CN113880378A - 一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，该方法将市政污泥和含氯添加剂按质量比9～10：1在坩埚中混合均匀后放入管式炉中燃烧，设置燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6～7：3比例混合，停留时间为30～60min。含氯添加剂作为热化学处理方法之一减少重金属的优势在于其能快速减少污泥占地资源，降低重金属浓度，回收可观的磷资源。本发明通过含氯添加剂中的氯在高温下与重金属反应，形成沸点更低，更易挥发的重金属化合物，产生的气体向烟气中迁移，从而脱除底渣中的重金属，同时从污泥中回收磷并提高磷的生物利用率，将污泥中的含磷矿物相转化为植物可利用的形式，提供具有可持续价值的潜在肥料来源。
Description
技术领域
本发明属于环境工程固废资源化领域，具体涉及污泥富氧燃烧条件下，含氯添加剂去除重金属同时促进污泥中磷资源回收，具体为一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法。
背景技术
由于工业化进程的加快，世界人口及生物多样性的增加，环境污染问题日趋严峻。污泥作为污水处理的副产物，易造成二次污染。污泥中除了含有氮磷等营养物质外，还包括有机污染物，病原体以及重金属等有毒有害成分。
燃烧能快速减少污泥占地资源，降低重金属浓度，回收可观的磷资源，获得能量来供电供热供暖，目前已成为污泥处理处置最理想的方式之一。富氧燃烧指的是采用高于空气含氧量的含氧气体进行燃烧的技术，利用其替代常规的空气燃烧污泥，不仅可以提高燃烧效率，而且可以有效控制污染物排放。
目前，添加剂作为热化学处理方法之一减少重金属具有明显的优势，其中含氯添加剂由于其在高温下能与大部分重金属形成沸点更低的重金属化合物挥发去除而具有非常广阔的研究前景。
同时，磷是地球上所有生命生长所必需的基本营养元素，也是一种不可再生资源，磷酸盐已经成为一种稀缺且不可替代的战略性资源。基于磷的单向流动这一特点，生产生活中消耗的磷在污泥中得到汇集。因此，污泥目前已成为最大的二级磷资源。从污泥中回收磷并提高磷的生物利用率，将污泥中的含磷矿物相转化为植物可利用的形式，提供具有可持续价值的潜在肥料来源具有重要意义。
发明内容
为本发明的目的在于，提出一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，旨在解决污泥中重金属有害物质的去除及有效磷资源回收的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明公开了一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，将市政污泥与含氯添加剂在高温下共燃烧，形成沸点更低的重金属化合物挥发去除，同时含氯添加剂与污泥中的矿物质作用形成易被植物吸收的含磷矿物相，提高磷资源的生物利用率，具体步骤如下：
将市政污泥进行预处理后与含氯添加剂在坩埚中混合均匀，放入管式炉进行燃烧，收集污泥焚烧底渣。
所述市政污泥预处理步骤如下：将市政污泥置于室温风干后放入鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，随后研磨筛分至粒径过200目（75μm）标准筛。
含氯添加剂为CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl、AlCl3和FeCl3中的一种，市政污泥与含氯添加剂的质量比为9～10：1。
设置燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6～7：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，停留时间为30～60min。
管式炉尾部设有烟气吸收系统，采用两个分别装有5％HNO3+10％H2O2混合溶液的集气瓶置于冰水浴中，以吸收挥发出来的气态重金属，减少环境污染。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
污泥富氧燃烧条件下，污泥与含氯添加剂充分反应，利用高温将市政污泥中含有的重金属与含氯添加剂共同作用形成沸点更低的重金属化合物挥发去除，同时含氯添加剂与污泥中的矿物质作用形成易被植物吸收的含磷矿物相，提高磷资源的生物利用率。
结果表明，在含氯添加剂的作用下，污泥底渣中Cu的含量较市政污泥原样中Cu的含量降低了6.36％～56.82％；Zn的含量较市政污泥原样中Zn的含量降低了11.70％～62.68％；Cr的含量较市政污泥原样中Cr的含量降低了12.40％～33.61％；Ni的含量较市政污泥原样中Ni的含量降低了5.27％～29.40％；污泥底渣中可以被生物利用的无机磷含量较市政污泥原样中无机磷含量增加了6.02％～41.12％，达到了去除重金属的同时回收磷的可观效果。燃烧后的污泥渣中，可被植物吸收利用的重金属的含量明显降低，从而降低了植物对重金属的吸收。通过本发明中的技术方案处理后，污泥渣中无机磷含量升高，重金属含量降低，可被植物吸收利用的重金属的含量明显降低，从而使得处理后的污泥渣可作为废料使用。
附图说明
图1为一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法的流程图。
图2为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cu各化学形态的含量图。
图3为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cu各化学形态的含量图。
图4为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Zn各化学形态的含量图。
图5为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Zn各化学形态的含量图。
图6为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cr各化学形态的含量图。
图7为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cr各化学形态的含量图。
图8为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Ni各化学形态的含量图。
图9为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Ni各化学形态的含量图
图10为市政污泥原样富氧燃烧后磷的各化学形态含量图。
图11为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧后磷的各化学形态含量图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的技术特征，实施效果进行详细说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
市政污泥的预处理：所选用的市政污泥取自江苏省无锡市某污水处理厂。将污泥置于室温风干后放入鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，随后研磨筛分至粒径过200目（75μm）标准筛。
含氯添加剂的预处理：将含氯添加剂CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl、AlCl3和FeCl3放入鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，去除含氯添加剂中的结晶水。
市政污泥和含氯添加剂按照质量比9～10：1称取，搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中。
管式炉尾部设有烟气吸收系统，采用两个分别装有5％HNO3+10％H2O2混合溶液的集气瓶置于冰水浴中，以吸收挥发出来的气态重金属，减少环境污染。
实施例一：
称取2.00g市政污泥和0.22gCaCl2搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为666.5mL/min，O2流量为333.5mL/min，停留时间为30min。
实施例二：
称取2.00g市政污泥0.22gMgCl2搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为666.5mL/min，O2流量为333.5mL/min，停留时间为30min。
实施例三：
