印染污泥—稻壳/苎麻混燃特性及其重金属的稳定化机理研究

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印染污泥由于其生产量大、组成复杂、污染物滞留时间长等特性,具有较强的危害性。目前,污泥焚烧技术具有最大限度减少污泥体积,杀死细菌和病原体的同时能够回收处置过程中能量等优点,因此国内外普遍认为焚烧是印染污泥处置的最佳可行技术之一。印染污泥热值低且焚烧会产生大量富含重金属的底灰副产物。此外,底灰本身处于亚稳态,底灰载体中的重金属会在特定条件下通过固-液反应向环境释放,引发严重的环境问题。同时生物质具有热值高、储存量大、来源广、清洁可再生等优点。因此印染污染与生物质的协同焚烧,是理想的印染污泥处置技术。然而生物质辅料对印染污泥的燃烧特性,对底灰中重金属的影响及其机制尚不清楚。本文选取稻壳、苎麻两种生物质作为印染污泥辅料,研究印染污泥与生物质的混燃特性,探讨其能源化的可行性,同时深入探究生物质辅料对混烧底灰中的重金属特性的影响规律,揭示其内在作用机理。其主要研究内容如下:(1)以印染污泥、稻壳、苎麻为研究对象,通过原材料的全分析发现,印染污泥中挥发分和固定碳含量较低,仅含40%,而稻壳和苎麻的挥发分和固定碳高,含量在90%左右。印染污泥中C、H的含量比稻壳、苎麻低,N、S含量比稻壳、苎麻高。相比于印染污泥,稻壳、苎麻具有高挥发分、低灰分,碳氢有机物高且氮、硫氧化物排放少的特点,是一种理想的清洁燃料。印染污泥中的Cu、Ni、Zn三种重金属的浸出值均超过了污水综合排放标准。可见印染污泥存在对环境巨大潜在威胁。而稻壳、苎麻两种生物质辅料是对环境清洁无害的。(2)联合生物质与印染污泥掺烧的理论发热量及硅铝比,探讨印染污泥-生物质的能源化可行性。并通过热重实验对印染污泥与稻壳、苎麻两种生物质的混烧过程进行模拟。结果表明,生物质的引入有利于提高印染污泥的热值,但是由于生物质的引入会引发结渣问题,掺量需严格控制在50%以内。稻壳、苎麻等生物质辅料的引入有效改善了印染污泥的着火性能,提高最大燃烧速率,提高综合燃烧性能,燃尽特征指数和燃烧稳定性。并且印染污泥与生物质辅料存在明显的协同作用,促进了燃烧性能的提升,并且当稻壳掺量为20%,苎麻掺烧为40%时,增益效应最为显著。(3)针对印染污泥与生物质辅料(稻壳、苎麻)的混烧灰中目标重金属的总量及浸出特性进行研究,并以浸出率为评价指标,探讨生物质辅料对印染污泥底灰中重金属的影响。结果表明,焚烧后印染污泥底灰中重金属总量显著增加,而浸出值显著降低。随着稻壳/苎麻辅料的加入,混烧底灰的重金属总量逐渐降低且重金属浸出浓度进一步降低,稻壳混烧灰的Cu、Ni已达到或低于污水综合排放标准,苎麻混烧灰的Cu、Ni、Zn远低于标准阈值。对比不同灰样中不同重金属的浸出率发现,稻壳掺烧体系对Cu的影响较大,浸出率最大降幅达到33%;而苎麻体系对Cr、Ni、Zn影响较大,浸出率最大降幅高达50%。另外,当稻壳/苎麻掺量达到40%时,重金属的浸出特性已基本维持稳定。(4)耦合底灰中重金属形态分布,底灰的矿物组成及微观形貌发现,印染污泥的焚烧有利于增加目标重金属残渣态的含量,Ni、Zn的残渣态含量高达94%和88%。并且稻壳和苎麻的掺入进一步促进混烧底灰残渣态含量的增加,即印染污泥与生物质的混燃有利于底灰重金属的稳定化。采用生态分析风险评价分析可知,混烧灰的重金属基本处于低污染或者无风险状态,对环境的潜在生态危害较弱。结合XRD和扫描电镜结果可知,稻壳掺烧灰中沸石矿物的形成抑制了重金属的浸出,促进其向稳定态转化;而苎麻掺烧灰中铁钙榴石和铁镁铬矿物的形成同样对重金属有钝化作用,后者直接与Cr发生反应形成稳定的矿物相。稻壳、苎麻掺烧灰底灰中重金属的稳定化与硅铝酸盐、铁镁矿物、钙盐有关。稻壳掺烧灰和苎麻掺烧灰的扫描电镜中出现了大量孔结构和纤维状结构,形成了较大的空间通道,增大了底灰的比表面积,为重金属与矿物接触反应提高了活性位点。
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