，完全反应所需时间也有所差异，因此热解停留时间设定了范围，方便根据不同原料设定不同的停留时间，直到反应进行完全，热解反应到达终温后停留时间以30-120min为宜。
为了更好的对实验结果进行分析，对城市污泥和城市填埋垃圾进行了工业分析，元素分析，化学成分分析，并对步骤(2)中制备的热解固体产物进行重金属检测：将步骤(2)中制备的热解固体产物研磨成粉末过筛，采用ICP-OES测其重金属固定率，采用BCR形态分析法分析热解固体产物中重金属的存在形态；采用重金属风险评估方法(RI)对重金属固化效果进行评估，检测完毕后热解固体产物可以进行填埋，也作为吸附剂或土壤修复剂使用。
本发明通过直接水热处理含水率高的污泥，在缩减污泥体积和降低污泥含水率的同时，初期固化污泥中的重金属；后期充分发挥污泥热解对重金属的固定作用，将污泥与填埋垃圾混和热解，固化其中的重金属，由此解决污泥和填埋垃圾无害化和资源化处置的技术问题。
实施例1
(1)水热实验：将城市生活污水处理厂排放的原生污泥150g放入水热反应釜中，为了吹扫反应釜中的空气，密闭后用0.5Mpa的氮气反复吹扫反应釜3次，常压下(一个标准大气压)设定温度为150℃，搅拌速率为50r/min，在到达终温时停留60min，自然冷却到23℃后抽滤得到水热固体残渣，并用保鲜膜保存并在0℃保存；
(2)热解实验：将城市生活垃圾填埋场内的填埋垃圾剪碎成0.5cm以下的碎片和步骤(1)中制备的水热固体残渣混合，所述混合物中填埋垃圾的比例为50％；将所述混合物放入管式炉中，设定温度为400℃，升温速率为15℃/min，到达终温后停留120min，自然冷却到23℃后保存得到热解固体产物，为了保证热解反应过程中的氮气氛围，整个反应过程中以150ml/s的速率向管式炉中通入氮气；
重金属检测：将步骤(2)中制备的热解固体产物研磨成粉末过筛，采用ICP-OES测Cr、Cu、Zn、Pb、Ni五种重金属的含量，采用BCR形态分析法分析热解固体产物中重金属的存在形态；采用重金属风险评估方法(RI)对重金属固化效果进行评估，检测完毕后热解固体产物可以进行填埋，也作为吸附剂或土壤修复剂使用。
实施例2
(1)水热实验：将城市生活污水处理厂排放的原生污泥150g放入水热反应釜中，为了吹扫反应釜中的空气，密闭后用0.5Mpa的氮气反复吹扫反应釜3次，常压(一个标准大气压)下设定温度为200℃，搅拌速率为100r/min，在到达终温时停留30min，自然冷却到26℃后抽滤后得到水热固体残渣，并用保鲜膜保存并在4℃保存；
(2)热解实验：将城市生活垃圾填埋场内的填埋垃圾剪碎成0.5cm以下的碎片和步骤(1)中制备的水热固体残渣混合，所述混合物中填埋垃圾的比例为25％；将所述混合物放入管式炉中，设定温度为700℃，升温速率为15℃/min，到达终温后停留60min，自然冷却到26℃后保存得到热解固体产物，为了保证热解反应过程中的氮气氛围，整个反应过程中以150ml/s的速率向管式炉中通入氮气；
重金属检测：将步骤(2)中制备的热解固体产物研磨成粉末过筛，采用ICP-OES测Cr、Cu、Zn、Pb、Ni五种重金属的含量，采用BCR形态分析法分析热解固体产物中重金属的存在形态；采用重金属风险评估方法(RI)对重金属固化效果进行评估，检测完毕后热解固体产物可以进行填埋，也作为吸附剂或土壤修复剂使用。
实施例3
(1)水热实验：将城市生活污水处理厂排放的原生污泥150g放入水热反应釜中，为了吹扫反应釜中的空气，密闭后用0.5Mpa的氮气反复吹扫反应釜3次，常压(一个标准大气压)下设定温度为250℃，搅拌速率为200r/min，在到达终温时停留10min，自然冷却到24℃后抽滤后得到水热固体残渣，并用保鲜膜保存并在2℃保存；
(2)热解实验：将水热固体残渣放入管式炉中，设定温度为900℃，升温速率为15℃/min，到达终温后停留30min，自然冷却到24℃后保存得到热解固体产物，为了保证热解反应过程中的氮气氛围，整个反应过程中以150ml/s的速率向管式炉中通入氮气；