称取2.00g市政污泥0.22gNaCl搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为666.5mL/min，O2流量为333.5mL/min，停留时间为45min。
实施例四：
称取2.00g市政污泥0.20gKCl搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按7：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为700mL/min，O2流量为300mL/min，停留时间为45min。
实施例五：
称取2.00g市政污泥0.20gAlCl3搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按7：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为700mL/min，O2流量为300mL/min，停留时间为60min。
实施例六：
称取2.00g市政污泥0.20gFeCl3搅拌混合均匀后置于坩埚内放入管式炉中，设置管式炉升温程序，升温速率为15℃/min，燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按7：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，即N2流量为700mL/min，O2流量为300mL/min，停留时间为60min。
待管式炉燃烧反应结束后，收集以上所述实施例1～6中的污泥底渣并对其进行消解，六种不同成分污泥底渣中主要的重金属含量（mg/kg）如表1所示。
表1
为了了解污泥中重金属的化学形态分布规律，采用改进的BCR顺序提取方法，对污泥底渣进行分级提取。改进的BCR顺序提取法将重金属分为酸可提取态，可还原态，可氧化态和残渣态四种形态。一般情况下，酸可提取态可迁移性强毒性高，可还原态不易释放，可氧化态在一定条件下发生降解作用，部分转化为酸可提取态而被生物利用，而残渣态较为稳定，很难被生物利用。为了了解污泥中磷的化学形态分布规律，采用欧洲标准测试组织提出的SMT方法，对污泥底渣进行分级提取。SMT法将磷分为总磷（TP）、无机磷（IP）、有机磷（OP）、磷灰石无机磷（NAIP）和磷灰石无机磷（AP）。最后利用钼蓝比色法测定磷中五种形态的含量。六种不同成分污泥底渣中磷的含量（mg/g）如表2所示。
表2
以CaCl2为例（其余五种添加剂效果类似），图2为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cu各化学形态的含量图，图3为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cu各化学形态的含量图；图4为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Zn各化学形态的含量图，图5为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Zn各化学形态的含量图；图6为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cr各化学形态的含量图，图7为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Cr各化学形态的含量图；图8为市政污泥原样富氧燃烧BCR顺序提取重金属Ni各化学形态的含量图，图9为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧BCR顺序提取重金属Ni各化学形态的含量图；
由图可知，提高燃烧温度和添加含氯添加剂CaCl2后，重金属化学形态普遍都向残渣态迁移，说明市政污泥中的重金属稳定性增强，重金属环境风险降低；特别当添加含氯添加剂CaCl2后，酸可提取态，可还原态，可氧化态相应降低，市政污泥中的重金属毒性减弱，利于被生物利用。
以CaCl2为例，图10为市政污泥原样富氧燃烧后磷的各化学形态含量图；图11为市政污泥添加CaCl2后富氧燃烧后磷的各化学形态含量图。
由图可知，提高燃烧温度，添加含氯添加剂CaCl2提高了无机磷（IP）的含量。一般情况下，由于无机磷（IP）是生物可利用的磷形态，因此，高温富氧燃烧以及含氯添处理可以提高污泥中磷的生物可利用性。即磷的生物有效性得到提高。
以上描述说明了本发明的基本原理，主要特征和实施效果。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。在不脱离本发明原理的前提下，还会有进一步的改进，这些变化都落入要求保护的本发明范围内。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于，所述脱除重金属回收磷处理方法步骤如下：第一步，对市政污泥进行预处理；第二步，第一步预处理的市政污泥与含氯添加剂在坩埚中混合均匀，放入管式炉进行燃烧，收集污泥焚烧底渣。
2.根据权利要求1所述的一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于：在所述的第一步具体如下：将市政污泥置于室温风干后放入鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，随后研磨筛分至粒径过200目标准筛。
3.根据权利要求1所述的一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于：在所述的第二步中，含氯添加剂为CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl、AlCl3和FeCl3中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于：在所述的第二步中，市政污泥与含氯添加剂的质量比为9～10：1。
5.根据权利要求1所述的一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于：在所述的第二步中，设置燃烧温度为600℃～900℃，燃烧气氛为N2和O2按6～7：3比例在混气瓶中混合后通入管式炉，停留时间为30～60min。
6.根据权利要求1所述的一种利用添加剂去除市政污泥中重金属回收磷的方法，其特征在于：在所述的第二步中，管式炉尾部设有烟气吸收系统，采用两个分别装有5％HNO3+10％H2O2混合溶液的集气瓶置于冰水浴中。
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| EP1669467A1 (de) * | 2004-12-09 | 2006-06-14 | BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung | Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen aus Klärschlammasche |
| WO2010108630A1 (de) * | 2009-03-25 | 2010-09-30 | Ingeborg Klose | Verfahren zur eliminierung von schadstoffen aus klärschlamm und verfahren zur herstellung von phosphaten und phosphathaltigen verbindungen |
| CN102320873A (zh) * | 2011-08-17 | 2012-01-18 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种生物质与污泥共利用制取复合缓释肥的方法 |
-
2021
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| EP1669467A1 (de) * | 2004-12-09 | 2006-06-14 | BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung | Verfahren zur Abtrennung von Schwermetallen aus Klärschlammasche |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 沈笛扬等: ""污泥富氧燃烧含氯添加剂对重金属迁移转化影响"", 《2021年全国有机固废处理与资源化利用高峰论坛论文集》 * |
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