重金属检测：将步骤(2)中制备的热解固体产物研磨成粉末过筛，采用ICP-OES测Cr、Cu、Zn、Pb、Ni五种重金属的含量，采用BCR形态分析法分析热解固体产物中重金属的存在形态；采用重金属风险评估方法(RI)对重金属固化效果进行评估，检测完毕后热解固体产物可以进行填埋，也作为吸附剂或土壤修复剂使用。
对城市污泥和填埋垃圾的工业分析、元素分析和化学成分分析结果如下表1和表2所示，按照微波消解法提取检测分析实施例1,2,3所得固体产物(对应于表3和表4中的样品1，2,3)中的Cr、Cu、Ni、Pb、Zn五种重金属的含量如下表3所示。
表1城市污泥和填埋垃圾的工业分析和元素分析
Figure BDA0002193738000000061
表2城市污泥和填埋垃圾的化学成分
Figure BDA0002193738000000062
表3不同样品中重金属的含量
Figure BDA0002193738000000063
经BCR提取方法进行重金属形态分析结果如表4所示，F1、F2、F3、F4分别为酸可提取态、氧化物结合态、有机结合态、残渣态，酸可提取态和氧化物结合态易被释放，结合能力较弱，有较大的可移动性，对环境造成直接的危害；有机结合态重金属在氧化环境下易被分解释放，对环境造成潜在的危害；残渣态属于不溶态重金属，它只有通过化学反应转化成可溶态物质才对生物环境产生影响，对环境基本无害，样品1、2、3分别为上述3组实例得到的产物，样品0代表未经处理的原始样品；由表4可以看出在经过固化之后，重金属的形态分布主要集中在残渣态和有机结合态，大大降低了重金属对环境的危害；同时采用重金属风险评估方法通过RI值对重金属固化效果进行评估，其中RI值越小风险性越低，其评估结果如表4所示。
表4不同样品中重金属的形态分布及风险评估(RI)
Figure BDA0002193738000000071

Claims (5)

1.一种污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将城市生活污水处理厂排放的原生污泥置于水热反应釜中，密闭水热反应釜后用氮气反复吹扫反应釜确保反应釜内空气排尽，然后以50-200r/min的转速进行搅拌，在一个标准大气压和150-250℃下进行水热反应直至反应结束，待水热产物自然冷却到23-26℃后，抽滤得到水热固体残渣，并在0-4℃下用保鲜膜密封保存；
(2)将城市生活垃圾填埋场内的填埋垃圾剪碎成0.5cm以下的碎片和步骤(1)中制备的水热固体残渣混合，混合物中填埋垃圾的质量比例在0-50％之间；将所述混合物放入管式炉中，在400-900℃之间进行热解反应直至反应结束，整个反应过程中向管式炉中通入氮气，待固体产物自然冷却到23-26℃后密封保存，重金属则固化于该固体产物中。
2.根据权利要求1所述的污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，其特征在于：所述混合物中填埋垃圾的质量比25％。
3.根据权利要求1或者2所述的污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的热解温度为700℃，升温速率为15℃/min，到达终温后停留时间为30-120min。
4.根据权利要求3所述的污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，其特征在于：所述步骤(1)中到达水热反应终温时停留时间为10-60min，水热反应温度为200℃。
5.根据权利要求4所述的污泥与填埋垃圾水热-热解协同固化重金属的方法，其特征在于：热解反应整个反应过程中以150ml/s的速率向管式炉中通入氮气。
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